Что такое напряжение?

Ваш учитель был прав.

Ток — это движущиеся электрические заряды (обычно электроны). Они не делают этого сами по себе без причины, точно так же, как тележка для покупок сама по себе не движется по магазину. В физике мы называем силу, толкающую заряды, электродвижущей силой, или «ЭДС». Оно почти всегда выражается в единицах вольт, поэтому мы обычно используем небольшой ярлык и большую часть времени говорим «напряжение». Технически ЭДС — это физическая величина, а вольт — это единица измерения, в которой она может быть выражена.

ЭДС можно получить несколькими способами:

1. Электромагнитный. Когда проводник (например, провод) перемещается вбок через магнитное поле, по длине провода возникает напряжение. По этому принципу работают электрические генераторы, как на электростанциях, и генератор переменного тока в вашем автомобиле.

2. Электрохим. Химическая реакция может вызвать разницу в напряжении. По этому принципу работают аккумуляторы.

3. Фотогальванический. Вбейте фотоны в полупроводниковый диод в нужном месте, и вы получите напряжение. Так работают солнечные батареи.

4. Электростатический. Потрите два подходящих материала друг о друга, и один отдаст электроны другому. Два материала, которые хорошо демонстрируют это явление, - это пластиковая расческа и кошка. Вот что происходит, когда вы шаркаете по правильному ковру, а затем получаете разряд, когда касаетесь металлического предмета. Это можно сделать, потирая воздушный шар о рубашку, что позволяет воздушному шару «прилипнуть» к чему-то другому. В этом случае ЭДС не может заставить электроны двигаться, но все же притягивает их, которые, в свою очередь, притягивают воздушный шар, на котором они застряли.

   Этот эффект можно масштабировать, чтобы изменять высокое напряжение, и он является основой работы генераторов Ван де Граафа .

5. Термоэлектрический. Градиент температуры вдоль большинства проводников вызывает напряжение. Это называется эффектом Зибека . К сожалению, вы не можете использовать это, потому что для использования этого напряжения в конечном итоге возникает замкнутый контур. Любое напряжение, полученное за счет повышения температуры в одной части контура, компенсируется снижением температуры в другой части контура. Хитрость заключается в использовании двух разных материалов, которые демонстрируют разное напряжение в результате одного и того же температурного градиента (разный коэффициент Зибека). Используйте один материал, выходящий к источнику тепла, и другой, возвращающийся обратно, и вы получите чистое напряжение, которое можно использовать при той же температуре.

   Общее напряжение, которое вы получаете от одного выхода и обратно, даже при большой разнице температур, довольно мало. Соединяя вместе многие из этих комбинаций выхода и возврата, вы можете получить полезное напряжение. Один выход и задняя часть называются термопарой и могут использоваться для измерения температуры. Многие вместе представляют собой генератор термопар. Да, такие на самом деле существуют. На этом принципе были созданы космические аппараты с источником тепла, исходящим от распада радиоизотопа.

6. Термоэмиссионный . Если нагреть что-то достаточно сильно (сотни градусов Цельсия), то электроны на его поверхности движутся так быстро, что иногда отлетают. Если у них есть более холодное место для посадки (чтобы они оттуда снова не улетели), у вас есть термоэмиссионный генератор. Это может показаться надуманным, но были также космические аппараты, работающие на этом принципе, и источником тепла снова был радиоизотопный распад.

   Электронные лампы частично используют этот принцип. Вместо того, чтобы нагревать что-то так, чтобы электроны улетали сами по себе, вы можете нагреть это почти до такой точки, чтобы они улетели при приложении небольшого дополнительного напряжения. Это основа лампового диода и важно для большинства электронных ламп. Вот почему у этих трубок были нагреватели, и вы могли видеть, как они светятся. Чтобы добраться до того места, где термоэмиссионный эффект значителен, нужны светящиеся температуры.

7. Пьезоэлектрический. Некоторые материалы (например, кварцевый кристалл) генерируют напряжение, когда вы сжимаете их. Некоторые микрофоны работают по этому принципу. Волны переменного давления в воздухе, которые мы называем звуком, попеременно сжимают и сдавливают кристалл кварца, что в результате заставляет его создавать крошечные волны напряжения. Мы можем усиливать их, чтобы в конечном итоге создавать сигналы, которые вы можете записывать, управлять громкоговорителями, чтобы вы могли их слышать, и т. д.

   Этот принцип также используется во многих запальниках для барбекю. Пружинный механизм довольно сильно ударяет по кристаллу кварца, создавая достаточное напряжение, чтобы вызвать искру.

