เป็นคำถามแปลก ๆ แต่มันคืออะไร ครูฟิสิกส์ของฉันบอกว่ามันเป็นเหมือน "การผลัก" ที่ผลักอิเล็กตรอนไปรอบ ๆ ฉันขอคำอธิบายที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ไหม? ความช่วยเหลือใด ๆ ที่ชื่นชมมาก
เป็นคำถามแปลก ๆ แต่มันคืออะไร ครูฟิสิกส์ของฉันบอกว่ามันเป็นเหมือน "การผลัก" ที่ผลักอิเล็กตรอนไปรอบ ๆ ฉันขอคำอธิบายที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ไหม? ความช่วยเหลือใด ๆ ที่ชื่นชมมาก
คำตอบ:
คุณครูของคุณพูดถูก
กระแสไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้า (โดยทั่วไปคืออิเลกตรอน) เคลื่อนไหว พวกเขาไม่ได้ทำด้วยตัวเองโดยไม่มีเหตุผลไม่มีอะไรมากไปกว่ารถเข็นช็อปปิ้งที่เคลื่อนผ่านพื้นของร้านค้าด้วยตัวเอง ในฟิสิกส์เราเรียกแรงที่ผลักประจุพลังงานไฟฟ้าหรือ "EMF" มันมักจะแสดงออกเป็นหน่วยโวลต์ดังนั้นเรามักจะใช้ทางลัดเล็กน้อยและพูดว่า "แรงดัน" เป็นส่วนใหญ่ ในทางเทคนิค EMF คือปริมาณทางกายภาพและโวลต์เป็นหนึ่งหน่วยที่สามารถหาปริมาณได้
EMF สามารถสร้างได้หลายวิธี:
เอฟเฟกต์นี้สามารถปรับขนาดให้สูงขึ้นเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันและเป็นพื้นฐานสำหรับการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า Van de Graaff
แรงดันไฟฟ้ารวมที่คุณได้รับจากด้านหลังและด้านหลังถึงแม้จะมีความแตกต่างของอุณหภูมิสูง แต่ก็ค่อนข้างเล็ก ด้วยการรวมกันหลาย ๆ อย่างเข้าด้วยกันคุณจะได้รับแรงดันไฟฟ้าที่มีประโยชน์ เดี่ยวและกลับเรียกว่าเทอร์โมคัปเปิลและสามารถใช้ในการรับรู้อุณหภูมิ หลายตัวรวมกันเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมคับเปิล ใช่มันมีอยู่จริง มียานอวกาศขับเคลื่อนบนหลักการนี้ด้วยแหล่งความร้อนที่มาจากการสลายตัวของไอโซโทปวิทยุ
หลอดอิเล็กตรอนใช้หลักการนี้ในส่วนที่ แทนที่จะให้ความร้อนบางอย่างเพื่อให้อิเล็กตรอนลอยไปด้วยตัวเองคุณสามารถทำให้ร้อนถึงจุดนั้นเพื่อให้พวกมันบินไปเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มเล็กน้อย นี่คือพื้นฐานของไดโอดหลอดสุญญากาศและสำคัญกับหลอดสุญญากาศส่วนใหญ่ นี่คือสาเหตุที่หลอดเหล่านี้มีตัวทำความร้อนและคุณสามารถเห็นพวกมันเรืองแสงได้ ต้องใช้อุณหภูมิที่เร่าร้อนเพื่อไปยังจุดที่มีผลกระทบทางความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ
หลักการนี้ยังใช้ในการจุดไฟย่างบาร์บีคิวจำนวนมาก กลไกสปริงดึงผลึกควอทซ์ค่อนข้างแข็งเพื่อให้มีแรงดันเพียงพอที่จะทำให้เกิดประกายไฟ
การใช้ของไหลแบบแอนะล็อกแรงดันคือความดันกระแสคืออัตราการไหล
"แรงดันไฟฟ้า" เป็นปริมาณที่ได้รับ มันยากที่จะเข้าใจความหมายทางกายภาพของมันโดยไม่เข้าใจปริมาณที่ได้มา
ทุกอย่างเริ่มต้นด้วยแรงระหว่างประจุสองจุด ให้ค่าใช้จ่ายของจุดและจะและ q_2ให้ระยะห่างระหว่างพวกเขาจะเป็นRทฤษฎีพื้นฐานบอกว่าแรงระหว่างประจุทั้งสองนี้จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณประจุและสัดส่วนแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุ นั่นคือ:
