Gerilim tam olarak nedir?

Garip bir soru biraz, ama nedir? Fizik öğretmenim, elektronları devre etrafına iten bir "itme" gibi olduğunu söyledi. Daha karmaşık bir açıklama yapabilir miyim? Herhangi bir yardım çok takdir edilmektedir.

Öğretmenin haklıydı.

Akım elektrik yükleri (genellikle elektronlar) hareket ediyor. Bunu bir sebep olmadan kendileri yapmazlar, bir alışveriş sepetinin bir mağazanın katında tek başına hareket etmesinden başka bir şey yapmaz. Fizikte, itici kuvveti elektromotor kuvveti veya "EMF" olarak adlandırıyoruz. Neredeyse her zaman volt cinsinden ifade edilir, bu yüzden genellikle küçük kısayollar kullanırız ve çoğu zaman "voltaj" deriz. Teknik olarak EMF, fiziksel miktardır ve volt, ölçülebildiği bir birimdir.

EMF birkaç yolla üretilebilir:

1. Elektromanyetik. Bir iletken (bir tel gibi) manyetik alan boyunca yana doğru hareket ettirildiğinde, telin uzunluğu boyunca üretilen bir voltaj olacaktır. Santrallerdeki elektrik jeneratörleri ve arabanızdaki alternatör bu prensip üzerinde çalışır.

2. Elektrokimyasal. Kimyasal bir reaksiyon voltaj farkına neden olabilir. Aküler bu prensipte çalışır.

3. Fotovoltaik. Fotonları yarı iletken diyotun içine doğru yerde çarparak voltaj elde edersiniz. Güneş pilleri böyle işler.

4. Elektrostatik. Doğru malzeme türünden ikisini birbirine sürtün, biri elektronu diğerine tuttu. Bu olayı iyi gösteren iki malzeme plastik bir tarak ve bir kedektir. Doğru halı türünü karıştırdığınızda ve metal bir nesneye dokunduğunuzda bir zap aldığınızda olan budur. Gömleğinize bir balon sürtünme işlemi yapar, bu da balonun başka bir şeye "yapışmasını" sağlar. Bu durumda, EMF elektronların hareket etmesini sağlayamaz, ama yine de onları çeker, sonra da balonun üzerine tutulur.

   Bu etki, yüksek gerilimleri çeşitlendirmek için arttırılabilir ve Van de Graaff jeneratörlerinin nasıl çalıştığının temelini oluşturur .

5. Termoelektrik. Çoğu iletken boyunca sıcaklık gradyanı bir voltaja neden olur. Buna Siebeck etkisi denir . Maalesef, bu gerilimi kullanmak için sonunda kapalı bir döngü olduğu için bunu kullanamazsınız. Döngünün bir kısmındaki sıcaklık yükselmesiyle kazanılan herhangi bir voltaj, döngünün başka bir kısmındaki bir sıcaklık düşüşü ile dengelenir. İşin püf noktası, aynı sıcaklık değişim derecesinin (farklı Siebeck katsayısı) sonucu farklı voltaj gösteren iki farklı malzeme kullanmaktır. Bir ısı kaynağına giden bir malzeme ve farklı bir geri dönüş kullanın ve aynı sıcaklıkta kullanabileceğiniz net bir voltaj elde edin.

   Yüksek sıcaklık farklarında bile birinden ve birinden aldığınız toplam voltaj oldukça küçük. Bunların birçoğunu geri ve geri kombinasyonlarını bir araya getirerek, yararlı bir voltaj elde edebilirsiniz. Tek bir çıkış ve arka termokupl ve sıcaklığı algılamak için kullanılabilir. Birçoğu birlikte bir termokupl üretecidir. Evet, bunlar gerçekten var. Radyo-izotopun çürümesinden gelen ısı kaynağı ile bu prensipte çalışan uzay aracı var.

6. Termiyonik . Yeterince yüksek bir şeyi (100 ° C) ısıtırsanız, yüzeyindeki elektronlar o kadar hızlı hareket eder ki bazen uçarlar. Eğer daha soğuk olan bir yere sahiplerse (oradan tekrar uçamayacaklarsa), termiyonik bir jeneratörünüz var. Bu çok zorlanmış görünebilir, ancak ısı kaynağının tekrar radyo-izotop çürümesi ile bu prensipten güç alan bir uzay aracı da vardır.

   Elektron tüpleri bu prensibi kısmen kullanır. Bir şeyi ısıtmak yerine elektronların kendiliğinden uçmasını sağlamak için, biraz fazla voltaj uygulandığında uçmaları için neredeyse o noktaya kadar ısıtabilirsiniz. Bu, vakum tüpü diyotunun temelidir ve çoğu vakum tüpü için önemlidir. Bu yüzden bu tüplerin ısıtıcıları vardı ve onların parladığını görebiliyordunuz. Termiyonik etkinin önemli olduğu noktalara ulaşmak için parlayan sıcaklıklar gerekir.

