По какой-то причине я чувствую, что концепция напряжения ускользает от моего понимания. Я провел много исследований на этих форумах и в текстах и наткнулся на ответы, которые кажутся довольно хорошо продуманными, но все еще не могут понять фундаментальную концепцию того, что такое напряжение.
Я мог бы объяснить (перефразировать) определение напряжения многими способами и включить его в уравнения, но когда дело доходит до проверки моего фундаментального понимания его как естественного понятия, я терплю неудачу.
Я объясню, что я знаю, и что я не знаю, и у меня есть несколько теоретических вопросов, которые, я надеюсь, помогут мне лучше понять.
Вот что, я думаю, я знаю: 1. Напряжение – это электрическая потенциальная энергия. Это представляет собой дисбаланс распределения заряда.
Это означает, что при достаточном проводнике электроны будут совершать работу, переходя в состояние равновесия, чтобы исправить этот дисбаланс.
Напряжение необходимо измерять между двумя точками, потому что оно может существовать только в связи с дисбалансом между одной точкой и другой.
Меры напряжения определяют работу, которую можно совершить в результате дисбаланса?
Количество напряжения в батарее не изменится, если вы увеличите размер батареи. Это изменится, только если вы увеличите среднюю плотность отрицательного заряда в отрицательной клемме?
Вот чего я не знаю или о чем у меня есть вопросы: 1. Итак, увеличение напряжения увеличивает ток, потому что более высокое напряжение означает большее неравновесие со стороны источника, что означает большее «давление» на движение электронов? Учитывая фиксированный диаметр провода, означает ли это, что более высокое напряжение заставит электроны двигаться быстрее?
Почему сопротивления последовательно складываются? Я не понимаю. Я представляю резистор узким местом, поскольку вся цепь ограничена сопротивлением самого устойчивого компонента. Но это явно неправильно. Правильнее ли представить, что каждый раз, когда электроны проходят через резистор, они должны совершать больше работы и терять часть своей способности выполнять работу в будущем, и чем больше резисторов они проходят, тем меньше их энергия?
Если ток/поток электронов начинает течь и проходит через провод с сопротивлением 1 Ом и проходит через резистор 5 Ом, а затем возвращается к проводу с сопротивлением 1 Ом, поскольку сопротивление уменьшается, будет ли он снова ускоряться при выходе из Резистор 5 Ом? Если это так, я предполагаю, что его новая скорость (относительно его начальной скорости при входе в цепь) будет пропорциональна доле оставшегося напряжения после падения общего напряжения до этой точки?
Когда батарея умирает, я предполагаю, что ее напряжение не равно 0. Разве у разряженной батареи больше нет минимального напряжения, необходимого для питания схемы достаточной мощностью для питания устройства? В таком случае означает ли это, что разряженные батареи все еще могут питать цепь с меньшим сопротивлением или меньшей потребляемой мощностью?
Меня смущает эта цитата из Википедии: «В последовательной цепи ток через каждый из компонентов одинаков, а напряжение в цепи представляет собой сумму напряжений на каждом компоненте». Что означает, что компоненты «имеют напряжение». Я предполагаю, что это означает падение напряжения до компонента по сравнению с после, верно? Но почему говорят, что компонент «имеет» напряжение? Пытается ли он выразить количество работы, выполненной (т.е. излучаемой теплоты) этим компонентом?
Последнее, еще одна запись в вики: «В параллельной цепи напряжение на каждом из компонентов одинаковое». Это смутило меня, но я думаю, что я только что понял это. Если ток течет по нескольким путям, он будет идти по пути наименьшего сопротивления к месту назначения, поэтому, если параллельная цепь имеет параллельно резистор 1 Ом и резистор 5 Ом, оба будут иметь одинаковое падение напряжения, но ток протекающий через резистор 5 Ом будет 1/5 значения 1 Ом?
Спасибо, что нашли время, чтобы прочитать мой пост. Я надеюсь, что я не понял все ужасно неправильно.
Напряжение равно высоте. Он играет ту же роль для электрического заряда, что и высота*сила тяжести для мяча на холме. Таким образом, высокое напряжение означает высокую потенциальную энергию точно так же, как мяч, находящийся высоко на холме, означает высокую потенциальную энергию.
Напряжение — это не потенциальная энергия, точно так же, как высота — это не энергия. Однако, если у вас есть определенная сумма заряда , вы можете умножить его на напряжение, чтобы получить потенциальную энергию, которую его . Это похоже на то, как вы можете умножить высоту на массу * силу тяжести, чтобы получить для потенциальной энергии мяча на холме. Таким образом, напряжение — это потенциальная энергия на единицу заряда точно так же, как высота * гравитация — это потенциальная энергия на единицу массы.