ให้สถานที่และค่าใช้จ่ายของได้รับการแก้ไข ตอนนี้มีผลบังคับใช้จะขึ้นอยู่กับสถานที่และค่าใช้จ่ายของP_2ดังนั้นเราจึงกำหนดเขตเวกเตอร์ที่เรียกว่า "สนามไฟฟ้าสถิต" ทิศทางของสนามเวกเตอร์จะเหมือนกันกับทิศทางของสนามของแรงระหว่างถึงเมื่อเป็นหน่วยประจุบวก และขนาดของสนามคือแรงต่อประจุเมื่อเป็นประจุบวกหน่วย นั่นคือ:
เราใช้วิธีเป็นศูนย์เพื่อละเลยผลแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ อย่าปล่อยให้มันสับสนคุณมาก มันเป็นเหมือน "ออร่าที่สามารถสร้างแรงได้ต่อประจุไฟฟ้า" ทิศทางของมันจะเหมือนกันกับทิศทางของแรงที่สร้างขึ้นและขนาดของมันจะแปรผันตามขนาดของแรง
ตอนนี้เรามาเพื่อดูว่าปริมาณเหล่านี้ที่เรากำหนดนั้นคล้ายกับปริมาณทางกายภาพอื่น ๆ ที่เรารู้ ตัวอย่างเช่นแรงด้านบนนั้นคล้ายกับแรงระหว่างโลกกับวัตถุอวกาศอย่างดวงจันทร์ และฟิลด์นั้นคล้ายกับสนามโน้มถ่วงของโลกมาก
จากนั้นความคิดในการนิยามศักย์ไฟฟ้าเกิดขึ้นซึ่งคล้ายกับศักยภาพของวัตถุอวกาศที่เกี่ยวกับโลก ศักยภาพของจุดหนึ่งในอวกาศรอบโลกคือพลังงานต่อหน่วยมวลเพื่อนำวัตถุ (ซึ่งมีหน่วยมวล) จากอนันต์มาถึงจุดนั้น เมื่อเรากำหนดใน Electrostatics ศักยภาพของจุดจะกลายเป็น:
จากนั้นความแตกต่างที่เป็นไปได้ระหว่างสองจุดอิสระ (และ ) ในช่องว่างภายในฟิลด์ (เกิดจาก ) คือ:
โปรดสังเกตว่าสนามไฟฟ้าปราศจากขดซึ่งหมายความว่ามันสามารถแสดงเป็นลาดของสนามเซนต์คิตส์และเนวิส ( ) อินทิกรัลบรรทัดเหล่านี้ไม่ขึ้นกับเส้นทาง
นี่คือนิยามของสนามที่มีศักยภาพ จุดหนึ่งจะมีศักยภาพเสมอแม้ว่าจะไม่มีประจุก็ตาม คิดว่ามันเป็น "พลังงานที่จำเป็นในการนำหน่วยประจุไปที่นั่นจากอนันต์" ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างสองจุดนั้นคล้ายคลึงกัน มันเป็นพลังงานที่จำเป็นต่อการชาร์จประจุหน่วยจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง หรือคิดว่ามันเป็นตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมมากขึ้นเช่นสำหรับวัตถุท้องฟ้า ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างความสูง 100 กม. และความสูง 200km เหนือพื้นผิวโลกนั้นไม่ได้เป็นอะไรนอกจากความแตกต่างของพลังงานที่อาจเกิดขึ้นระหว่างวัตถุ 1 กิโลกรัมสองตัวที่ความสูงที่กำหนด
เมื่อเราเข้าสู่โลกแห่งความเป็นจริงศักยภาพของจุดหนึ่งคือศักยภาพส่วนบุคคลบางอย่างที่เกิดจากข้อกล่าวหารอบ ๆ (ใช้ทฤษฎีการซ้อนทับ)
แรงดันไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นเมื่อใดก็ตามที่มีความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้า (เช่นอิเล็กตรอน) เนื่องจากประจุเหมือนกันผลักกันและประจุตรงข้ามดึงดูดการสะสมของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงกันบ้าง หากมีความไม่สมดุลของค่าลบเป็นค่าบวกจะมี "ความดัน" หรือ "ความดัน" เกิดขึ้น ในการนำวัสดุอิเล็กตรอนมีอิสระที่จะไหลผ่านวัสดุเมื่อเทียบกับการแก้ไขในอะตอมและจะไหลไปยังจุดที่ "แรงดัน" น้อยที่สุด
ข้อควรพิจารณาที่ซับซ้อนบางประการ:
คำจำกัดความที่ฉันได้ยินคือ:
แรงดันไฟฟ้ามีศักยภาพ (สำหรับชาร์จ) เพื่อทำงาน
กล่าวอีกนัยหนึ่งแรงดันคือพลังงานที่ให้แก่หน่วยประจุเช่นโดยที่คือพลังงานและมีประจุ EQ
คำตอบที่รวดเร็วกฎข้อแรกของหัวแม่มือ: แรงดันคือแรงดันไฟฟ้า
แต่การขยายตัวที่: แรงดันไม่เหมือนความดันไม่แน่นอน แต่เป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ / ฟิสิกส์ที่เรียกว่า "ศักย์" แรงดันไฟฟ้าเป็นเหมือนความสูงในสนามแรงโน้มถ่วงซึ่งอิเล็กตรอนหรือโปรตอนแต่ละก้อนมีลักษณะเหมือนก้อนหิน ระดับความสูงไม่ใช่ความดันหรือน้ำหนักหรือแรง หากก้อนหินอยู่บนยอดเนินเขาก้อนหินในตำแหน่งที่มีศักยภาพสูง ซึ่งหมายความว่าก้อนหินกำลังเก็บพลังงานที่อาจเกิดขึ้น (PE) และจะปล่อยพลังงานนี้เป็นพลังงานจลน์ (KE) หากปล่อยให้เคลื่อนที่ลงเนิน (ย้ายไปยังตำแหน่งที่มีศักยภาพต่ำ) ยกขึ้นเป็นแรงดันเดียวกัน (ระดับความสูง) ก้อนหินขนาดใหญ่ จะมี PE สูงกว่า
แม่นยำยิ่งขึ้น: แรงดันไฟฟ้าเป็นศักย์ไฟฟ้า มันไม่ได้บังคับ (มันไม่เหมือนแรงลงหรือน้ำหนักของก้อนหินและไม่เหมือนกับปริมาณของแรงต่อประจุไฟฟ้าในสนามไฟฟ้า) นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าไม่ใช่พลังงานศักย์เนื่องจากถ้าเราเอาก้อนหินออกไป จากนั้นแรงโน้มถ่วงความสูงและศักยภาพยังคงมีอยู่ ศักยภาพเป็นส่วนหนึ่งของสนามเอง รูปแบบของแรงดันไฟฟ้าสามารถแขวนในพื้นที่ว่างเปล่า
แรงดันไฟฟ้าเป็นวิธีการอธิบาย / แสดงผล / วัดสนามไฟฟ้า
เพื่ออธิบาย e-fields เราสามารถวาดเส้นฟลักซ์ระหว่างประจุไฟฟ้าตรงข้าม หรือเราสามารถวาดรูปแบบของแรงดันไฟฟ้า, พื้นผิว iso-potential, วาดพวกมันตั้งฉากกับเส้นฟลักซ์ ไม่ว่าเราจะเจอเส้นแรงไฟฟ้าที่ไหนเราก็จะหาแรงดัน
แรงดันไฟฟ้าคืออะไร ความเข้าใจผิดทั่วไปคืออะไร นี่เป็นเรื่องใหญ่: "แรงดันไฟฟ้าเป็นพลังงานที่มีศักยภาพ" ไม่ผิด แต่แรงดันไฟฟ้าเป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ "ศักยภาพ" ซึ่งไม่ใช่พลังงานและพวกเขา "มีศักยภาพที่จะทำอะไรบางอย่าง" นี่คือความเข้าใจผิดอื่น: "แรงดันไฟฟ้าเป็นพลังงานศักย์ต่อการชาร์จหนึ่งหน่วย" ไม่ผิด นั่นเป็นเพียงนิยามทางฟิสิกส์ของหน่วยโวลต์เชื่อมโยงกับหน่วย Joule และ Coulomb อันที่จริงมันไปทางอื่น: ปริมาณพลังงาน (จำนวนงานที่ทำในการเคลื่อนย้ายประจุข้ามความต่างศักย์ไฟฟ้า) นั้นพบได้โดยการคูณประจุด้วยการเปลี่ยนแรงดัน! พลังงานไฟฟ้าถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้า! แต่แรงดันเองนั้นไม่ต้องการประจุที่เคลื่อนที่หรือเก็บพลังงานที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเป็นวิธีการอธิบายสนามในพื้นที่ว่างเปล่า ค่าใช้จ่ายในการทดสอบที่ใช้อธิบายแรงดันไฟฟ้าเป็นค่าใช้จ่ายเล็กน้อยที่สุดในจินตนาการ ข้อผิดพลาดอื่น: "แรงดันไฟฟ้าปรากฏบนพื้นผิวของสายไฟ" ผิดแรงดันไฟฟ้าจริงขยายเข้าไปในช่องว่างรอบสาย ครึ่งทางระหว่างขั้วแบตเตอรี่ 9V ของคุณคุณจะพบว่ามีศักยภาพ 4.5V