Я не понимаю, что мы на самом деле подразумеваем под падением напряжения

Возможно, я смогу пояснить, к чему я пытаюсь прийти, используя знаменитую аналогию с водяным колесом.

99 лет назад Неемия Хокинс опубликовал, как мне кажется, чуть лучшую аналогию:

Рис. 38. — Гидростатическая аналогия падения потенциала в электрической цепи.

Пояснение к диаграмме выше

• На этой диаграмме насос внизу в центре качает воду справа налево.
• Вода циркулирует обратно к началу через верхнюю горизонтальную трубу, отмеченную ab .
• Высота воды в вертикальных столбцах C,m',n',o',D указывает на давление в точках a,m,n,o,b
• Давление падает от a до b из-за сопротивления узкого обратного пути
• Разница давлений между a и b пропорциональна разнице высот между C и D.

Аналогия

• Насос = аккумулятор
• Вода = носители электрического заряда
• Давление = напряжение
• Вертикальные трубы = вольтметры
• труба ab = резистор (или серия из четырех резисторов)

Примечание

• «Частица» воды в точке а имеет более высокую потенциальную энергию, чем в точке b .

На «резистивной» трубке имеется перепад давления.

Напряжение (электрический потенциал) примерно аналогично давлению воды (гидростатическому потенциалу).

Если бы вы могли открыть маленькое отверстие в точках a, m, n, o, b в трубке и приложить палец к отверстию, вы бы почувствовали, что давление в этих точках разное.

Потенциал в какой-то точке — это количество потенциальной энергии «частицы» в этой точке.

было бы полезно, если бы кто-нибудь мог прояснить, каким осязаемым, эмпирическим способом мы можем увидеть или измерить расход энергии, сравнив точку на цепи до резистора и точку на цепи после резистора.

1. Купите резистор 330 Ом 1/4 Вт и батарею PP3 9 В.
2. Поместите резистор на клеммы аккумулятора
3. Поместите палец на резистор.
4. Ждать.

«напряжение» - это сила, вызванная дисбалансом заряда, который заставляет электроны двигаться от отрицательно заряженного терминала к положительно заряженному терминалу.

Нет, напряжение не является силой. Напряжение – это разность потенциальной энергии на единицу заряда. Точнее: электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу заряда (так же, как$gh$представляет собой гравитационную потенциальную энергию на единицу массы), а напряжение (также известное как разность потенциалов или падение напряжения) представляет собой разницу в электрическом потенциале между двумя точками.

Действительное значение электрического потенциала в любой точке не имеет физического смысла; только его разность по отношению к электрическому потенциалу в какой-то другой точке, т. е. к напряжению, имеет смысл или может быть измерена. Это означает, что вся идея напряжения неотъемлемо связана с выбором двух точек. Нет никакого измерения, которое вы могли бы сделать только в одной точке и которое могло бы сказать вам что-нибудь о напряжении или электрическом потенциале. Однако, если у вас есть две точки, вы можете определить напряжение между ними, перемещая единицу заряда из одной точки в другую и измеряя, сколько работы это требует (или дает). Вот как мы можем установить напряжения в цепи с резистивными элементами: переместить заряд по цепи из одной точки в другую и посмотреть, сколько энергии нужно вложить, чтобы доставить его туда.

Причина, по которой для этого требуется энергия, фундаментально сложна и связана с квантово-механическими эффектами, но в качестве грубой классической модели можно сказать, что электроны теряют энергию при столкновении с атомами и молекулами резистивного материала, и вам нужно ввести достаточно энергии, чтобы компенсировать эти потери.

Напряжение (Джоуль на кулон) — это мера потенциальной электрической энергии, полученной положительным пробным зарядом, или работы, выполненной при перемещении положительного пробного заряда из бесконечности в точку в положительном электрическом поле. Эта энергия получена из-за консервативной электростатической силы между зарядами. Когда заряд приобретает потенциал, он, естественно, совершает работу, равную полученной энергии, чтобы восстановить свое нейтральное положение, по этому определению бесконечность.

Разность потенциалов — это мера напряжения между двумя точками в электрическом поле. Разность потенциалов — это потенциал относительно фиксированной точки электрического поля, а не бесконечности. Разность потенциалов не следует путать с разницей заряда между двумя терминалами. Разница в том, что вызывает напряжение (энергия, полученная пробным зарядом в электрическом поле). Если нет разницы в заряде, не может быть установлено поле и, следовательно, нет потенциала.

В цепи батарея обеспечивает разность потенциалов между двумя клеммами, совершая работу против электрического поля, чтобы дать электронам потенциальную энергию. Как только эти заряды получают эту потенциальную энергию, они, естественно, работают, чтобы добраться до своего нейтрального положения, превращая эту потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая управляет током в цепи. Но поскольку электроны путешествуют через среду, они теряют часть этой энергии в виде тепла из-за столкновения с атомами или молекулами. Мера потери/расхода энергии между двумя точками цепи называется падением потенциала. Падение потенциала увеличивается с сопротивлением.

