Что такое напряжение?

Немного странный вопрос, но что это? Мой учитель физики сказал, что это своего рода «толчок», который толкает электроны вокруг контура. Могу ли я получить более сложное объяснение? Любая помощь очень ценится.

63 голоса | спросил imulsion 10 MonEurope/Moscow2012-12-10T17:17:21+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowMon, 10 Dec 2012 17:17:21 +0400 2012, 17:17:21

9 ответов


80

Ваш учитель был прав.

Ток - это электрические заряды (обычно электроны). Они не делают этого сами по себе без причины, не более того, чем корзина покупок перемещается по полу магазина сама по себе. В физике мы называем силу, которая толкает заряды силой электродвигателя , или «EMF». Это почти всегда выражается в единицах вольт, поэтому мы обычно принимаем небольшой ярлык и обычно называем «напряжение» большую часть времени. Технически EMF - это физическая величина, а вольт - одна единица, которую можно количественно определить.

EMF может быть сгенерирована несколькими способами:

  1. Электромагнитный. Когда проводник (например, провод) перемещается сбоку через магнитное поле, будет напряжение, генерируемое вдоль длины провода. Электрические генераторы, такие как электростанции и генератор переменного тока в вашем автомобиле, работают по этому принципу.

  2. Электрохимический. Химическая реакция может вызвать разность напряжений. Батареи работают по этому принципу.

  3. Фотогальванический. Краш-фотоны в полупроводниковый диод в нужном месте, и вы получаете напряжение. Так работают солнечные элементы.

  4. Электростатический. Сотрите два подходящих материала вместе, и один проложит электроны на другой. Два материала, которые хорошо проявляют это явление, - это пластиковая гребенка и кошка. Это то, что происходит, когда вы перемещаетесь по правильному ковровому покрытию, а затем получаете сигнал, когда касаетесь металлического предмета. Это протирает воздушный шар против вашей рубашки, что позволяет воздушному шару «прилипать» к чему-то другому. В этом случае ЭМП не может заставить электроны двигаться, но все равно тянет их, а затем, в свою очередь, тянет на баллон, на котором они застряли.

    Этот эффект можно масштабировать, чтобы варьировать высокие напряжения и является основой для работы генераторов Van de Graaff .

  5. Термоэлектрический. Градиент температуры вдоль большинства проводников вызывает напряжение. Это называется эффектом Siebeck . К сожалению, вы не можете использовать это, потому что для использования этого напряжения в конце концов есть замкнутый контур. Любое напряжение, полученное повышением температуры в части контура, затем компенсируется снижением температуры в другой части петли. Хитрость заключается в использовании двух разных материалов, которые имеют различное напряжение в результате того же температурного градиента (разный коэффициент Зибека). Используйте один материал, выходящий на источник тепла, и другое возвращение, и вы получите сетевое напряжение, которое вы можете использовать при той же температуре.

    Общее напряжение, которое вы получаете от одного и обратно, даже при высокой разнице температур, довольно мало. Объединив многие из этих и задних комбинаций, вы можете получить полезное напряжение. Один выход и обратно называется термопарой и может использоваться для определения температуры. Многое вместе является генератором термопары. Да, они действительно существуют. На этом принципе были задействованы космические аппараты с источником тепла, исходящим из распада радиоизотопа.

  6. <Б> Термоэлектронная . Если вы нагреваете нечто достаточно высокое (100 ° C), то электроны на его поверхности движутся так быстро, что иногда они улетают. Если у них есть место для высадки, которое холоднее (поэтому они не будут отлетать снова оттуда), у вас есть термоэлектронный генератор. Это может звучать далеко, но на этом принципе также был задействован космический аппарат с источником тепла, снова являющимся распадом радиоизотопов.

    Электронные трубки частично используют этот принцип. Вместо того, чтобы нагревать что-то, чтобы электроны вылетали сами по себе, вы можете нагреть его почти до такой точки, чтобы они улетали, когда было применено небольшое дополнительное напряжение. Это основа диода вакуумной трубки и важна для большинства вакуумных трубок. Вот почему в этих трубах были нагреватели, и вы могли видеть, как они светились. Требуется светящиеся температуры, чтобы добраться до того места, где значителен термоэмиссионный эффект.

