Почему резистор вызывает падение потенциала?

Электрический потенциал — это потенциальная энергия , такая же, как потенциальная энергия гравитации или любая другая форма потенциальной энергии. В частности, перемещение одного кулона заряда через электрический потенциал в один вольт производит (или требует) 1 джоуль энергии. Судя по вашему вопросу, я предполагаю, что вы в основном довольны этим, поэтому вопрос на самом деле заключается в том, как эта энергия рассеивается, то есть что происходит с этим 1 джоулем энергии?

Когда вы прикладываете напряжение к проводнику, вы создаете силу на электронах проводимости, поэтому они ускоряются — потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию электронов. Однако проводники состоят из кристаллической решетки атомов/молекул, которая беспорядочно колеблется из-за тепловой энергии, и существует вероятность того, что движущиеся электроны будут рассеиваться от этой решетки и передавать ей энергию. Таким образом, электрон замедляется, а величина колебаний решетки увеличивается. Повышенные колебания решетки означают, что проводник горячее, поэтому кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию в проводнике.

И вот что происходит с 1 джоулем энергии. Он передается проводнику и превращается в тепло.

Некоторые связанные вопросы, которые вы, возможно, захотите изучить подробнее: когда вы охлаждаете проводник, вы уменьшаете величину колебаний решетки и снижаете вероятность того, что электрон рассеется от решетки. Вот почему сопротивление (обычно) уменьшается с понижением температуры. Сверхпроводящий переход предотвращает рассеяние электронов на решетке , поэтому они не могут передавать ей энергию, и поэтому сверхпроводники имеют нулевое сопротивление.

В резисторах сопротивление, ток и напряжение (или падение напряжения) связаны законом Ома:

Во-первых, полезно понять, почему два закона Ома эквивалентны. Рассмотрим провод сечением$A$и длина$L$. Умножьте микроскопический закон на$A$. Продукт$A\vec J$объединяется с общим током$I$(это плотность тока на единицу площади), поэтому получаем

Теперь давайте попробуем понять, почему микроскопическая форма закона верна.

Нелинейные термины, такие как$\Delta \vec J = \beta |\vec E|^2 \vec E$могут появляться и действительно появляются, но дело в том, что для очень малого$\vec E$, они являются второстепенными, и старший член не отменяется для резисторов.

Поэтому, если вы пытаетесь объяснить, почему выполняется закон Ома, лучше представить, что падение напряжения является причиной , а ток - следствием , а не наоборот, как вы пытались.

В сверхпроводниках нет столкновений, поэтому электроны не замедлялись бы, если бы к ним было приложено электрическое поле. Следовательно, падение напряжения внесло бы огромные изменения, которые полностью устранили бы падение напряжения в конце, и, следовательно,$V=0$. Во всяком случае, пока речь идет о законе Ома, вы можете рассматривать сверхпроводники как простой (и строгий)$R\to 0$или$R=0$лимит резисторов.

Извинения,$U=V$выше. Я не был последователен в обозначениях.

Ответ во многом зависит от того, насколько подробно вы хотите остановиться. Сверхпроводимость — довольно сложное явление, поэтому я надеюсь, что уже могу помочь вам, объяснив, почему резистор вызывает падение потенциала.

Ток можно представить себе как электроны, движущиеся по проводнику. Во время этого движения они ускоряются за счет электрического поля. При этом они «натыкаются на вещи», т. е. разбрасываются. Это заставляет их замедляться и приводит к сопротивлению. Это можно представить себе как прокачку жидкости через ткань или что-то подобное. Следовательно, с одной стороны больше электронов, чем с другой, что приводит к падению потенциала.

Это, конечно, очень грубое объяснение, и, если вдаваться в подробности, можно обнаружить, что здесь задействовано много физики.

Я любитель и некоторое время пытался ответить на этот вопрос, и вот что я нашел. Прежде всего, ЭДС или электрический потенциал создается батареей (постоянного тока) или генератором переменного тока (переменного тока) путем разделения зарядов. Т.е. принудительно перемещают -ve заряды/электроны к одному концу, называемому -ve терминалом, а другой конец становится +ve из-за истощения электронов. Поскольку -ve заряды естественным образом отталкивают друг друга, и они удерживаются вместе силой против своей воли, их потенциал возрастает, что теперь можно использовать для пропускания тока по цепи, где на одном конце находятся эти -ve заряды, а на другом - атомы. из +ve зарядов, готовых принять -ve зарядов. Эта мера этого принудительного электрического потенциала / давления выполняется в вольтах и ​​называется напряжением. Чем выше напряжение, тем плотнее электроны упакованы на клемме -ve, и для этого была проделана большая работа (энергетической компанией). Один электрон из источника с более высоким напряжением (скажем, 220 В) имеет большую энергию и, возможно, большую скорость, чем электрон из источника с более низким напряжением (скажем, 110 В). Вот почему мощность равна V (напряжение) x I (ток), а не только I, потому что электроны с более высокой энергией / напряжением могут выполнять больше работы, и в конечном итоге вы платите за это больше денег.