Согласно закону сохранения энергии, сумма всех падений напряжения должна равняться приложенному напряжению, согласно второму закону Кирхгофа. Следовательно, падение напряжения на нагрузке в цепи будет больше, если общее сопротивление цепи ниже.

Я не физик, а простой студент-инженер, и я думаю, что ваше замешательство меня тоже смутило. Это здорово, потому что заставило меня самой искать ответы. Это всего лишь мое личное предположение (хотя и основанное на некоторых фактах), но оно имеет большой смысл для меня, и я надеюсь, что оно имеет смысл и для вас.

Потерпите меня, если это длинный ответ.

Во-первых, когда мы говорим о разнице в количестве электронов непосредственно перед резистором и сразу после него, вы правы: принципиальной разницы в количестве электронов нет. Мы знаем это, потому что все входящие электроны (ток) должны быть равны количеству выходящих электронов (ток). Это один из законов Кирхгофа. Более того, мы знаем, что материя не просто исчезает и не превращается в энергию.

Конечно, второй из законов Кирхгофа говорит нам, что сумма всех напряжений в цепи должна быть равна нулю (так, в простой цепи начальное напряжение от батареи за вычетом всех падений напряжения на всех резисторах равно нулю). Это говорит нам о том, что внутри этих резисторов уже должно происходить что-то, что не имеет ничего общего с батареей. Так что это хорошее начало.

Затем мы также должны понимать, что ток и напряжение — это не одно и то же. То есть, если у вас уже есть текущий ток, этот ток не имеет собственного напряжения. Вам может понадобиться напряжение, чтобы запустить поток тока, но как только он уже течет, ток существует как прыжок одного электрона через ионы, и каждый электрон представляет собой только одну точку — у него нет напряжения, потому что это только одна точка. . Что еще более важно, ток течет равномерно, поэтому при его протекании не генерируется напряжение. Будь то сразу перед или сразу после резистора, ток там одинаков, и он не создает напряжения.

Вот рисунок, который я сделал для вас:

Я нарисовал его таким, какой он есть на самом деле, вопреки условностям. Обратите внимание, что, несмотря на существовавшую ранее разницу в напряжении между двумя батареями, электроны распределяются равномерно. Итак, если вы попытаетесь измерить разность потенциалов между первым и четвертым электроном, вы получите нулевую разность потенциалов, даже если они текут , потому что их распределение будет по-прежнему однородным. Это, я думаю, эквивалентно измерению напряжения на проводе без резистора.

Поскольку я думаю, что это будет полезно при анализе того, что происходит на резисторе, я хотел бы отметить, что батарея является первоначальным источником напряжения. Он устроен так, что один конец гораздо более электроотрицательный, чем другой, и что на одном полюсе имеется большой запас электронов, а на другом — большой дефицит. Итак, если вы соедините два конца вместе, электроны перейдут от менее электроотрицательного конца (с большим количеством электронов) к более электроотрицательному концу (с меньшим количеством электронов). При этом разница в электронах от полюса к полюсу выравнивается. Более того, химические реакции, происходящие внутри батареи, приводят к тому, что полюса (анод для отрицательного, катод для положительного) разрушают и катод, и анод — если это не перезаряжаемая батарея, в этом случае эта реакция обратима.

Но это не совсем объясняет, почему происходит падение напряжения на нагрузке. Если между полюсами существует разность напряжений, то не должна ли такая же разность напряжений существовать по всей цепи? Ответ, кажется, да... но только если нет нагрузки.

Итак, мы должны вернуться и спросить, что такое падение напряжения и откуда оно берется?

Я думаю, ваш вопрос на самом деле заключается в том, что происходит с энергией на молекулярном уровне? Он не просто исчезает. Когда напряжение падает, что это значит? Если одно и то же количество электронов входит в резистор, а затем покидает его, разве их энергия не остается неизменной?

Во-первых, мы знаем, что если их энергии одинаковы, то вольтметр скажет нам, что напряжения нет. Мы также знаем, что если их энергии одинаковы, между двумя точками нет разницы. И, наконец, если их энергии одинаковы, мы знаем, что энергия не терялась, а значит, из системы не выносилось никакой работы.

Но мы знаем , что работа была снята с системы, и мы можем видеть показания вольтметра. Но если число электронов на резисторе одинаково, то должны быть потери энергии. Но откуда взялась эта энергия?

Вернемся к тому, что такое напряжение — это количество энергии на единицу заряда. Одна единица заряда – это электрон. Таким образом, напряжение — это всего лишь мера того, сколько энергии несет каждый электрон. У электрона есть две отдельные энергии — энергия покоя и энергия импульса. Его энергия покоя постоянна, а энергия импульса определенно нет.