Напряжение должно измеряться между двумя точками по той же причине, что и высота. Когда кто-то говорит, что «здесь высота 1000 футов», они на самом деле сравнивают ее с точкой на уровне моря. В электронике «уровень моря» часто заменяют «землей». Поэтому, если кто-то говорит, что «этот забор электрифицирован на 10 000 вольт», они имеют в виду, что между забором и землей есть разница в 10 000 вольт, так же как они имеют в виду, что между текущей высотой и океаном есть перепад в 1000 футов. Однако вы можете использовать любые две точки для измерения разницы высот. Если вы уронили мяч, имеет смысл говорить о высоте над полом комнаты, в которой вы находитесь, а не об уровне моря. Точно так же, если вы хотите посмотреть на один резистор,
Работа, совершаемая над зарядом при его перемещении из точки в точку, равна количеству заряда, умноженному на разность потенциалов. Это точно так же, как работа, выполняемая мячом, когда он скользит вниз по склону, равна массе мяча, умноженной на высоту холма, умноженную на силу тяжести.
Одна ячейка батареи может выдавать только пару вольт. Вот насколько меняется потенциал для одного электрона в химической реакции в клетке. Это немного похоже на то, как насос, работающий за счет всасывания, может поднять воду только на 30 футов в воздух, поскольку это потенциальная энергия плавучести всей атмосферы. Вы можете сложить несколько батарей друг на друга, чтобы получить более высокое общее падение напряжения (как это делается в батареях на 9 В или 12 В) так же, как вы можете использовать несколько насосов для всасывания воды выше 30 футов.
Если вы увеличиваете напряжение на элементе схемы, в целом поведение может быть довольно сложным. Это все равно, что сказать, что если вы наклоните пандус под более крутым углом, вы измените способ скольжения объектов по пандусу. Мы обнаруживаем, что во многих материалах поведение простое: ток = напряжение/сопротивление. Таким образом, если вы удвоите напряжение, вы удвоите ток. Это называется законом Ома. Точное описание того, почему это так, вероятно, слишком сложно для настоящего момента. Для интуиции у вас все получится, если вы начнете думать об электрическом токе как о воде, текущей по трубе. Тогда закон Ома гласит, что если вы усиливаете поток, направляя воду вниз по склону, то если вы сделаете нисходящий поток в два раза более крутым, вода будет течь в два раза быстрее. Да, вы можете думать об этом как о том, что электроны движутся быстрее.
Добавление резисторов последовательно похоже на добавление нескольких труб. Если вы попытаетесь протолкнуть воду через большее количество труб, это станет сложнее. Если вы спускаете воду с холма по ряду труб, то чем больше у вас труб, тем меньше каждая труба может быть направлена вниз по склону. Это означает, что добавление большего количества труб заставляет воду течь медленнее везде. Точно так же добавление большего количества резисторов последовательно снижает ток повсюду.
Величина, которую вы на самом деле измеряете, когда дело доходит до тока, - это общий поток - количество проходящих электронов в секунду. Если у вас есть серия резисторов на 1 Ом, 5 Ом, 1 Ом, все они будут иметь одинаковый ток, протекающий через них. Это потому, что если бы они этого не сделали, ток где-то начал бы накапливаться, и это изменило бы течение. (Это на самом деле происходит, просто очень быстро, потому что провода имеют очень низкую емкость.) То, что все они получают одинаковый ток, это то, что они имеют разные напряжения. Большая часть падения напряжения для всей цепи приходится на резистор 5 Ом. Это похоже на установку труб таким образом, чтобы тонкая труба спускалась по крутому склону холма, а две толстые трубы спускались по пологой части холма. Общее количество воды, проходящей через каждую трубу в секунду, будет одинаковым. В этом случае, вода будет двигаться быстрее через тонкую трубу (часть с высоким сопротивлением). Это просто потому, что общий поток одинаков, поэтому, если площадь поперечного сечения меньше, скорость выше для компенсации. Такая картина примерно работает и с электронами. Она называется моделью Друде. Это легче всего визуализировать, но это не соответствует квантовой картине современной физики.
Аккумуляторы умирают медленно, да. Вот почему фонари, например, становятся все тусклее и тусклее, прежде чем совсем погаснуть.