Используя аналогию с жидкостью, напряжение - это давление, ток - скорость потока.

«Напряжение» является производной величиной. Трудно понять его физический смысл, не понимая величин, из которых он получен.

Все начинается с силы между двумя точечными зарядами. Пусть заряды точек$P_1$и$P_2$быть$q_1$и$q_2$. Пусть расстояние между ними будет$r$. Основная теорема гласит, что сила между этими двумя зарядами пропорциональна количеству зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Это:

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

Пусть расположение и заряд$P_1$быть исправлено. Теперь сила зависит от местоположения и заряда$P_2$. Итак, мы определяем векторное поле под названием «Электростатическое поле». Направление векторного поля совпадает с направлением поля силы между$P_1$и$P_2$когда$q_2$положительный единичный заряд. А величина поля - это сила, приходящаяся на заряд$q_1$когда$q_2$– единичный положительный заряд. Это:

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Мы делаем$q_1$приближение к нулю, чтобы пренебречь некоторыми другими электромагнитными эффектами; пусть это не сбивает вас с толку. Это что-то вроде «ауры, способной генерировать некоторую силу на единицу электрического заряда». Его направление совпадает с направлением создаваемой им силы, а его величина пропорциональна величине силы.

Теперь мы видим, что эти определенные нами величины очень похожи на некоторые другие известные нам физические величины. Например, приведенная выше сила очень похожа на силу между Землей и космическим объектом, таким как Луна. И$\bar{E}$поле очень похоже на гравитационное поле Земли.

Тогда возникает идея определения электрического потенциала, аналогичного потенциалу космического объекта относительно Земли. Потенциал точки в пространстве вокруг Земли — это энергия на единицу массы, необходимая для перемещения объекта (имеющего единичную массу) из бесконечности в эту точку. Когда мы определяем его в электростатике, потенциал точки$P_2$становится:

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Тогда разность потенциалов между двумя независимыми точками ($P_2$и$P_3$) в пространстве внутри$\bar{E}$поле (вызванное$q_1$) является:

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Обратите внимание, что электрическое поле не имеет завихрений, а это означает, что его всегда можно представить в виде градиента скалярного поля ($\bar{E} = - \bar{\nabla} V$). Эти линейные интегралы не зависят от пути.

Итак, это определение потенциального поля. Точка всегда будет иметь потенциал, даже если на ней нет заряда. Думайте об этом как об «энергии, необходимой для переноса единичного заряда туда из бесконечности». Потенциальная разница между двумя точками аналогична; это энергия, необходимая для переноса единичного заряда из одной точки в другую. Или подумайте об этом на более конкретном примере, например, для небесных тел. Разность потенциалов между высотой 100 км и высотой 200 км над поверхностью Земли есть не что иное, как разность потенциальных энергий между двумя объектами массой 1 кг на заданных высотах.

Когда мы приходим в реальный мир, потенциал точки — это один из всех индивидуальных потенциалов, вызванных окружающими зарядами (применяется теория суперпозиции).

Напряжение появляется всякий раз, когда возникает дисбаланс электрического заряда (т.е. электронов). Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, любое скопление электрически заряженных частиц создает некоторую силу друг на друга. При нарушении баланса отрицательного к положительному формируется своего рода «давление» или «толчок». В проводящих материалах электроны могут свободно проходить через материал, а не закрепляться в атомах, и поэтому будут течь к точке наименьшего «давления».

Некоторые усложняющие соображения:

• Электричество и химия тесно связаны. В батарее, например, химический дисбаланс создает электрический дисбаланс (напряжение) на клеммах, заставляя заряженные частицы смещаться в одну сторону. Химия также влияет на электрические условия другими способами.
• Ток (I) — это поток электронов, однако электроны (поскольку они отрицательные) текут в направлении, противоположном «току». Тогда ток представляет собой концептуальный поток положительного заряда, хотя фактический поток отрицательный, но в другом направлении. Это демонстрирует, что отрицательный «толчок» — это то же самое, что и положительный «вытягивание».

Я слышал определение:

Напряжение — это потенциал (для заряда) для совершения работы.

Другими словами, напряжение — это энергия, сообщаемая единице заряда, т. е.$V = {dE \over dQ}$, куда$E$это энергия и$Q$является зарядом.

Быстрый, первое приближение, эмпирический ответ: напряжение - это электрическое давление.

