Каков физический смысл электрического потенциала, разности потенциалов и напряжения?

Я попробую, хотя я не уверен, прояснит ли это проблему или затуманит ее.

электроны - люди,

ХОРОШО

текущее количество людей,

Нет, это не правильная аналогия. Ток — это поток людей (электронов), ток — это поток людей (электронов), а величина тока — это количество (кулонов) людей (электронов), проходящих через фиксированную точку на улице (проводник) в секунду.

сопротивление – это препятствия на пути.

ХОРОШО

Стоит помнить, что электроны отталкиваются друг от друга . Итак, чтобы улучшить эту аналогию, нам нужно, чтобы люди отталкивали друг друга.

Для простоты давайте заставим людей идти гуськом и предположим, что человек прикреплен к пружине, прикрепленной к человеку впереди, а также к пружине, прикрепленной к человеку сзади.

Таким образом, если все находятся на равном расстоянии друг от друга и движутся равномерно, то ни на одного человека нет чистой силы.

Однако при наличии сопротивления (барьеры, трение и т. д.) человек может замедлиться из-за удара о преграду, а затем ощутить силу пружины, которую сжимает стоящий сзади, и пружины, растянутой сидящим сзади. передний.

Нетрудно увидеть, экстраполируя это, что по мере того, как очередь людей движется по улице, пружины между людьми в начале улицы сжимаются больше , чем в конце улицы.

Это означает, что плотность людей там больше; люди ближе друг к другу в начале, чем в конце.

Таким образом, потенциальная энергия , запасенная в пружинах, больше в конце, где люди входят , чем в конце, где люди выходят . Это должно быть так, поскольку энергия теряется из-за препятствий и трения, когда люди движутся по улице.

Имейте в виду, что поток людей постоянный , даже несмотря на то, что плотность людей варьируется от большей в начале до меньшей в конце улицы.

Точно так же, когда через резистор протекает постоянный ток, плотность заряда на одном конце больше, чем на другом, даже если поток заряда через резистор постоянный.

Именно эта разница в плотности заряда приводит к возникновению напряжения (разности потенциалов) на резисторе.

Но что такое потенциал в этом примере?

В вашей аналогии с людьми на улице электрическим потенциалом будет магазин с распродажей на одном конце улицы, или, может быть, авария или что-то еще интересное. Люди склонны двигаться к интересной цели (с меньшим потенциалом) и прочь от другой, менее интересной цели (с более высоким потенциалом). Так же, как камень хочет упасть вниз, а не вверх, потому что точки вверх и вниз имеют разный потенциал .

Каков физический смысл разности потенциалов 2 В?

Единица измерения Вольт – Джоуль/Кулон ,$[\mathrm{V}]=[\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}]$. Помните, что$\mathrm{C}$является зарядом . Итак, мы говорим об энергии на один заряд. И более высокий потенциал имеет больше энергии на заряд.

Теперь вернемся к аналогии с людьми на улице. Если вдруг случается авария, то люди вдруг начинают к ней двигаться, потому что это очень интересно (менее потенциально). Может быть, они побегут, чтобы добраться туда быстро. Чем ближе они подходят, тем медленнее они будут двигаться, так как они скоро там, и они уже могут видеть все больше и больше.

Если вы полицейский, охранник магазина или кто-то еще, кто сдерживает людей, то чем дальше они от интересного места, тем больше им хочется двигаться — тем больше они толкаются или больше бегут. И здесь их очень трудно сдержать.

Если намного приблизиться к интересной точке на улице, то люди уже видят происходящее и меньше толкаются.

Как на рок-концерте, если динамики плохие, люди, находящиеся дальше, будут толкать толпу, чтобы приблизиться. По мере приближения они слышат музыку все лучше и лучше и постепенно перестают тужиться.

Как будто их энергия, с которой они пытаются двигаться, становится все меньше и меньше по мере их приближения. Энергия на человека (имеется в виду энергия на заряд ) уменьшается по мере того, как они достигают более низкого потенциала.

Имеет ли это смысл?

А что меняется в потоке электронов при потенциале 1 или 2 В?

$1$или$2 \mathrm{V}$это просто мера того, насколько велик потенциал в какой-то момент на улице. Если обычная ситуация (улица во всех точках до аварии)$0 \mathrm{V}$, тогда, когда авария произойдет внезапно, у вас будет разность потенциалов, которая начнет тянуть людей в этом направлении.

Если две аварии происходят одновременно в разных местах улицы, то, возможно, одна из них связана с падением байкера ($1 \mathrm{V}$), а в другом случае взрывается большой грузовик с баком с жидким азотом, загорается машина и кричат ​​люди ($2 \mathrm{V}$, дело в том, что это интереснее).

