Как я должен думать о напряжении и мощности?

Я был очень смущен тем, как именно думать о напряжении (и мощности), когда дело доходит до анализа схемы. В физике напряжение просто описывается как энергия, необходимая для перемещения единичного заряда на определенное расстояние в электрическом поле, но, похоже, это происходит в свободном пространстве, и мой учитель физики на самом деле не применял его к электрической цепи. Для цепи он описал это как разницу в электрической потенциальной энергии на единицу заряда между двумя точками, которая «толкает» заряды. Я немного смущен тем, почему увеличение разницы в потенциальной энергии на единицу заряда приводит к увеличению тока. Если я выливаю бутылку с водой в раковину, перемещение бутылки с водой вверх и вниз по мере того, как я ее выливаю, не заставит воду вытекать из бутылки быстрее или медленнее, хотя технически я изменяю ее гравитационный потенциал. .

Меня тоже смущает, когда мы говорим о власти. Мощность описывается как п "=" В я , но если у нас есть цепь с тремя резисторами, и, не изменяя напряжения источника, иметь 1 резистор с эквивалентным сопротивлением, он, очевидно, рассеивает больше мощности в виде тепла, несмотря на постоянный ток через цепь. Но почему? Почему потенциальная энергия заряда между двумя точками превращается в тепловую энергию? Я думал, что если бы напряжение было толчком, потенциальная энергия просто преобразовалась бы в кинетическую энергию в электронах, так откуда взялась тепловая энергия?

Итак, как лучше всего осмыслить то, что здесь происходит? Я могу анализировать схему и выполнять KVL, KCL, закон Ома и все такое, но я хочу на самом деле знать, что я делаю, когда делаю это, так что может ли кто-нибудь дать мне хороший способ думать обо всем?

Вы установили константу тока, но напряжение изменилось
Добро пожаловать в физику.SE! Я бы предложил отредактировать ваш вопрос, чтобы избавиться от диаграмм. Я не думаю, что они что-то добавляют, и из-за того, что они такие большие, они мешают читабельности.
Вы спрашиваете, как вы должны представлять или визуализировать такие вещи, как напряжение и ток. Но физики, даже великие, кажется, представляют себе эти вещи иначе. Все, что мы можем сделать, это предложить некоторые возможности; вы должны выработать свой собственный внутренний язык. Во-первых, я предлагаю вам представить напряжение как разницу в давлении воды , поскольку гравитация обладает некоторыми необычными свойствами, которые плохо переносятся в мир электричества.
@BenCrowell Я изменил размер изображений. Тем не менее, я хочу оставить их в вопросе, но я согласен, что они были слишком большими.

Ответы (4)

Я восхищаюсь вашей решимостью понять и вашей линией вопросов. Я постараюсь решить один или два из ваших вопросов.

Прежде всего разность потенциалов в свободном пространстве в электрическом поле. Я предпочитаю определять pd между двумя точками, P и Q, как работу, совершаемую электрическим полем над зарядом на единицу заряда при переходе от P к Q. Таким образом, большее pd между точками означает, что больше работы совершается над зарядом. заряд по мере перехода от P к Q, что может означать только большую напряженность электрического поля, то есть большую силу, действующую на заряд. [Работа = сила x расстояние в направлении действия силы, и мы рассматриваем фиксированное расстояние между P и Q.]

Таким образом, если вы поместите pd между концами провода, свободные электроны в проводе будут испытывать силы, заставляющие их двигаться по проводу. Из-за столкновений между электронами и решеткой ионов (это упрощенно) электроны не ускоряются непрерывно под действием силы электрического поля, а достигают постоянной средней скорости (называемой дрейфовой скоростью ) . Если вы увеличиваете pd, вы увеличиваете силу, действующую на каждый электрон, и скорость дрейфа увеличивается. Это означает, что через любое поперечное сечение провода в секунду проходит больше электронов, то есть увеличивается ток .

Переходя к концу вашего вопроса: «Почему ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ энергия на заряд между двумя точками преобразуется в ТЕПЛОВУЮ энергию? Я думал, что если бы напряжение было толчком, потенциальная энергия просто преобразовывалась бы в кинетическую энергию в электронах, так где же откуда исходит тепловая энергия?»

(1) Напряжение не является толчком; его единицы - джоули на кулон! Но, как я пытался объяснить выше, это связано с толчком (то есть с силой), который заряды получают в электрическом поле.

(2) Тепловая энергия возникает в результате столкновений электронов, движимых электрическим полем и теряющих электрическую потенциальную энергию, с решеткой ионов. Это увеличивает энергию случайных колебаний ионов. [Дополнительная кинетическая энергия, которую электроны приобретают из-за приложенного напряжения, весьма незначительна. При токе в несколько ампер в обычном проводе скорость дрейфа составляет порядка миллиметра в секунду.]