Но расширяя это: напряжение не похоже на давление, не совсем так. Вместо этого это математическое/физическое понятие, называемое «потенциалами». Напряжение больше похоже на высоту в гравитационном поле, где каждый электрон или протон подобен валуну. Высота — это не давление, вес или сила. Если валун находится на вершине холма, то валун находится в месте с высоким потенциалом. Это означает, что валун накапливает потенциальную энергию (PE) и высвобождает эту энергию в виде кинетической энергии (KE), если ему разрешено двигаться вниз по склону (перемещаться в место с низким потенциалом). будет иметь более высокий PE.

Точнее: напряжение – это электрический потенциал. Это не сила (это не то же самое, что прижимная сила или вес валуна, равно как и количество силы, действующей на электрический заряд в электрическом поле). Также напряжение не является потенциальной энергией, поскольку, если мы уберем валун, тогда гравитация, высота и потенциал все еще существуют. Потенциалы являются частью самого поля. Образцы напряжения могут висеть на пустом месте.

Напряжение — это способ описания/визуализации/измерения электрических полей.

Чтобы описать электронные поля, мы можем провести линии потока между противоположными электрическими зарядами. Или вместо этого мы можем нарисовать образец напряжения, изопотенциальные поверхности, нарисовав их перпендикулярно линиям потока. Где бы мы ни обнаружили электрические силовые линии, мы также найдем напряжение.

Чем не напряжение?Каковы типичные заблуждения? Вот большое: «Напряжение — это своего рода потенциальная энергия». Нет, неправильно. Вместо этого напряжение — это математическое понятие «Потенциалы», которые не являются ни энергией, ни «возможностью что-то сделать». Вот еще одно заблуждение: «напряжение — это потенциальная энергия на единицу заряда». Нет, неправильно. Это просто физическое определение единицы Вольт, связывающее ее с единицами Джоуля и Кулона. На самом деле все идет другим путем: количество энергии (количество работы, выполненной при перемещении заряда через определенную разность напряжений) находится путем умножения заряда на изменение напряжения! Электрическая энергия определяется напряжением! Но само напряжение не нуждается ни в движущемся заряде, ни в накопленной потенциальной энергии, поскольку напряжение — это способ описать поле в пустом пространстве. Пробные заряды, используемые для описания напряжения, представляют собой воображаемые бесконечно малые заряды. Еще одно заблуждение: «на поверхности проводов появляется напряжение». Неправильно, напряжение на самом деле распространяется в пространство вокруг проводов. На полпути между клеммами вашей батареи 9 В вы найдете потенциал 4,5 В, висящий в одиночестве в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут обнаруживать пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, с несколькими сотнями гигаом. Обычные 10-мегапиксельные вольтметры DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому для измерения напряжения их необходимо прикасаться к поверхностям проводников. Потенциал 5В, висит одиноко в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут обнаруживать пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, с несколькими сотнями гигаом. Обычные 10-мегапиксельные вольтметры DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому для измерения напряжения их необходимо прикасаться к поверхностям проводников. Потенциал 5В, висит одиноко в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут обнаруживать пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, с несколькими сотнями гигаом. Обычные 10-мегапиксельные вольтметры DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому для измерения напряжения их необходимо прикасаться к поверхностям проводников.

Что такое напряжение? Это стопка невидимых мембран, которые заполняют пространство между пластинами заряженного конденсатора. Напряжение — это структура концентрических луковичных слоев, окружающих любой заряженный объект, при этом луковичные слои проходят перпендикулярно линиям потока электрического поля. Таким образом, «стеки слоев напряжения» — это один из способов описания электрического поля. Другой более знакомый способ — использовать «силовые линии».

На самом деле мы не можем.

Электростатическая сила пропорциональна градиенту потенциала, но не прямо пропорциональна потенциалу. Сила на один кулон заряда пропорциональна градиенту потенциала:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

На самом деле, 1 В означает, что если у вас есть 1 джоуль электрической энергии, она будет преобразована в механическую энергию при заряде +1 кулон [поэтому он ускорится или увеличит свои 1/2 мВ ^ 2 на 1 Дж]. На самом деле это аналог энергии.

Добавляя к тому, что сказал Ганниш:

Напряжение в точке А — это буквально измерение работы, которую вы должны были бы затратить, если бы вы подтолкнули положительный заряд от 0 В (обычно либо определяемый как бесконечно далекий от А, либо заземленный) до А.

Напряжение важно в электронике, потому что, если мы начнем с положительного заряда в точке A, он сможет выполнить ту же работу, что и до 0 В (например, включить светодиод в процессе).

То, что подталкивает к выборам, — это разница в потенциальной энергии, очень похожая на то, как вас толкает/притягивает к земле гравитация. Это создает благоприятную возможность для электронов двигаться в одну сторону по другой, это также частично объясняет, почему электроны движутся «хаотично» в проводе.