  7. Пьезоэлектрический. Некоторые материалы (например, кварцевый кристалл) генерируют напряжение, когда вы их сжимаете. Некоторые микрофоны работают над этим принципом. Меняющиеся волны давления в воздухе, которые мы называем звуком, сжимают и скручивают кварцевый кристалл попеременно, что заставляет его создавать крошечные волны напряжения в результате. Мы можем усилить их, чтобы в конечном итоге сделать сигналы, которые вы можете записать, управлять громкоговорителями, чтобы вы могли их слышать и т. Д.

    Этот принцип также используется во многих воспламенителях для барбекю. Пружинный механизм сильно ударяет кристалл кварца, так что он создает достаточное напряжение, чтобы вызвать искру.

ответил Olin Lathrop 10 MonEurope/Moscow2012-12-10T18:45:29+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowMon, 10 Dec 2012 18:45:29 +0400 2012, 18:45:29
31

Используя жидкую аналогию, напряжение - давление, ток - расход.

ответил placeholder 10 MonEurope/Moscow2012-12-10T17:21:01+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowMon, 10 Dec 2012 17:21:01 +0400 2012, 17:21:01
10

«Напряжение» - производная величина. Трудно понять его Физический смысл, не понимая величин, из которых оно получено.

Все начинается с силы между двумя точечными зарядами. Пусть заряды точек \ $ P_1 \ $ и \ $ P_2 \ $ - \ $ q_1 \ $ и \ $ q_2 \ $. Пусть расстояние между ними равно \ $ r \ $. Основная теорема гласит, что сила между этими двумя зарядами пропорциональна количеству зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. То есть:

\ $ F = k \ dfrac {q_1 q_2} {r ^ 2} \ $

Пусть фиксировано местоположение и заряд \ $ P_1 \ $. Теперь сила зависит от местоположения и заряда \ $ P_2 \ $. Поэтому мы определяем векторное поле под названием «Электростатическое поле». Направление векторного поля совпадает с направлением поля силы между \ $ P_1 \ $ и \ $ P_2 \ $, когда \ $ q_2 \ $ - положительный единичный заряд. А величина поля - сила за заряд \ $ q_1 \ $, когда \ $ q_2 \ $ - единичный положительный заряд. То есть:

\ $ \ bar {E} = \ lim \ limits_ {q_1 \ to 0} \ dfrac {\ bar {F}} {q_1} \ quad \ mbox {(} q_2 \ mbox {является единичным положительным зарядом)} \ $

Мы делаем \ $ q_1 \ $ подход к нулю, чтобы пренебречь некоторыми другими электромагнитными эффектами; не позволяйте ему смущать вас. Это нечто вроде «ауры, которая способна генерировать некоторую силу за единый электрический заряд». Это направление одно и то же с направлением создаваемой им силы, и его величина пропорциональна величине силы.

Теперь мы видим, что эти величины, которые мы определили, очень похожи на некоторые другие физические величины, которые мы знаем. Например, вышеприведенная сила очень похожа на силу между Землей и космическим объектом, подобным Луне. Поле \ $ \ bar {E} \ $ очень похоже на гравитационное поле Земли.

Тогда возникает идея определения электрического потенциала, которая аналогична потенциалу космического объекта относительно Земли. Потенциалом точки в пространстве вокруг Земли является энергия на единицу массы, чтобы довести объект (имеющий единичную массу) от бесконечности до этой точки. Когда мы определяем его в Электростатики, потенциал точки \ $ P_2 \ $ становится:

\ $ V_2 = - \ int \ limits_ {\ infty} ^ {P_2} \ bar {E} d \ bar {\ ell} \ $

Тогда разность потенциалов между двумя независимыми точками (\ $ P_2 \ $ и \ $ P_3 \ $) в пространстве в поле \ $ \ bar {E} \ $ (вызвана \ $ q_1 \ $) равна

\ $ V_2 - V_3 = \ left (- \ int \ limits_ {\ infty} ^ {P_2} \ bar {E} d \ bar {\ ell} \ right) - \ left (- \ int \ limits_ { \ infty} ^ {P_3} \ bar {E} d \ bar {\ ell} \ right) = \ int \ limits_ {P_3} ^ {P_2} \ bar {E} d \ bar {\ ell} \ $

Обратите внимание, что электрическое поле не завивает, что означает, что он всегда может быть представлен как градиент скалярного поля (\ $ \ bar {E} = - \ bar {\ nabla} V \ $). Эти линейные интегралы не зависят от пути.