Электрон переносит энергию своей орбиталью и оболочкой. То есть чем больше энергии у электрона, тем выше он уходит в свою оболочку. Я думаю, это потому, что у него больше кинетической энергии, поэтому он имеет тенденцию двигаться быстрее. Более быстрое движение заставляет его занимать больший объем, поэтому, чтобы ядро ​​удерживало электрон, должно быть больше притяжения, чтобы удерживать его на месте. Я предполагаю, что это похоже на орбиту планеты вокруг Солнца, где более широкие орбиты означают больше общей энергии в системе. Орбитали (я предполагаю, но вполне уверен) вызваны дискретной природой энергии — фотоны — это самая неуменьшаемая форма энергии, поэтому электрон может прыгать между орбиталями только на дискретные величины.

Итак, внутри батареи электроны чувствуют разницу потенциалов между разными полюсами батареи. Эта разность потенциалов передает энергию электрону, заставляя его перейти на более высокую орбиту. Затем он проходит через атомы в проводе, пока не достигнет резистора.

Внутри резистора энергия забирается у электрона. Электрон перескакивает на меньшую орбиталь и при этом испускает фотон. Это высвобождение фотона означает, что он испустил энергию. Фотон, обладая энергией, преобразуется в работу и отходы.

Электроны, теперь занимающие меньшую орбиту, покидают резистор с меньшей энергией. Поскольку их энергия меньше, их напряжение падает. И это, я думаю, является причиной того, что это называется падением напряжения .

Однако этот ответ поднимает вопрос: как вольтметр обнаруживает это падение напряжения, если оно происходит в орбитальных оболочках атома? И ответ интересный: нет. По крайней мере, не напрямую.

Из того, что я могу прочитать, вольтметры измеряют отклонение стрелки от пружины. Стрелка, в свою очередь, приводится в движение силами отталкивания электронов на вращающемся колесе внутри вольтметра. А силы отталкивания, разумеется, прямо пропорциональны количеству энергии внутри электронов. Поскольку мы знаем уравнения энергии, все это откалибровано. На самом деле вольтметр измеряет не само напряжение, а скорее силу, с которой разница напряжений действует на стрелку вольтметра.

Я не могу сказать больше о том, как работает вольтметр. Я, честно говоря, не уверен, что это правда, но я знаю, что движущийся ток с определенным напряжением должен работать каким-то образом, как я только что сказал.

Когда электрон возвращается домой к катоду (поскольку мы думаем с точки зрения фактического движения электронов, а не обычных электронных дырок), его напряжение не будет равно нулю, а скорее будет равно энергии на электрон в катоде. катод. Закон Кирхгофа говорит нам, что при каждой нагрузке разность напряжений уменьшается из-за падения напряжения. Поскольку у электронов все еще есть энергия внутри катода, это не означает, что напряжение там равно нулю (что приводит к тому, что электроны не имеют энергии, что интуитивно делает их не имеющими импульса, что не может быть правдой). Это просто означает, что энергия, когда электрон возвращается, теперь такая же, как энергия на катоде, так что больше нет разности потенциалов, и путешествие электрона останавливается.

Если я допустил здесь какие-либо вопиющие ошибки (а я обязательно их сделаю, так как большую часть этого я догадываюсь и пытаюсь осмыслить то, что знаю), пожалуйста, не стесняйтесь редактировать меня. И если я что-то неправильно объяснил, пожалуйста, укажите, где это в комментарии, чтобы я и все остальные могли видеть, где это неправильно и почему. Благодарю вас!

РЕДАКТИРОВАТЬ: я понимаю, что использовал здесь напряжение двумя способами: разность потенциалов между двумя точками и энергия на единицу заряда. Одно определение требует определения двух точек, тогда как одно требует только одну точку.

Я думаю, мы можем примириться с этим, представив, что везде одинаковое напряжение. Каждый электрон имеет точно такое же количество энергии. В таком случае разницы в напряжении нет. Разности потенциалов нет, то есть нет градиента, который заставит электроны двигаться.

Итак, я думаю, я говорю, что напряжение может быть точечной величиной, тогда как разность потенциалов или разность напряжений требуют определения двух точек. Конечно, это согласуется с определением напряжения (и, как я помню в классе, напряжение само по себе является скаляром, поэтому для его определения требуется только само определение, а не другая точка; градиент или разность — это то, что требует другой точки).

Напряжение — это электрический потенциал (относительно некоторой произвольной величины, называемой «землей»).

Это означает, что если я возьму электрон с земли и перемещу его в точку с напряжением$V$это требует, чтобы я работал$W = V e$(здесь$e$есть величина заряда электрона), потому что существовала сила$\vec{F} = q\vec{E}$благодаря электрическому полю,$\vec{E}$вдоль пути и$W = \int \vec{F} \cdot d\vec{s}$, наоборот, перемещая электрон из точки потенциала$V$к точке при потенциале земли получает обратно такое же количество энергии.

Это точно так же, как гравитационная потенциальная энергия массы$m$относительно его положения на полу.$V$аналогичен$gh$во вводной механике (где работа подъема массы есть$W = mgh$и сила$F_g = -mg\hat{z}$).