อยู่คนเดียวในพื้นที่ว่าง! แต่โวลต์มิเตอร์ทั่วไปจะไม่ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าในอวกาศเนื่องจากต้องใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีอนันต์ Z (inp) หรืออย่างน้อยสองร้อยกิกะบิต แรงดันไฟฟ้า 10Meg DMM ปกติจะดึงกระแสไฟออกมาอย่างมีนัยสำคัญจะลัดวงจร e-field ใด ๆ ที่บริสุทธิ์ดังนั้นพวกเขาจะต้องสัมผัสกับพื้นผิวตัวนำเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า จะพบศักยภาพ 4.5V แขวนอยู่คนเดียวในพื้นที่ว่าง! แต่โวลต์มิเตอร์ทั่วไปจะไม่ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าในอวกาศเนื่องจากต้องใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีอนันต์ Z (inp) หรืออย่างน้อยสองร้อยกิกะบิต แรงดันไฟฟ้า 10Meg DMM ปกติจะดึงกระแสไฟออกมาอย่างมีนัยสำคัญจะลัดวงจร e-field ใด ๆ ที่บริสุทธิ์ดังนั้นพวกเขาจะต้องสัมผัสกับพื้นผิวตัวนำเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า จะพบศักยภาพ 4.5V แขวนอยู่คนเดียวในพื้นที่ว่าง! แต่โวลต์มิเตอร์ทั่วไปจะไม่ตรวจจับแรงดันไฟฟ้าในอวกาศเนื่องจากต้องใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีอนันต์ Z (inp) หรืออย่างน้อยสองร้อยกิกะบิต แรงดันไฟฟ้า 10Meg DMM ปกติจะดึงกระแสไฟออกมาอย่างมีนัยสำคัญจะลัดวงจร e-field ใด ๆ ที่บริสุทธิ์ดังนั้นพวกเขาจะต้องสัมผัสกับพื้นผิวตัวนำเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า
แรงดันไฟฟ้าคืออะไร? มันเป็นแผ่นเยื่อที่มองไม่เห็นซึ่งเติมเต็มช่องว่างระหว่างแผ่นประจุประจุ แรงดันไฟฟ้าเป็นรูปแบบของศูนย์กลางหัวหอม - เลเยอร์ซึ่งล้อมรอบวัตถุใด ๆ ที่มีประจุด้วยเลเยอร์หัวหอมทำงานในแนวตั้งฉากกับเส้นฟลักซ์ของสนามไฟฟ้า ดังนั้น'กองแรงดันไฟฟ้า - ชั้น'จึงเป็นวิธีหนึ่งในการอธิบายสนามไฟฟ้า อีกวิธีที่คุ้นเคยมากขึ้นคือใช้ 'เส้นแรง'
ที่จริงแล้วเราทำไม่ได้
แรงไฟฟ้าสถิตนั้นเป็นสัดส่วนกับการไล่ระดับสีที่อาจเกิดขึ้น แต่ไม่ตรงกับศักยภาพ แรงหนึ่งประจุคูลอมบ์เป็นสัดส่วนกับการไล่ระดับสีที่อาจเกิดขึ้น:
ที่จริงแล้ว 1 V หมายถึงถ้าคุณมีพลังงานไฟฟ้า 1 จูลก็จะถูกถ่ายโอนไปเป็นพลังงานเชิงกลที่ประจุ +1 คูลอมบ์ [ดังนั้นมันจะเร่งหรือเพิ่ม 1 / 2mV ^ 2 คูณ 1 J] มันคล้ายกับพลังงานจริงๆ
เพิ่มสิ่งที่ Gunnish กล่าวว่า:
แรงดันไฟฟ้าที่จุด A เป็นการวัดงานที่คุณจะใช้จ่ายหากคุณต้องผลักประจุบวกจาก 0V (โดยปกติแล้วจะนิยามว่าห่างไกลจาก A หรือพื้นดิน) ไปที่ A
แรงดันไฟฟ้ามีความสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพราะถ้าเราเริ่มต้นด้วยประจุบวก ณ จุด A มันจะสามารถทำงานที่ปริมาณเท่ากับ 0V (เช่นการเปิดไฟ LED ในกระบวนการ)
สิ่งที่ผลักดันให้การเลือกตั้งมีความแตกต่างในพลังงานศักย์เช่นเดียวกับที่คุณถูกผลัก / ดึงลงสู่พื้นดินโดยแรงโน้มถ่วง สิ่งนี้สร้างสิ่งที่น่าจะเป็นไปได้สำหรับอิเล็กตรอนที่จะเคลื่อนตัวไปทางอื่นนี่เป็นส่วนหนึ่งที่อธิบายได้ว่าทำไมอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ "แบบสุ่ม" ในสาย