Напряжение и ток

Как упоминалось ранее, нам нужно нечто большее, чем просто непрерывный путь (т. Так же, как мрамор в трубе или вода в трубе, для инициирования потока требуется некоторая сила воздействия. В случае электронов эта сила - это та же сила, которая действует в статическом электричестве:сила, создаваемая дисбалансом электрического заряда. Если мы возьмем примеры воска и шерсти, которые были натерты друг с другом, мы обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними. Этот дисбаланс проявляется как сила притяжения между двумя объектами:

Если между заряженным воском и шерстью поместить проводящую проволоку, электроны будут проходить через нее, так как некоторые из избыточных электронов в воске устремляются через провод, чтобы вернуться к шерсти, восполняя там недостаток электронов:

Дисбаланс электронов между атомами воска и атомами шерсти создает силу между двумя материалами. Поскольку электроны не могут перетекать от воска к шерсти, все, что может сделать эта сила, - это притягивать два объекта вместе. Однако теперь, когда проводник перекрывает изолирующий зазор, сила заставит электроны течь в однородном направлении через провод, хотя бы на мгновение, пока заряд в этой области не нейтрализуется и сила между воском и шерстью не уменьшится. Электрический заряд, образованный между этими двумя материалами при трении их друг о друга, служит для хранения определенного количества энергии. Эта энергия мало чем отличается от энергии, накопленной в высоком резервуаре с водой, который выкачивается из пруда нижнего уровня:

Влияние силы тяжести на воду в резервуаре создает силу, которая пытается снова опустить воду на более низкий уровень. Если подходящая труба будет проложена от резервуара обратно к пруду, вода под действием силы тяжести потечет вниз из резервуара по трубе:

Для перекачки этой воды из пруда с низким уровнем в резервуар с высоким уровнем требуется энергия, и движение воды по трубопроводу обратно к исходному уровню представляет собой высвобождение энергии, накопленной от предыдущей откачки. Если вода перекачивается на еще более высокий уровень, для этого потребуется еще больше энергии, таким образом, будет сохранено больше энергии, и больше энергии будет высвобождено, если воде позволить снова течь по трубе обратно вниз:

Электроны мало чем отличаются. Если мы протираем воск и шерсть вместе, мы «выкачиваем» электроны с их нормальных «уровней», создавая условия, при которых существует сила между парафином и шерстью, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние положения (и балансировать внутри своего тела). соответствующие атомы). Сила, притягивающая электроны обратно в исходное положение вокруг положительных ядер их атомов, аналогична силе гравитации, действующей на воду в резервуаре, пытаясь вернуть ее к прежнему уровню. Так же, как перекачка воды на более высокий уровень приводит к накоплению энергии, «перекачка» электронов для создания дисбаланса электрического заряда приводит к накоплению определенного количества энергии в этом дисбалансе. И точно так же, как обеспечение возможности для воды стекать обратно с высоты резервуара приводит к высвобождению этой накопленной энергии, предоставление возможности электронам течь обратно к их исходным «уровням» приводит к высвобождению накопленной энергии. Когда носители заряда находятся в статическом состоянии (точно так же, как вода неподвижно сидит высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся в них, называется потенциальной энергией . , потому что у него есть возможность (потенциал) выпуска, которая еще не полностью реализована.

Понятие напряжения

Когда носители заряда находятся в этом статическом состоянии (точно так же, как вода неподвижно сидит высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не полностью реализована. Когда вы терзаете обувь с резиновой подошвой о тканевый ковер в сухой день, вы создаете дисбаланс электрического заряда между вами и ковром. При царапании ногами накапливается энергия в виде дисбаланса зарядов, вытесняемых из их первоначальных мест. Этот заряд (статическое электричество) является стационарным, и вы вообще не заметите, что энергия накапливается. Однако, как только вы положите руку на металлическую дверную ручку (с большой подвижностью электронов для нейтрализации вашего электрического заряда), эта накопленная энергия высвободится в виде внезапного потока заряда через вашу руку, и вы будете воспринимать ее как поражение электрическим током! Эта потенциальная энергия, хранящаяся в виде дисбаланса электрического заряда и способная вызывать прохождение носителей заряда через проводник, может быть выражена термином, называемым напряжением, которое технически является мерой потенциальной энергии на единицу заряда или чего-то, что физик мог бы называют удельной потенциальной энергией.