Следует отметить, что$V$является свойством определенного положения в определенное время, и если вы посмотрите на две точки цепи и обнаружите, что та, что находится «дальше», имеет более низкий потенциал, то вы можете сказать, что потенциал «упал» на$V_1 - V_2$между пунктами 1 и 2.

В этом весь смысл слова «падение напряжения», но оно не объясняет микроскопических физических явлений, ответственных за это изменение. Как и во многих других вещах в физике, легче разобраться в физике, если вы просто согласитесь принять значение символов и словарный запас, прежде чем начать. Когда ваше понимание созреет, станет ясно, что определения внутренне непротиворечивы и полезны для выполнения вычислений.

Я думаю, что вы имеете в виду вопрос об энергии, связанной с состояниями электронной оболочки материала до резистора и после резистора. Так что в этом смысле можно мыслить в терминах относительной ионизации двух разных материалов. Хорошие мысленные эксперименты в этом отношении состоят в том, чтобы рассмотреть, как работает батарея, а затем рассмотреть, как работает транзистор.

В батарее (как вы, наверное, уже знаете) потенциальная энергия запасается химически, и именно взаимодействие двух материалов при наличии ионного моста позволяет протекать реакции и выделять энергию. Важной частью, конечно же, является мост, который замыкает цепь и обеспечивает поток ионов. Так что в любом случае системе доступны состояния с более высокой энтропией (более энергетически благоприятные), и поток электричества можно рассматривать как реакцию на достижение более энергетически благоприятных условий. Таким образом, можно понять, что падение напряжения связано не только с изменением энергии, но также и с изменением энтропии.

Во втором примере, в транзисторе, один из слоев легирован так, что возникает естественное смещение в распределении электронов. Это смещение можно использовать как сопротивление протеканию тока, и в большинстве случаев в качестве переключателей используются транзисторы, а изменение напряжения на «затворе» позволяет управлять протеканием тока. Опять же, это изменение распределения электронов в «оболочках» соответствующих ионов.

Тогда падение напряжения рассматривается как изменение заряда или ионизация на резисторе. Это прямой контроль ионизации, который обеспечивает поток.

Это приводит к выводу, что один из самых надежных способов определить, является ли схема неисправной, — это найти на диаграммах случаи, когда отсутствует заземление. Ток не будет течь, если нет заземления, что привело бы к более энергетически выгодным условиям в цепи.

Если это полезно, я могу расширить, но я думаю, что некоторые из нас изо всех сил пытаются понять, что вам нужно.

Обновлять:

Теперь возникает вопрос, можно ли определить разницу между двумя точками на резисторе, кроме как с помощью вольтметра? Что вы можете сказать мне о разнице между этими двумя точками?

Это помогает немного понять об энергии, мощности, напряжении, токе и заряде.

В простейшем математическом определении Энергия — это произведение Силы и времени.

где время на самом деле является интервалом, так что

Мощность наиболее просто определяется как:

Где$Q$является зарядом и$V$напряжение

На самом деле заряд очень хорошо определяется как

Говоря более абстрактно, заряд — это любой генератор непрерывной симметрии изучаемой физической системы. Когда физическая система имеет какую-то симметрию, теорема Нётер подразумевает существование сохраняющегося тока. То, что «течет» в токе, — это «заряд», заряд — это генератор (локальной) группы симметрии. Этот заряд иногда называют зарядом Нётер.

Так, например, электрический заряд является генератором U(1)-симметрии электромагнетизма. Сохраняющийся ток – это электрический ток.

В случае локальных динамических симметрий с каждым зарядом связано калибровочное поле; при квантовании калибровочное поле становится калибровочным бозоном. Заряды теории «излучают» калибровочное поле. Так, например, калибровочным полем электромагнетизма является электромагнитное поле; а калибровочным бозоном является фотон.

Иногда слово «заряд» используется как синоним слова «генератор» применительно к генератору симметрии. Точнее, когда группа симметрии является группой Ли, то понимается, что заряды соответствуют системе корней группы Ли; дискретность системы корней, учитывающая квантование заряда.

Следует добавить, что в реальном мире заряд квантуется, а электроны несут фундаментальную единицу заряда, однако, когда мы говорим о цепи, текут не обязательно электроны, а скорее более абстрактное сохраняющееся количество заряда, которое течет. Электроны могут двигаться в цепи, но физическое расстояние, на которое они перемещаются, будет очень маленьким. Заряд движется, и, поскольку заряд сам по себе фактически не имеет массы, он может двигаться очень быстро в цепи, однако он все еще фундаментально квантован.

Возвращаясь к уравнению мощности:

Можно видеть, что, поскольку энергия является произведением мощности и времени, можно получить энергию как простое произведение заряда и напряжения.