Так, например, если бы я сделал эквивалентную схему с тремя резисторами вместо одного резистора, даже если бы ток остался прежним, у меня теперь была бы большая работа за заряд на этом одном резисторе? С тремя резисторами работа, проделанная за заряд, была «разделена» между ними, но теперь она происходит одновременно через один резистор, поэтому заряды испытывают большую силу, а это означает, что они могут достигать большей скорости при столкновении. ионы, увеличивая тепловую энергию резистора. Будет ли это правильным анализом, чтобы объяснить, почему мощность и тепло увеличиваются?
(1) Суммарное значение pd на трех последовательно соединенных резисторах такое же, как и на одном резисторе 130 Ом. Pd, обеспечиваемый батареей, (примерно) постоянен. Значит ток тот же, а полная мощность ( п "=" я В ) та же. (2) «С тремя резисторами работа, выполняемая за заряд, была «разделена» между ними, но теперь она происходит одновременно через один резистор, поэтому заряды испытывают большую силу». Нет, что вы не принимаете во внимание, так это разные номиналы резисторов. Более высокие сопротивления подобны более длинным проводам, поэтому 3 резистора подобны проводу той же длины, что и раньше.

На самом деле электрический потенциал вообще не толкает заряды. Сила, действующая на электрон, обусловлена ​​градиентом электрического потенциала: величиной изменения потенциала на единицу расстояния. В однородном электрическом поле потенциал изменяется равномерно вдоль направления вектора электрического поля. Например, внутри заряженного полого металлического шара электрический потенциал может быть очень высоким, но электрон вообще не будет ощущать никакой силы, потому что внутри шара электрический потенциал будет одинаковым.

Ваша аналогия с бутылкой воды интересна и довольно проницательна, но ее не очень легко соотнести с электрическим потенциалом и током. Скорость, с которой вода выходит из бутылки, зависит от размера отверстия, свойств воды, силы гравитации и расстояния от горлышка бутылки до верха воды в бутылке. Только градиент гравитационного потенциала между верхней частью воды и горлышком бутылки может «протолкнуть» воду через горлышко бутылки. Если вы наполняете бутылку и открываете ее горлышко, поднимая ее на разную высоту, вы не меняете градиент гравитационного потенциала. С другой стороны, если вы поднимете бутылку вверх, пока вода вытекает, вы обнаружите, что вода покидает бутылку быстрее — поскольку ускорение и сила тяжести действуют на воду точно так же, эффективная разность гравитационного потенциала между верхней частью воды и горлышком бутылки увеличивается. Пусть бутылка упадет так, чтобы она не испытывала силы тяжести, и вода вообще не выливалась.

Лучшей аналогией будет вертикальная труба, заполненная гравием, с резервуаром для воды наверху. Вода будет просачиваться сквозь песок со скоростью, определяемой градиентом давления. Если труба вертикальная, то перепад давления сверху вниз будет максимальным, и вода будет просачиваться с максимальной скоростью. Наклоните трубу на 45 градусов в одну сторону, и перепад давления уменьшится, поскольку эффективная высота трубы уменьшится. Градиент давления напрямую связан с градиентом гравитационного потенциала. То есть гравитационная разность потенциалов между верхом и низом трубы уменьшается. Но воду толкает не разность потенциалов, а градиент потенциала. Увеличение разности потенциалов и изменения градиента потенциала в трубе; но это'

если у нас есть цепь с тремя резисторами, и, не изменяя напряжения источника, иметь 1 резистор с эквивалентным сопротивлением, она, очевидно, рассеивает больше мощности в виде тепла.

Больше мощности, чем что? Он рассеивает ту же мощность, что и три меньших резистора вместе взятых.

Поскольку сопротивление одинаковое, ток одинаков. Если ток и напряжение одинаковы, то и рассеиваемая мощность одинакова. Это просто сделано в одном резисторе вместо трех.

Я имел в виду, что ток остается прежним, но просто из-за большего падения напряжения на резисторе увеличивается рассеиваемая мощность на этом резисторе.
Думайте об эквивалентном резисторе как о трех меньших резисторах, склеенных вместе. Каждая треть большего резистора рассеивает ту же мощность, что и меньший резистор. Единственная разница в том, что теперь он упакован в один пакет.

Я знаю, что это очень старо, но я хотел бы ответить на аналогию с бутылкой воды.

Причина, по которой вода не течет быстрее или медленнее, когда вы двигаете бутылку вверх и вниз, заключается в размере Земли и в том, насколько близко мы к ней находимся. Уравнение гравитационной силы Ф г "=" г . м 1 . м 2 р 2 . Из этого уравнения видно, что сила на самом деле будет меняться в зависимости от расстояния. Но, поскольку радиус r берется из центра Земли, который настолько огромен по сравнению с вашим расстоянием от поверхности, сила изменяется настолько незначительно, что мы даже не замечаем этого. Из-за этого для ситуаций на Земле мы можем просто использовать радиус Земли для r, не принимая во внимание, как далеко над поверхностью находится объект. Это означает, что мы можем смешать G, м 1 (Земля) и р 2 в одну константу, которая оказывается приблизительно равной 9,81 м с − 2 . Вот почему это значение известно как ускорение силы тяжести на Земле. Технически это зависит от роста, но настолько мало, что не имеет заметного значения. То же самое нельзя сказать о напряжении в большинстве ситуаций.

Как я должен думать о напряжении и мощности?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v