Определение напряжения

Определяемое в контексте статического электричества, напряжение - это мера работы, необходимой для перемещения единичного заряда из одного места в другое, против силы, которая пытается сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электроэнергии напряжение - это количество доступной потенциальной энергии (работа, которую необходимо выполнить) на единицу заряда для перемещения зарядов по проводнику, поскольку напряжение - это выражение потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал для выделения энергии когда заряд перемещается с одного «уровня» на другой, он всегда находится между двумя точками. Рассмотрим аналогию с водным резервуаром:

Из-за разницы в высоте падения существует вероятность того, что гораздо больше энергии будет высвобождено из резервуара через трубопровод в точку 2, чем в точку 1. Принцип можно интуитивно понять при падении камня:в результате получается больше сильный удар, камень упал с высоты одного фута или тот же камень упал с высоты одной мили? Очевидно, что падение с большей высоты приводит к высвобождению большей энергии (более сильному удару). Мы не можем оценить количество накопленной энергии в водохранилище, просто измерив объем воды, точно так же, как мы не можем предсказать серьезность удара падающей породы, просто зная вес породы:в обоих случаях мы также должны учитывать, как далеко эти массы упадут с их начальной высоты. Количество энергии, высвобождаемой при падении массы, зависит от расстояния между его начальная и конечная точки. Точно так же потенциальная энергия, доступная для перемещения носителей заряда из одной точки в другую, зависит от этих двух точек. Следовательно, напряжение всегда выражается как величина между два очка. Интересно, что аналогия с массой, потенциально «падающей» с одной высоты на другую, является настолько удачной моделью, что напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения . .

Генерирующее напряжение

Напряжение можно генерировать другими способами, кроме трения материалов определенных типов друг о друга. Химические реакции, лучистая энергия и влияние магнетизма на проводники - вот несколько способов, которыми может создаваться напряжение. Соответствующими примерами этих трех источников напряжения являются батареи, солнечные элементы и генераторы (например, «генератор переменного тока» под капотом вашего автомобиля). На данный момент мы не будем вдаваться в подробности того, как работает каждый из этих источников напряжения - более важно то, что мы понимаем, как источники напряжения могут применяться для создания потока заряда в электрической цепи. Давайте возьмем символ химической батареи и шаг за шагом построим схему:

Как работают источники напряжения?

Любой источник напряжения, в том числе аккумуляторы, имеет две точки электрического контакта. В этом случае у нас есть точка 1 и точка 2 на приведенной выше диаграмме. Горизонтальные линии разной длины указывают на то, что это батарея, и дополнительно указывают направление, в котором напряжение этой батареи будет пытаться протолкнуть носители заряда по цепи. Тот факт, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся разделенными (и, следовательно, не могут служить в качестве пути для потока заряда), не вызывает беспокойства:в реальной жизни эти горизонтальные линии представляют собой металлические пластины, погруженные в жидкий или полутвердый материал. который не только проводит заряды, но и генерирует напряжение, чтобы подтолкнуть их, взаимодействуя с пластинами. Обратите внимание на маленькие значки «+» и «-» непосредственно слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батареи всегда является концом с самым коротким тире, а положительный (+) конец батареи всегда является концом с самым длинным тире. Положительный конец батареи - это конец, который пытается вытолкнуть из нее носители заряда (помните, что по традиции мы думаем, что носители заряда заряжены положительно, хотя электроны заряжены отрицательно). Точно так же отрицательный конец - это конец, который пытается привлечь носители заряда. Когда «+» и «-» концы батареи ни к чему не подключены, между этими двумя точками будет напряжение, но не будет потока заряда через батарею, потому что нет непрерывного пути, по которому могут перемещаться носители заряда.