Итак, это определение потенциального поля. Точка всегда будет иметь потенциал, даже если на нее нет никакой платы. Подумайте об этом: «Энергия, необходимая для того, чтобы зарядить единицу с бесконечности». Потенциальная разница между двумя точками аналогична; это энергия, необходимая для переноса единичного заряда из одной точки в другую. Или подумайте об этом на более конкретном примере, например, для небесных тел. Потенциальная разница между высотой 100 км и высотой 200 км над поверхностью Земли - это не что иное, как разность потенциальных энергий между двумя объектами 1 кг на заданных высотах.

Когда мы приходим в реальный мир, потенциал точки - это некоторые из всех индивидуальных потенциалов, вызванных зарядами (применяется теория суперпозиции).

ответил hkBattousai 14 FriEurope/Moscow2012-12-14T00:01:55+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowFri, 14 Dec 2012 00:01:55 +0400 2012, 00:01:55
9

Напряжение появляется всякий раз, когда возникает дисбаланс электрического заряда (т. е. электронов). Поскольку подобные заряды отталкиваются и противоположные заряды притягиваются, любой набор электрически заряженных частиц создает какую-то силу друг на друга. Если есть дисбаланс отрицательного отношения к положительному, формируется своего рода «давление» или «толчок». В проводящих материалах электроны могут свободно протекать через материал, а не фиксироваться в атомах и, следовательно, течь до точки наименьшего «давления».

Некоторые усложняющие соображения:

  • Электричество и химия тесно связаны. Например, в батарее химический дисбаланс создает электрический дисбаланс (напряжение) через терминалы, заставляя заряженные частицы с одной стороны. Химия также влияет на электрические условия другими способами.
  • Ток (I) - это поток электронов, однако электроны (так как они отрицательные) протекают в противоположном направлении «тока». Ток представляет собой концептуальный поток положительного заряда, хотя фактический поток отрицательный, но в другом направлении. Это свидетельствует о том, что отрицательный «толчок» - это то же самое, что и положительное «тянуть».
ответил oyvind 10 MonEurope/Moscow2012-12-10T17:57:21+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowMon, 10 Dec 2012 17:57:21 +0400 2012, 17:57:21
4

Я слышал определение:

  

Напряжение - это потенциал (для заряда) для работы.

Другими словами, напряжение представляет собой энергию, заданную единице заряда, т. е. \ $ V = {dE \ над dQ} \ $, где \ $ E \ $ - энергия и \ $ Q \ $ - заряд.

ответил sblair 12 WedEurope/Moscow2012-12-12T02:06:46+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowWed, 12 Dec 2012 02:06:46 +0400 2012, 02:06:46
4

На самом деле мы не можем.

Электростатическая сила пропорциональна градиенту потенциала, но не непосредственно к потенциалу. Сила на одном кулоне заряда пропорциональна градиенту потенциала:

\ $ F = Q \ times {d [V] \ over dl} \ $

Собственно, 1В V означает, что если у вас есть 1 джоуль электрической энергии, он будет передан в механическую энергию на кулоновский заряд +1, чтобы ускорить или увеличить его 1 /2mV ^ 2 на 1Â J]. Это фактически аналогично энергии.

ответил Standard Sandun 11 TueEurope/Moscow2012-12-11T02:15:53+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowTue, 11 Dec 2012 02:15:53 +0400 2012, 02:15:53
3

Добавление к тому, что сказал Ганниш:

Напряжение в точке А - это буквально измерение работы, которую вы потратили бы, если бы вы нажимали положительный заряд от 0 В (обычно либо определяемый как бесконечно далеко от А, либо земля) до А.

Напряжение важно в электронике, потому что, если мы начнем с положительного заряда в точке А, он сможет сделать то же самое количество работы до 0 В (например, включение светодиода в процессе).

