Неоднозначность понятия потенциала в электрических цепях?

Как и все остальные, я изучал элементарные электрические схемы от средней школы до инженерного уровня аналоговой электроники в университете. Неизменно понятие потенциала, используемое для описания того, что происходит в этих цепях, по-видимому, похоже на понятие электрического потенциала, которое следовало бы затем уравнениям Максвелла.

Тем не менее, при изучении фундаментальной электрокинетики в физике твердого тела ток возникает всякий раз, когда существует разница / градиент химического потенциала носителей заряда, а не обязательно градиент электрического потенциала.

В основном химический потенциал, вероятно, может быть выражен как сумма:

мю "=" мю я г + мю е Икс с + мю е

где мю я г идеальный (хотя и квантовый) вклад, мю е Икс с избыточная часть, включающая взаимодействия с решеткой, взаимодействия/корреляции с другими носителями заряда, квантовые эффекты и т. д... и мю е ∼ д ф электрическая часть, содержащая вклад среднего поля от остальных зарядов и соответствующая уравнениям Максвелла.

Если кусок металла всегда один и тот же, восстановить элементарные законы для электрических цепей в соответствии с приведенным выше определением довольно просто.

Единственная проблема, с которой я столкнулся, заключается в том, что в большинстве схем используется более одного типа материала, на самом деле существует множество различных материалов, которые вносят вклад в общий ток.

Например, на стыке между двумя частями материалов ток будет течь по разным причинам, связанным с разницей электрических потенциалов, а также с разницей общего химического потенциала (где идеальная и избыточная неэлектростатическая часть также будут различаться).

Хорошим примером этого, конечно же, являются NP-переходы, которые создают разность электрических потенциалов на переходе, чтобы сделать химический потенциал носителей заряда однородным, и, как следствие, в диоде отсутствует поток зарядов.

Кроме того, насколько я понимаю, химические батареи, основанные на окислительно-восстановительных реакциях, создают разность химических потенциалов только для электронов (это обусловлено химией). Следовательно, хотя легко утверждать, что разность потенциалов для такой химической батареи будет определяться уравнением Нернста, эта разность потенциалов может вызывать движение только электронов, а не, например, ионов в растворе электролита. Я могу ошибаться, но, насколько я понимаю, вы не можете замкнуть цепь, используя химическую батарею, соединив две ячейки материалом, который не будет проводить электроны (даже если он будет проводить другие вещества). Обратите внимание, что я знаю, что в химических батареях есть солевой мост, чтобы гарантировать, что разность химических потенциалов не уравновешивается точно разностью электрических потенциалов.

Итак, вот мой вопрос (ы):

  • Не переусердствую ли я, полагая, что существует некоторая двусмысленность в использовании (и, возможно, неправильном использовании) понятия «потенциал», которое всегда интерпретируется как электрический потенциал в цепях?

  • Почему же тогда понятие потенциала в цепях должно быть таким повсеместным? Неужели все мои заботы просто решаются калибровочной свободой электрического потенциала?

  • Существуют ли случаи, когда понятие потенциала действительно вводило бы в заблуждение, если понимать его как электрический потенциал? Я думаю, что я упомянул некоторые, но я могу что-то не так понять...

Как правило, один включает в себя как можно меньше взаимодействий, чтобы описать вашу физическую проблему. Таким образом, почти для всех задач ЭЭ вы учитываете приложенный электрический потенциал, и все отлично работает. Пока не наткнулся на что-то вроде термопары. Затем вы должны обобщить свой потенциал, чтобы включить дополнительный эффект, который поднял свою уродливую голову. Но с этого момента вы не начинаете применять эту более общую потенциальную форму к каждой отдельной проблеме EE — вы сохраняете ее до тех пор, пока она вам не понадобится. Мы по-прежнему используем ньютоновскую механику с пользой, даже зная, что в какой-то момент она дает сбой и тогда необходима теория относительности.
Тот же вопрос для полупроводникового P-N перехода: physics.stackexchange.com/questions/108314/…

Ответы (2)