Теперь, что касается падения напряжения, электроны всегда перемещаются от более высокого потенциала или клеммы -ve к более низкому потенциалу или клемме +ve, предполагая поток электронов, а не обычный поток. Возьмите простую схему с одним резистором. Один конец R подключен к отрицательной клемме, а другой к положительной клемме медными проводами. Включите цепь. Падение напряжения происходит ТОЛЬКО когда начинает течь ток. Падение заметно от конца конца R до положительного полюса +ve. Вот почему: медный провод от минусовой клеммы до R наполнен электронами и поэтому имеет тот же потенциал, что и минусовая клемма. Но поскольку резистор ограничивает ток, только некоторым электронам разрешается переходить на другую сторону. С другой стороны, то есть от конца R к клемме + ve, за исключением небольшого тока, который может протекать, в основном есть + ve атомы / заряды, что означает, что электрон, который достигает + ve стороны R, не испытывает такого большого давления со стороны соседних электронов, как на - ve стороне. Вот почему падает напряжение.

Что означает, что резистор вызывает «падение потенциала»? Это означает, что потенциал электрона после прохождения через резистор ниже, чем потенциал электрона до того, как он прошел через резистор. Почему это так?

Во-первых, давайте рассмотрим, что означает электрический потенциал. Электрический потенциал электрона определяется как энергия, которая потребовалась бы для того, чтобы привести этот электрон в его нынешнее положение с расстояния бесконечности. Это означает, что электрон имеет более высокий электрический потенциал, когда он находится близко к большому количеству других электронов (потребуется больше энергии, чтобы преодолеть силы отталкивания всех этих электронов, чтобы привести к ним наш электрон).

Теперь, помните, мы пытаемся объяснить, почему электроны, еще не вошедшие в резистор, имеют более высокий потенциал, чем электроны, вышедшие из него. Оказывается, причина в том, что электроны концентрируются больше на той стороне резистора, с которой они входят, и меньше концентрируются на той стороне резистора, с которой они выходят. Давайте посмотрим, почему это происходит.

Возьмем простую цепь, состоящую из батареи, провода и резистора. Теперь мы знаем, что резистор сделан из материала с меньшей проводимостью, чем провод, поэтому электроны не могут двигаться в резисторе так же быстро, как в проводе.

На приведенной выше диаграмме белые кружки представляют электроны в проводе в их начальном состоянии (до подключения батареи). Красные кружки представляют электроны через мгновение после того, как батарея подключена к проводу.

Когда электрон, ближайший к отрицательному концу батареи, движется, он заставляет двигаться и следующий электрон (из-за сил отталкивания между электронами). Это создает каскадный эффект.

Однако электрон A на приведенной выше диаграмме не может двигаться так же (в том же временном интервале), как и все электроны позади него. В результате электрон А окажется ближе ко всем электронам позади него, чем был раньше. Следовательно, он сильнее отталкивает эти электроны. Это немного нейтрализует силу отталкивания этих электронов из-за отрицательного конца батареи, заставляя их замедляться.

Теперь, поскольку сила отталкивания, которую электрон оказывает на другой электрон, уменьшается с расстоянием, ясно, что те электроны, которые находятся ближе всего к электрону А, будут замедляться больше всего, а те, которые дальше всего, будут замедляться меньше всего. Поскольку электроны, которые находятся впереди (имеются в виду электрон А и те, которые немного позади него), движутся медленнее всего, электроны начнут немного группироваться возле входа в резистор.

Давайте посмотрим, что происходит на другой стороне резистора.

На другой стороне резистора электрон B не может двигаться так сильно, как электроны перед ним. Следовательно, электрон B окажется дальше от этих электронов, чем раньше, поэтому его сила отталкивания на эти электроны уменьшится. Поэтому и эти электроны замедляются, так как сила, с которой их отталкивает В, теперь меньше.

Однако увеличение расстояния от B до электронов перед ним вызовет большее уменьшение силы отталкивания для электронов, которые находятся дальше от B. (Это можно показать с помощью базовой математики). Следовательно, электроны, которые находятся ближе всего к электрону B будет НАИМЕНЕЕ тормозить. Следовательно, электроны не будут скапливаться так сильно на стороне выхода резистора, как на стороне входа.

Поскольку электроны более сконцентрированы на «входной стороне» резистора, электрон будет иметь более высокий потенциал при входе в резистор и нахождении среди всех этих близко расположенных электронов, чем при выходе из резистора.

Я надеюсь, что это имело смысл!

Это не глупый вопрос. Потенциал означает энергию на единицу заряда в точке поля. Когда единичный заряд проходит через электронное поле, энергия либо теряется, либо приобретается в виде потенциальной энергии. Разность потенциалов — это разница в PE между любыми двумя точками поля. В цепи, когда вставлена ​​ячейка, образуется электрическое поле, и именно благодаря этому полю текут заряды (ток). Когда заряд течет в направлении, противоположном направлению поля внутри клетки, энергия запасается в виде PE в заряде. Пройдя через ячейку, он снова движется в направлении электрического поля, теряя при этом накопленную энергию, независимо от того, какой путь он выбрал. Когда он проходит через резистор, рассеиваемая энергия (поскольку она движется в направлении поля) становится тепловой энергией. Можно также сказать, что для преодоления помех (сопротивления) заряды использовали свою запасенную энергию. Следовательно, после выхода из резистора они имеют меньше энергии. Таким образом, потенциал падает. Надеюсь это поможет.

Я думаю, это потому, что скопление электронов на (-) стороне резистора (черт возьми) с большей готовностью заполняет зарядовые дыры, уменьшая потенциал на этой стороне, что означает, что область, где отрицательная сторона подключена к резистору, меньше ( +). Помните, что напряжение генерируется с положительного конца.