Тот же принцип справедлив и для аналогии с резервуаром для воды и насосом:без возвратной трубы обратно в пруд накопленная энергия в резервуаре не может быть выпущена в виде потока воды. Когда резервуар полностью заполнен, поток не может возникнуть, независимо от того, какое давление может создать насос. Должен быть полный путь (контур) для воды, текущей из пруда в резервуар и обратно в пруд, чтобы иметь место непрерывный поток. Мы можем обеспечить такой путь для батареи, соединив кусок провода от одного конца батареи к другому. Формируя цепь с петлей из проволоки, мы инициируем непрерывный поток заряда по часовой стрелке:

Понимание концепции электрического тока

Пока батарея продолжает вырабатывать напряжение и непрерывность электрического пути не нарушена, носители заряда будут продолжать течь в цепи. Следуя метафоре воды, движущейся по трубе, этот непрерывный, равномерный поток заряда через контур называется током . . Пока источник напряжения продолжает «толкать» в одном направлении, носители заряда будут продолжать двигаться в том же направлении в цепи. Этот однонаправленный поток тока называется постоянным током . , или DC. Во втором томе этой серии книг исследуются электрические цепи, в которых направление тока переключается взад и вперед: Переменный ток , или AC. Но пока мы просто займемся цепями постоянного тока. Поскольку электрический ток состоит из отдельных носителей заряда, текущих в унисон через проводник, перемещаясь и толкая носители заряда впереди, точно так же, как шарики через трубу или вода через трубу, величина потока в одной цепи будет одинаковой. в любой момент. Если бы мы отслеживали поперечное сечение провода в одной цепи, считая протекающие носители заряда, мы бы заметили точно такое же количество в единицу времени, что и в любой другой части цепи, независимо от длины проводника или проводника. диаметр. Если мы нарушим непрерывность цепи в любой момент , электрический ток прекратится во всем контуре, и полное напряжение, создаваемое батареей, будет проявляться в разрыве, между концами проводов, которые раньше были соединены:

Какая полярность падения напряжения?

Обратите внимание на знаки «+» и «-», нарисованные на концах разрыва цепи, и то, как они соответствуют знакам «+» и «-» рядом с выводами аккумулятора. Эти маркеры указывают направление, в котором напряжение пытается протолкнуть ток, это направление потенциала, обычно называемое полярностью . . Помните, что напряжение всегда относительно между двумя точками. Из-за этого факта, полярность падения напряжения также является относительной между двумя точками:будет ли точка в цепи помечена знаком «+» или «-», зависит от другой точки, к которой она относится. Взгляните на следующую схему, где каждый угол петли отмечен номером для справки:

При нарушении целостности цепи между точками 2 и 3 полярность падения напряжения между точками 2 и 3 будет «+» для точки 2 и «-» для точки 3. Полярность батареи (1 «+» и 4 «-» ) пытается протолкнуть ток через петлю по часовой стрелке от 1 к 2 до 3 к 4 и снова обратно к 1. Теперь посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим точки 2 и 3 вместе, но сделаем разрыв цепи между точками 3 и 4:

При разрыве между 3 и 4 полярность падения напряжения между этими двумя точками будет «-» для 4 и «+» для 3. Обратите особое внимание на тот факт, что «знак» точки 3 противоположен знаку в первой. Например, где разрыв был между точками 2 и 3 (где точка 3 была помечена «-»). Мы не можем сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет либо «+», либо «-», потому что полярность, как и само напряжение, не зависит от одной точки, но всегда относительна между двумя точками!

ОБЗОР:

• Носители заряда могут проходить через проводник с помощью той же силы, что проявляется в статическом электричестве.
• Напряжение - это мера удельной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками. С точки зрения непрофессионала, это мера «толчка», позволяющая мотивировать обвинение.
• Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда относительно между двумя местоположениями или точками. Иногда это называют «падением напряжения».
• Когда источник напряжения подключен к цепи, напряжение вызывает равномерный поток носителей заряда через эту цепь, называемый током . .
• В одиночной (однопетлевой) схеме величина тока в любой точке равна величине тока в любой другой точке.
• Если цепь, содержащая источник напряжения, разорвана, полное напряжение этого источника появится в точках разрыва.
• +/- ориентация падения напряжения называется полярностью . . Он также является относительным между двумя точками.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица напряжения, тока и сопротивления