  • Есть неясность. Хотя я не полностью понял ваш анализ проблемы, носители заряда, безусловно, могут работать против (усредненной) электрической силы из-за разницы в доступных полосах и других эффектов статистики частиц.
  • Калибровочная свобода значения не имеет. Есть два случая «вездесущности». Во-первых, эти немаксвелловские отклонения обычно имеют порядок 1 вольта и даже меньше, поэтому для таких технологий, как сетевое электричество или электрический транспорт, они пренебрежимо малы. Во-вторых, даже там, где ими можно пренебречь (например, в полупроводниках и гетерогенных металлических цепях), они обычно почти самоуничтожаются, когда образуют замкнутую цепь. Термопары составляют заметное исключение.
  • Внутри куска обычного атомарного вещества, даже если он является проводником электричества , нет такой вещи, как величина электрического потенциала. Ядра излучают свои кулоновские поля, электронные оболочки излучают свои, электроны в зонах проводимости тоже изменяются, и, что еще хуже, все эти вещи (особенно электроны) подчиняются законам квантовой механики и, следовательно, не имеют определенного пространственного положения. Представляете ли вы себе максвелловское поле в этих обстоятельствах? Я не делаю. Теория Максвелла вряд ли применима внутри проводников. Изоляторы обеспечивают некоторую эмуляцию этого в макроскопическом масштабе, хотя и не невозмущенные вакуумные максвелловские поля (я имею в виду такие вещи, как электрическая проницаемость и оптическая плотность), но также имеют внутри себя вышеупомянутый ад на молекулярном уровне.

Единственная проблема, с которой я столкнулся, заключается в том, что в большинстве схем используется более одного типа материала, на самом деле существует множество различных материалов, которые вносят вклад в общий ток.

Это не двусмысленность. Вместо этого это неустановленное традиционное чрезмерное упрощение, как показано ниже.

Замкнутая металлическая цепь может иметь много соединений между различными материалами (например, медные провода, оловянно-свинцовый припой, алюминиевые соединительные провода ИС, стальные винтовые клеммы, боратный электролит в конденсаторах). Даже при нулевом токе каждый материал будет иметь разный потенциал. относительно некоторой точки отсчета. Тем не менее, если все соединения между различными материалами остаются при одной и той же температуре, то результирующая разность потенциалов на всех соединениях в сумме равна нулю по всей цепи. Таким образом, носители заряда, которые совершают путешествие по полной цепи, заканчиваются с тем же потенциалом, с которого они начали.

Затем мы выполняем следующее упрощение: просто предположим, что носители заряда вообще никогда не меняют потенциал!

Видишь, что происходит? Носители заряда могут переходить из меди в жесть и при этом должны изменять энергию. Но затем они переходят от жести к меди в какой-то другой части цепи. Они могут переходить от меди к припою к меди и от стали к белой жести к стали.

При всех этих изменениях потенциала мы просто игнорируем их присутствие, поскольку носители оказываются при том же потенциале, с которого они начинали.

Разумеется, все вышесказанное относится только к соединительным проводам. Внутри различных компонентов (батареи, резисторы, p-n переходы) мы не игнорируем изменения потенциала. Другими словами, мы рассматриваем потенциал pn-перехода диода как реальный, но игнорируем довольно большие потенциалы, расположенные на невыпрямляющих переходах, где медь соединяется с кремнием диода.

И, конечно же, все вышеперечисленное больше не игнорируется, когда присутствуют термопары, термобатареи или генераторы/охладители Пельтье, или когда сигналы постоянного тока в милливольтах/микровольтах значительны.

На языке электротехники все цепи заполнены потенциальными холмами; с паразитными термопарами и переходами нагревателя и охладителя Пельтье. Но традиционно мы заметаем их все под ковер и делаем вид, что вся схема сделана из меди. Когда эта привычка вызывает неожиданные артефакты, традиционно мы используем 4-контактный «зонд Кельвина» для решения проблемы и надеемся, что она исчезнет.

:)

Обычно возникает одна непонятная тема: студенты пытаются измерить абсолютный потенциал спая термопары и обнаруживают, что он всегда равен нулю. Это, конечно, вызвано металлом их щупов вольтметра, которые создают новые соединения на двух проводах термопары. Фактические потенциалы различных проводников цепи в сумме равны нулю, и их невозможно измерить с помощью обычного цифрового мультиметра. Нам понадобится какая-то мельница электростатического поля или другое устройство вольтметра, которое непосредственно обнаруживает электронные поля и не замыкает цепь.

Тем не менее, наши цифровые вольтметры также усиливают вышеупомянутое традиционное упрощение и говорят нам, что эти потенциалы на самом деле равны нулю. Мы делаем вид, что этих потенциалов не существует, и наши измерительные приборы делают вид, что то же самое. Два артефакта, к счастью, компенсируют друг друга, поэтому новички могут вообще никогда с ними не столкнуться, в то время как опытные эксперты могут получить полное представление о том, что происходит в цепях, а затем сохранить это как часть своего «набора трюков», принадлежащих Черным искусствам. средневековая гильдия инженеров-конструкторов!

Неоднозначность понятия потенциала в электрических цепях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v