ответил Sam 11 TueEurope/Moscow2012-12-11T10:47:41+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowTue, 11 Dec 2012 10:47:41 +0400 2012, 10:47:41
3

Быстрое, первое приближение, правило большого пальца: напряжение - это электрическое давление.

Но расширяясь на этом: Напряжение не , как давление, а не точно. Вместо этого это математическая /физическая концепция, называемая «потенциалом». Напряжение больше похоже на высоту в гравитационном поле, где каждый электрон или протон подобен валуну. Высота не является давлением, весом или силой. Если валун находится на вершине холма, валун в месте с высоким потенциалом. Это означает, что валун хранит потенциальную энергию (PE) и высвобождает эту энергию в виде кинетической энергии (KE), если ей разрешено двигаться вниз (перемещаться в место с низким потенциалом). Поднимается до того же напряжения (высота) больших валунов будет иметь более высокий PE.

Более точное: напряжение электрическое Потенциал. Это не сила (это не похоже на силу или вес валуна, равно как и силу силы на электрический заряд в электрическом поле.) Также напряжение не является потенциальной энергией, так как если мы заберем валун, то гравитация, высота и потенциал все еще существуют. Потенциалы являются частью самого поля. Шаблоны напряжения могут висеть в пустом пространстве.

Напряжение - это способ описания /визуализации /измерения электрических полей.

Чтобы описать электронные поля, мы можем рисовать потоковые линии между противоположными электрическими зарядами. Или вместо этого мы можем нарисовать образец напряжения, изопотенциальные поверхности, вытягивая их перпендикулярно линиям потока. Где бы мы ни находили электрические линии, мы также найдем напряжение.

Что такое напряжение? Каковы типичные заблуждения? Вот большой: «Напряжение - это своего рода потенциальная энергия». Нет, неправильно. Вместо этого напряжение - это математическая концепция «Потенциалы», которые не являются энергией, и не могут «что-то сделать». Вот еще одна ошибка: «напряжение - это потенциальная энергия на единицу заряда». Нет, неправильно. Это просто определение физики вольт-единицы, связывающее ее с джоулева и кулоновскими единицами. На самом деле все идет иначе: количество энергии (количество работы, выполняемой при перемещении заряда через определенную разность напряжений) определяется путем умножения заряда путем изменения напряжения! Электрическая энергия определяется напряжением! Но само напряжение не требует никакого движущегося заряда и накопленной потенциальной энергии, поскольку напряжение - это способ описания поля в пустом пространстве. Контрольные заряды, используемые для описания напряжения, представляют собой воображаемые бесконечно малые заряды. Другое неправильное: «На поверхности появляется напряжение». Неправильно, напряжение фактически распространяется на пространство вокруг проводов. На полпути между 9-вольтными аккумуляторами вы найдете потенциал 4,5 В, висящий один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, так как для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или не более нескольких сотен гигагм. Нормальные вольтметры DMM 10Meg потребляют значительный ток, будут закрыты любые чистые электронные поля, поэтому их необходимо прикоснуться к поверхностям проводников для измерения напряжения.

Что такое напряжение? Это стек невидимых мембран, которые заполняют пространство между заряженными пластинами конденсатора. Напряжение представляет собой рисунок концентрических слоев лука, которые окружают любой заряженный объект, причем луковые слои движутся перпендикулярно поточным линиям электрического поля. Таким образом, «стопки слоев напряжения» является одним из способов описания электрического поля. Другим более знакомым способом является использование «силовых линий».

ответил wbeaty 13 ThuEurope/Moscow2012-12-13T08:56:34+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowThu, 13 Dec 2012 08:56:34 +0400 2012, 08:56:34
2

То, что подталкивает выборы, - это различие в потенциальной энергии, подобно тому, как вы подталкиваете /тянете на землю силой тяжести. Это создает благоприятную вероятность того, что электроны движутся один за другой, это также частично объясняет, почему электроны движутся «случайно» в проводе.

ответил Gunnish 11 TueEurope/Moscow2012-12-11T02:00:40+04:00Europe/Moscow12bEurope/MoscowTue, 11 Dec 2012 02:00:40 +0400 2012, 02:00:40

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132