Таким образом, разница энергий между двумя точками равна

Однако заряд сохраняется, а это означает, что количество основных зарядов, связанных с током, протекающим между двумя точками, должно быть одинаковым в начале и в конце потока. Поэтому мы можем предположить$Q$постоянна, и мы имеем:

Это говорит нам о том, что изменение энергии между двумя точками прямо пропорционально изменению напряжения (или падению напряжения) между двумя точками. Здесь мы видим сходство этого уравнения с уравнением для потенциальной энергии в гравитационном поле. Если мы определим вес как:

куда$m$это масса и$g$ускорение свободного падения, то изменение энергии между двумя точками в гравитационном поле равно:

куда$h$высота.

Здесь сходство двух уравнений должно быть очевидным.

Классически единицы заряда (кулон - Кл) даются как произведение единицы емкости (Фарад - Ф) и единицы напряжения (В).

Где емкость - это просто константа пропорциональности, связывающая заряд и напряжение, что более ясно в уравнении, изменяющемся во времени:

Энергия (или эквивалентная работа), излучаемая резистором с течением времени, равна:

Замена у нас есть

Как мы показали выше, напряжение аналогично высоте (или положению), поэтому$v'(t)$будет аналогично скорости (изменение положения во времени).

Если мы посмотрим на интеграл механической работы (где Сила и скорость (s'(t)) находятся в одном измерении):

Электрическую версию можно перегруппировать как:

Это говорит о том, что количество$Cv(t)$аналогична силе (но это не сила, так как сила есть механический термин и единицы здесь другие, соотношение здесь показано так, чтобы можно было понять аналогию). Заряд также может быть записан как

Таким образом, наш интеграл становится

Заряд снова можно считать константой, поскольку он должен сохраняться, поэтому мы можем написать:

и с тех пор

Мы можем написать

Итак, мы снова обнаруживаем, что работа или энергия пропорциональны изменению напряжения по отношению к некоторой переменной, где константа пропорциональности — это заряд.

Это закреплено в определении энергии как электронвольта , где

Исторически сложилось так, что электрон-вольт был разработан в качестве стандартной единицы измерения из-за его полезности в науках об электростатических ускорителях частиц, потому что частица с зарядом q имеет энергию E = qV после прохождения через потенциал V; если q указано в целых единицах элементарного заряда и конечного смещения в вольтах, получается энергия в эВ.

Смысл всего вышесказанного в том, чтобы проиллюстрировать следующее:

1. Напряжение — это не сила, это потенциал, аналогичный высоте в гравитационном поле.
2. По аналогии, если напряжение является потенциалом, то заряд будет аналогом силы, но это не «сила», как это используется в физике, поскольку это термин, определяемый механически и эквивалентный массе, умноженной на ускорение.
3. Заряд квантуется, и это тоже сохраняющаяся величина.

Таким образом, мы можем легко связать изменение напряжения с изменением энергии. Поэтому при падении напряжения на резисторе происходит изменение энергии. Для резистора эта энергия обычно выделяется в виде тепла.

Если нет изменения напряжения, то и их энергия не изменится. Таким образом, в цепи энергия, содержащаяся в проводе до резистора, больше, чем энергия, содержащаяся в проводе после резистора. Опять же, это отражается в изменении конфигураций, доступных электронам в проводе.

Я надеюсь, что это помогает. Дайте мне знать, если нам нужно расширить больше.

Рассмотрим схему только с батареей и петлей провода. Провод имеет идеально нулевое сопротивление, это означает, что напряжение между любыми двумя точками на проводе будет равно нулю!$V=IR= I\times0=0$ $^1$

Теперь рассмотрим упомянутую вами схему (т.е. с резистором). Резистор вызовет уменьшение тока - следуя закону Ома, который вы так хорошо знаете. Что это значит? Ну напряжение на резисторе должно быть равно напряжению источника. то есть$|V_{\textrm{resistor}}|=IR=|V_{\textrm{battery}}|$. Обратите внимание, что в идеале падение напряжения отсутствует, если вы измеряете напряжение на любом сегменте провода (как и раньше).

Почему это называется падением напряжения? Сумма всех напряжений в петле должна давать ноль. Таким образом, технически у нас было бы$V_{\textrm{battery}} +V_{\textrm{resistor}}=0$. (См. Законы Кирхгофа о цепях, в частности закон Кирхгофа о напряжении)

Говоря о «падении напряжения», это просто способ сказать, что мощность от исходной батареи куда-то уходит, как вы указали «высвобождение энергии». Таким образом, в более сложных схемах вы можете отслеживать падение напряжения на различных компонентах.

Изменить: еще один пример. Рассмотрим теперь схему с двумя последовательно соединенными резисторами. Суммарное падение напряжения на обоих должно быть таким, как мы обсуждали ранее, но падение напряжения на каждом отдельном резисторе будет взвешено по его значению.

Падение напряжения:

_{$^1$В реальных цепях провода имеют очень низкое сопротивление.}

«Капля» происходит от аналогии с током, представляющим собой поток воды, и каждая разница в высоте, которая заставляет воду течь, является каплей = разностью напряжений.