Они не одинаково интересны, поэтому разница в потенциале$2 \mathrm{V}-1\mathrm{V}=1\mathrm{V}$идет к более интересному происходящему. Если бы не случилась авария с более низким потенциалом, то поток людей был бы более интенсивным и быстрым, но так как произошли два события, люди не уверены, куда они хотят идти. Однако они видят, что более крупная авария более интересна.

Если два баллона с жидким азотом взорвутся одновременно в разных местах (имеется в виду две точки с одинаковым потенциалом), то какой-нибудь бедолага, оказавшийся прямо посередине, так запутается, что не знает, куда идти! Так что он просто стоит там и меняет свое мнение снова и снова, и никогда никуда не двигается!

Эта аналогия представляется обществом нерешительных людей...

Поскольку ваш вопрос носит иллюстративный характер, я постараюсь придерживаться этого и избегать более глубоких математических/физических объяснений.

электроны это люди

хорошо с этим

текущее количество людей

нет, это ошибка. На самом деле в данном случае это количество людей, пересекающих линию на улице за раз. Как Стивен уже упоминал в комментарии, 2 ампера (для простоты предположим, что 1 А — это 1 парень) означает, что на 2 парня больше пересекают линию слева направо, чем по пути. Сколько людей пересекают линию на улице в направлении, не представленном 2 Амперами.

сопротивление – это препятствия на пути.

Я в порядке с этим.

Но что такое потенциал в этом примере?

Я бы скорее сравнил его с более ясным потенциалом: холмистой местностью. Электрический потенциал подобен потенциалу в гравитации. Итак, в этом примере с людьми электрический потенциал — это дорога, ведущая вниз. Для людей (электронов), идущих под гору, никакой энергии не нужно, они даже теряют потенциальную энергию. Люди, остающиеся на одном уровне на улице, ничего не приобретают и ничего не теряют. Людям, идущим в гору, нужна энергия, чтобы получить потенциальную энергию (для электронов это может быть магнитное поле, ускоряющее электроны). Принимая это объяснение электрического потенциала, на ваш следующий вопрос легко ответить.

Каков физический смысл разности потенциалов 2 В?

Это просто уклон холмистой дороги. Если он крутой, у вас высокое напряжение, а если оно плоское, у вас просто небольшое напряжение.

А что меняется в потоке электронов при потенциале 1 или 2 В?

Помните мое объяснение тока? Повышение напряжения с 1 В до 2 В (сделав дорогу более крутой) влияет на электроны так, что больше электронов за раз пересекают линию слева направо, чем раньше. Вы можете себе представить этот эффект, например, дорога становится настолько крутой, что люди начинают скатываться вниз (не все, а все больше и больше), хотят они того или нет.

Я надеюсь, что это объяснение без уравнения соответствует вашим потребностям.

Изменить: Робу Джеффрису, я не могу написать комментарий, потому что у меня нет репутации 50, поэтому я вынужден ответить таким образом. Я не согласен с вами, что аналогия падает из-за ровной улицы.

Электроны в проводнике тоже могут двигаться без приложения электрического поля. Пока нет предпочтительной ориентации (а люди в мире с пустой ровной дорогой не имеют предпочтительной ориентации), нет течения, по крайней мере, глобального течения. Он не просто не разваливается, он даже отлично вписывается в аналогию. Представьте себе, что дорога сначала идет под гору, затем становится идеально ровной, а затем снова идет под гору. Люди набирают скорость на первом отрезке спуска, и в идеальном мире только с одной дорогой, где нет потерь (трение или что-то в этом роде), они сохраняют импульс и скорость на ровном отрезке. Они продолжают идти и идут быстрее, когда снова достигают спуска. И здесь у вас есть объяснение дрейфа электронов в полупроводниковых структурах, основанное на электронах.

По моему мнению, электростатический потенциал в любой точке электрического поля можно рассматривать как

Предположим, что положительный заряд создает электрическое поле

В этом поле, если присутствует положительный или отрицательный тестовый заряд

Предположим, что пробный заряд положительный.

Тогда этот положительный пробный заряд будет стремиться удалиться от заряда Источника за счет силы отталкивания.

А если не шевелится. Определенно у него должно быть достаточно энергии, чтобы противостоять этой силе отталкивания, иначе он бы отошел.

Таким образом, электрический потенциал в любой точке электрического поля можно определить как энергию, которой должен обладать единичный заряд, чтобы удерживать свое положение, противодействуя действующей на него силе Е.