Сказать, что компонент схемы имеет напряжение, просто сказать, что на этом элементе есть определенное падение напряжения. Это все равно, что сказать, что каждая труба в ряду труб, спускающихся с холма, имеет определенную разницу высот, и что разница высот всей системы труб есть сумма всех разностей высот отдельных труб.
Если два резистора соединены параллельно, падение напряжения на них будет одинаковым. Это все равно, что сказать, что две трубы, расположенные рядом, имеют одинаковую разницу в высоте. Через провод с сопротивлением 1 Ом ток будет в пять раз больше, чем через провод с сопротивлением 5 Ом.
Несколько предварительных идей, которые могут помочь:
На самом деле не имеет значения, какова скорость электронов - ток 1 Кл/с (= 1 А) просто означает, что кулон заряда (равный электронов) каждую секунду проходит каждую точку цепи. Возможно, один электрон движется так быстро, что кругов цепи в секунду, или, возможно, есть электроны движутся достаточно быстро, чтобы совершать один круг в секунду. Возможно, это какая-то другая комбинация. Это действительно никак не повлияет на крупномасштабное поведение, поэтому мы не беспокоимся об этом.
«Напряжение» электрического компонента представляет собой разность потенциалов на нем, т. е. энергетическую плату, которую должна заплатить каждая единица заряда (выраженная, например, в колумбах или электронах), чтобы пройти через нее. На самом деле это имеет смысл, только когда речь идет о конкретной цепи: резистор А может иметь напряжение 5 В в цепи 1 и 300 В в цепи 2. На самом деле это верно и для батарей! Мы говорим о батареях AA как о «1,5 В», но напряжение, которое фактически генерирует батарея, будет падать по мере увеличения потребляемого от нее тока. Этот эффект обычно игнорируется в основных курсах схем (и когда говорят, что батареи «имеют» напряжение xyz), потому что (а) он не имеет значения, если вы не потребляете большой ток, и (б) это упрощает вещи.
«Ток через» электрический компонент представляет скорость, с которой заряд проходит через компонент. Опять же, один и тот же компонент (в общем) будет иметь разные токи через него в разных цепях.
Чтобы ответить на ваши вопросы:
1.. (кажется, у вас две единицы) Как сказано выше, скорость отдельных электронов не имеет значения. Скорость, с которой движется заряд, увеличивается — либо потому, что движется больше электронов, либо потому, что они движутся быстрее (нас это не волнует).
Ваше объяснение верно.
Вы описываете три компонента, соединенных последовательно. В этом случае ток через каждый компонент должен быть одинаковым - в противном случае какой-либо компонент будет иметь больше входного заряда, чем выходного, и, таким образом, будет накапливаться статический заряд. В цепях этого не происходит — если бы это произошло на короткое время, одинаковые заряды немедленно оттолкнулись бы друг от друга, и система отреагировала бы увеличением тока от этого компонента. Также, как всегда, думайте о токе (заряд/время), а не о скорости (расстоянии/времени).
Обычный старый резистор будет продолжать потреблять ток, пока напряжение не достигнет нуля. Электроника ведет себя по-разному и может перестать работать ниже определенного напряжения. Я недостаточно разбираюсь в электронике, чтобы подробно объяснить, что происходит.
См. объяснение «напряжения на стыке» выше. Мы называем вещи «имеющими» напряжение, потому что это меньше слов. Это единственное, что это когда-либо будет означать, так что это не двусмысленно.
Предположим, у вас есть две ветви в параллельной цепи, и падение напряжения на них одинаково. Если исходная точка разделения является опорной точкой (0 В), а выход одной ветви -5 В, а выход другой -10 В, что произойдет? Из-за неравновесия ток будет течь от выхода одного к выходу другого и будет продолжать это делать до тех пор, пока два напряжения не сравняются друг с другом. Таким образом, системы с неравными напряжениями, подобные этой, не могут возникнуть естественным образом. Ваше резюме - одинаковое напряжение, разный ток - верно.
Что такое напряжение? Как я это вижу, и это только моя концепция, напряжение представляет собой давление электронов. поскольку электроны отталкиваются друг от друга, чем больше электронов вы упаковываете в единицу массы проводника, тем выше напряжение, например, в конденсаторе из металлической фольги. Если вы направите электроны на непроводник, место для электронов будет очень ограничено, и статический заряд или напряжение возрастут очень быстро. Когда вы пропускаете ток через резистор, поток или сила тока одинаковы до и после резистора, но плотность заряда ниже на стороне более низкого напряжения из-за дросселирования электронов через резистор.
алейнаваб