Таким образом, падение напряжения — это просто разница в напряжении на компоненте, который создает ток.

Я надеюсь, что вы читали страницы Википедии о напряжении и перепадах напряжения .

Во всяком случае, это не особенно строго, но помогает интуиции. Резистор, как следует из названия, пытается сопротивляться току, протекающему через него. На самом деле это означает, что в материале меньше « свободных » электронов, которые помогают протекать току. Если электроны тесно связаны с атомом, они, как правило, не хотят двигаться, поэтому сопротивление току больше.

Разность потенциалов — это разность электрических потенциалов между двумя точками цепи, и ток течет в направлении, в котором разность потенциалов может быть минимизирована. Таким образом, когда ток протекает через резистор ( Примечание: в цепи обычно предполагается, что провода имеют нулевое сопротивление ), ему труднее (еще) течь через резистор, но энергия все еще течет «в» резистор. резистор. И все мы знаем, что энергия должна быть сохранена любой ценой.

Так что на самом деле происходит то, что часть этой энергии теряется, когда ток протекает через резистор, либо потому, что он тратит энергию на попытку заставить эти прочно связанные электроны покинуть свои атомы, либо в виде тепла. Это означает, что на другой стороне резистора была потеряна некоторая энергия, что на самом деле означает, что напряжение в этой точке ниже, чем в точке перед резистором. Таким образом, у электрона меньше «толчка», чтобы добраться до стороны с более низким потенциалом, из-за потери энергии.

Напряжение — это просто способ говорить об энергии на единицу заряда. Что гарантирует тесто, так это то, что заряд, поступающий с отрицательной клеммы, будет увеличен в потенциальной энергии (через электрохимический процесс) до определенной более высокой энергии на положительной клемме.

Что значит дать зарядам энергию? Это то же самое, что сказать, что шар для боулинга имеет больше энергии в состоянии покоя на высоте 10 футов, чем в состоянии покоя на земле. Батарея выталкивает заряд, поступающий от отрицательной клеммы, против электрической силы, тем самым давая этим зарядам энергию. Отдаваемая энергия пропорциональна количеству заряда. Таким образом, говорить о напряжении — это просто удобный способ говорить о батарее с точки зрения одной величины: сколько энергии она отдает на единицу заряда.

Причина, по которой батарея может это сделать, заключается в химической реакции, происходящей внутри. В батарее электрическое поле направлено против направления положительного тока. Если бы существовало только одно это Е-поле, движение тока от отрицательных клемм к положительным было бы невозможно, но химическая реакция позволяет это сделать.

И наоборот, резистор — это объект, электрическое поле которого направлено вдоль направления тока, так что токи, проходящие через резистор, теряют электрическую энергию.

Вот вам аналогия: батарея — это эскалатор. Поместите мяч у основания эскалатора, и мяч перейдет к более высокому гравитационному потенциалу из-за влияния эскалатора, хотя гравитация всегда направлена ​​вниз. Обратите внимание, что эскалатор способен на это, потому что он получает энергию из какого-то другого источника — в данном случае он приводится в действие, — а не из гравитационного поля. Вот как он может совершать работу против силы тяжести.

Резистор, с другой стороны, подобен пути от верхнего этажа к основанию эскалатора.

Батареи не производят никакой разницы в количестве носителей заряда на двух выводах. Точно так же вы можете подавать на эскалатор постоянную скорость объектов, и это не даст разницы в количестве объектов между верхним и нижним этажами. Ток таких объектов считается установившимся.

По этой причине нет принципиальной разницы между напряжением, измеренным на батарее, и напряжением, измеренным на резисторе. Оба они измеряют электрическую энергию на единицу заряда, протекающего через счетчик. Да, заряды проходят через вольтметр. Вольтметр измеряет не столько потенциал в двух точках, сколько изменение энергии на единицу заряда от входа до выхода вольтметра. В этом смысле добавление вольтметра в цепь коренным образом изменяет схему — он не говорит вам строго об исходной схеме, — но вы можете количественно определить ошибку в индуктивности. В общем, вы можете надежно использовать вольтметр только тогда, когда его сопротивление намного больше, чем то, которое вы пытаетесь измерить.

Я не читал все ответы, так что, надеюсь, это поможет ОП или любому, кто немного наткнется на это. Я думаю, что пример может помочь понять, что происходит, и помочь пролить свет на то, каков реальный вопрос, как я его вижу.

Рассмотрим ту же ситуацию, но с гравитацией. Представьте, что у вас есть масса на высоте h. Теперь переместите рукой эту массу на высоту 0. Она по-прежнему имеет ту же скорость, что и раньше, но теперь у нее меньше энергии. Эта потеря энергии находится в форме потенциальной энергии. Куда это делось? Ваше тело поработало над массой и, вероятно, разогрелось. Чем отличается масса до и после ее перемещения? Ничего действительно физически очевидного, за исключением отношения к вашей ОПОРНОЙ ТОЧКЕ. Так что в некотором смысле ОП прав, нет никакой физической разницы, когда вы смотрите на электрон до и после.

Однако это не значит, что нет никакой разницы. ОП должен помнить, что потенциалы сами по себе не имеют НИКАКОГО ЗНАЧЕНИЯ, под которым я подразумеваю, что значение приходит только в отношении двух точек (разницы). Таким образом, вы можете определить разницу в электроне, только проверив две точки и увидев разницу, поэтому вольтметр использует два датчика одновременно. Это было бы вместо того, чтобы использовать 1 зонд, проверяющий электрон перед резистором, удалить, а затем коснуться после резистора и посмотреть, что вы видите, как другое.

Теперь рассмотрим ту же ситуацию без сопротивления (моя рука в гравитации, резистор в цепи). Если бы это было в поле, электрон ускорился бы. Что удерживает электрон от ускорения, так это сопротивление в цепи. Таким образом, вместо ускорения энергия переходит в тепло.

Первое, что следует отметить, это то, что вы никогда не должны использовать слово «напряжение», если вы не уверены, что вы и ваша аудитория знаете о факте, который является сокращением для «разницы в напряжении» или как вы использовали «падение напряжения».
Я бы предпочел использовать термин «разность потенциалов».

Все это связано с энергией и типом энергии, которой обладает система, которая делает ее способной совершать работу, которая называется потенциальной энергией.

Водяная цепь — очень хороший аналог электрической цепи, но позвольте мне немного изменить ее следующим образом.

На диаграмме 1 здесь нет трения и$A$а также$B$представляют собой «насосы» со встроенными кранами.
Все краны открыты, но ни один из насосов не работает.
Что происходит дальше? – Ничего, так как система находится в самом низком состоянии гравитационной потенциальной энергии.
Означает ли это, что вода не обладает гравитационной потенциальной энергией, т.е. не может совершать никакой работы.
Нет. Вы можете сказать, что он обладает гравитационной потенциальной энергией, потому что он мог бы совершить работу при падении на столешницу, которая находится под аппаратом, но в данном случае этого делать нельзя.

Закрыть кран$B$и пусть вес прикреплен к насосу$A$падение.
Что случается? – На диаграмме 2 уровень воды в трубке$a$поднимается и уровень воды в трубке$c$идет вниз

Насос$A$выполняет работу на воде.
Как это делается? - К валу насоса прикреплен груз, который падает.
Так что же заставляет воду течь? - Падающий груз теряет гравитационную потенциальную энергию, поэтому насос работает на воде.
Вода в трубке$a$набирает гравитационную потенциальную энергию и вода в трубке$c$теряет гравитационную потенциальную энергию.
Произошло преобразование гравитационной потенциальной энергии веса в гравитационную потенциальную энергию воды, и есть чистый выигрыш в гравитационной потенциальной энергии воды.

Когда разница в уровне воды между трубами$a$а также$c$достигает определенного значения, насос останавливается и кран$A$закрывается.
Нажмите$B$теперь открыт.
Вода течет через насос$B$из трубки$a$в трубку$c$подъем груза, прикрепленного к насосу$B$до уровня воды в трубке$a$и трубка$c$подобные.
Насос$B$совершил работу, и гравитационная потенциальная энергия воды была преобразована в гравитационный потенциал груза.

На схеме 3 третий насос и кран$C$были добавлены.
Все краны открыты насосом$A$поддержание постоянной разницы уровня воды между трубками$a$и трубка$c$.
Насос$A$постоянно совершает работу, и конечным результатом является увеличение гравитационного потенциала воды, выходящей из трубы.$c$в трубку$a$и уменьшение гравитационной потенциальной энергии падающего груза.
Насос$B$постоянно совершает работу, и конечным результатом является увеличение гравитационной потенциальной энергии прикрепленного к ней падающего груза и уменьшение гравитационного потенциала воды, вытекающей из трубы.$a$в трубку$b$.
Насос$C$постоянно совершает работу, и конечным результатом является увеличение гравитационной потенциальной энергии прикрепленного к ней падающего груза и уменьшение гравитационного потенциала воды, вытекающей из трубы.$b$в трубку$c$.

Суть вашего вопроса: «Чем отличается вода в трубке?$a$и вода в трубке$b$?»
Ответ: «Вода в трубке$a$может совершить больше работы, чем вода в трубке$b$».
Вода в трубке$a$поднимает грузы, прикрепленные к обоим насосам$b$и насос$c$а вода в трубке$b$поднимает только вес, прикрепленный к насосу$C$.

Теперь переведем все это на электрические термины.
Для простоты предположим, что в моей электрической цепи мобильные носители заряда положительны, поскольку мне легче представить положительный заряд, стремящийся упасть с (потенциального) холма, в отличие от электронов, стремящихся взобраться на (потенциальный) холм.

На схеме 4 насос$A$батарея$A$и насосы$B$а также$C$моторы$B$а также$C$.
Батарея — это устройство, повышающее электрическую потенциальную энергию подвижных носителей заряда при их движении от узла$c$к узлу$a$(повышение уровня воды).
Это происходит из-за химической реакции в батарее и уменьшения химической потенциальной энергии (падающий вес.

Моторы$B$а также$C$устройства, которые совершают работу по подъему тяжестей за счет уменьшения электрической потенциальной энергии проходящих через них подвижных носителей заряда.

Вместо того, чтобы все время использовать термин «изменение потенциальной энергии между двумя точками», проще использовать термин «изменение потенциальной энергии между двумя точками на единицу заряда», а еще проще — «разность потенциалов между двумя точками» или «потенциал». разница» или ваш термин «падение напряжения».

Таким образом, когда у вас есть падение напряжения на компоненте, это говорит вам о том, что объем работы, которую мобильные носители заряда могут выполнить при выходе из компонента, уменьшается (падает) по сравнению с объемом работы, которую мобильный носитель заряда может выполнить перед входом в компонент. .

Количество работы (джоули, Дж), которую может выполнить единичный заряд (1 кулон, 1Кл) подвижных носителей заряда между двумя точками, разность потенциалов между этими двумя точками, измеряется в джоулях на кулон, что соответствует вольту.

Диаграмма 5 представляет собой простую схему.
Падение напряжения на 3$\Omega$резистор 3В.
Начиная с узла$a$и заканчивая узлом$c$1 кулон подвижных носителей заряда будет выделять 5 джоулей тепла, тогда как если бы они стартовали в узле$b$и достиг узла$c$они произвели бы только 2 джоуля тепла.
Таким образом, способность мобильных носителей заряда совершать работу в один кулон упала с 5 джоулей в узле.$a$до 2 джоулей в узле$b$падение на 3 джоуля на кулон, что соответствует падению напряжения на 3 вольта.

Я считаю, что простой пример будет лучшим способом ответить на ваш вопрос.

Начнем с источника напряжения 10в (аккумулятор, блок питания, генератор и т.д. - тип значения не имеет). Затем вы подключаете 10 резисторов по 1 Ом последовательно к источнику питания. При таком расположении мы знаем, что через каждый резистор протекает ток 1 ампер, поэтому падение напряжения на каждом резисторе составляет 1 В.
Если теперь вы возьмете вольтметр и поместите один провод в нижнюю часть нижнего резистора (#10), а другой провод — в верхнюю часть верхнего резистора (#1), вы увидите 10 В. Теперь вы берете верхний вывод и перемещаете его в точку под первым резистором, теперь он будет показывать 9 В. Если вы продолжите этот процесс, вы будете читать 8v, 7v... 1v, 0v. Как видно, каждый резистор вызвал уменьшениепри напряжении , равном падению напряжения на нем.
Следует отметить, что каждый резистор потребляет 1 Вт, что в сумме дает 10 Вт, что соответствует той же мощности, что и источник питания.

Если мы теперь заменим резисторы только на один (10 Ом), хотя у нас уже нет доступа к промежуточным точкам, ситуация будет такой же. Падение напряжения происходит внутри резистора пропорционально его длине (при линейном распределении). Если резистор имеет длину 10 см, на каждом см будет падать 1 В.
Тот факт, что резистор вызывает снижение напряжения , пропорциональное протекающему через него току, является причиной того, что это называется падением напряжения (на резисторе).

Когда батарея включена, внутри цепи распространяется волна, определяющая ток системы. В этот момент ток внутри цепи неоднороден (но он исчезает почти со скоростью света). Предположим, что к этой цепи также подключены сопротивления разного удельного сопротивления. Электроны в цепи являются частью одной и той же системы, поэтому, если один из них замедляется, остальные тоже замедляются. «Падение напряжения» в этот момент влияет на всю систему одновременно. Потеря потенциала рассчитывается при начальном включении, и таким образом устанавливается ток. Причина, по которой это падение напряжения равно V батареи, заключается в том, что все рассчитывается в соответствии с этой волной, которая запускается от батареи.

oyvey, я могу понять ваше замешательство. Я всего лишь студент, но я могу попытаться устранить замешательство, используя аналогию.

Рассмотрим две игровые площадки (две отрицательные клеммы двух разных батарей 2 В и 3 В). Дети на первой игровой площадке (2 В) слабые и ленивые. Когда их просят пробежать по дорожке, количество детей (электронов), проходящих через точку путь меньше. Дети на второй игровой площадке (3V) сильные и активные. Когда нас попросят пробежать по дорожке, мы увидим больше детей, проходящих через точку на дорожке, чем в предыдущем случае, потому что они сильные и активные.

Я думаю, что это очень хорошо объясняет закон Ома о том, что ток прямо пропорционален напряжению, а также, надеюсь, прояснит вашу путаницу.