7. Piezo-elektrik. Bazı malzemeler (örneğin kuvars kristali) sıktığınızda bir gerilim oluşturur. Bazı mikrofonlar bu ilke üzerinde çalışır. Havadaki değişken basınç dalgalarına ses kıvılcım diyoruz ve dönüşümlü olarak bir kuvars kristalini eziyoruz, bu da sonuçta minik voltaj dalgaları oluşturmasına neden oluyor. Sonunda kaydedebileceğiniz sinyalleri alacak, hoparlörleri çalıştırabilen, böylece onları duyabileceğiniz vs.

   Bu prensip birçok barbekü ızgarası ateşleyicisinde de kullanılır. Bir yay mekanizması bir kuvars kristalini oldukça sert şekilde sıkar, böylece kıvılcım çıkaracak kadar voltaj sağlar.

Bir sıvı analojisi kullanarak, Gerilim basınç, Akım Akış hızıdır.

"Gerilim" türetilmiş bir miktardır. Fiziksel anlamını, türetildiği miktarları anlamadan anlamak zor.

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

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

$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

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

$q_1$

$\bar{E}$

$P_2$

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

$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

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

$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Yani, bu potansiyel alanın tanımıdır. Bir puan üzerinde hiçbir ücret olmasa bile her zaman bir potansiyele sahip olacaktır. "Oraya sonsuzluktan birim yük getirmesi için gereken enerji" olarak düşünün. İki nokta arasındaki potansiyel fark benzerdir; Birim yükü bir noktadan diğerine taşımak için gereken enerjidir. Ya da gök cisimleri gibi daha somut bir örnek üzerinde düşünün. Dünya yüzeyinden 100km yükseklik ile 200km yükseklik arasındaki potansiyel fark, belirtilen yükseklikte iki 1 kg nesne arasındaki potansiyel enerji farklarından başka bir şey değildir.

Gerçek dünyaya geldiğimizde, bir noktanın potansiyeli, etrafındaki suçlamaların neden olduğu tüm bireysel potansiyellerden bazılarıdır (süperpozisyon teorisi uygulanır).

Elektrik yükü dengesizliği olduğunda (yani elektronlar) bir voltaj ortaya çıkar. Benzeri yüklerin itilmesi ve karşıt yüklerin çekmesi nedeniyle, elektrik yüklü parçacıkların herhangi bir şekilde toplanması birbirleri üzerinde bir tür kuvvet yaratır. Negatif ile pozitif arasında bir dengesizlik varsa, bir tür "baskı" veya "itme" oluşur. İletken malzemelerde elektronlar, atomlarda sabitlenmelerin aksine, malzemenin içinden akmakta serbesttir ve bu nedenle en az "basınç" noktasına akarlar.

Bazı karmaşık hususlar:

• Elektrik ve kimya yakından bağlantılıdır. Bir bataryada, örneğin, kimyasal bir dengesizlik, yüklü parçacıkları bir tarafa zorlayarak terminaller boyunca elektriksel bir dengesizlik (voltaj) oluşturur. Kimya ayrıca elektrik koşullarını başka şekillerde de etkiler.
• Akım (I) elektronların akışıdır, ancak elektronlar (negatif olduklarından) "akım" ın ters yönünde akarlar. Akım, gerçek akış negatif olsa da, diğer yöne doğru olsa da, pozitif yükün kavramsal akışıdır. Bu, negatif bir "itme" nin pozitif "çekme" ile tamamen aynı olduğunu göstermektedir.

Duyduğum bir tanım:

Gerilim (ücretli) iş yapma potansiyelidir.

$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

Hızlı, ilk yaklaşım, temel kural cevabı: voltaj, elektriksel basınçtır.

Ancak bunun üzerine genişlemek: Gerilim tam olarak değil , baskı gibi değil. Bunun yerine, "potansiyel" olarak adlandırılan bir matematik / fizik kavramıdır. Voltaj, her elektron veya protonun bir kaya gibi olduğu yerçekimi alanında rakım gibidir. İrtifa basınç ya da ağırlık ya da kuvvet değildir. Bir kaya bir tepenin üstünde ise, kaya yüksek potansiyel bir yerde. Bunun anlamı, kaya potansiyel enerjiyi (PE) depolamaktır ve eğer yokuş aşağı hareket etmesine izin verilirse (düşük-potansiyel bir yere hareket ettirilirse) bu enerjiyi kinetik enerji (KE) olarak salar. daha yüksek PE olurdu.

Daha doğrusu: gerilim elektrikseldir Potansiyel. Güç değildir (bu, kayanın düşme kuvveti veya ağırlığı gibi değildir, ne de bir elektrik alanındaki elektrik yükü üzerindeki kuvveti gibi değildir.) Ayrıca gerilim, potansiyel bir enerji değildir; o zaman yerçekimi, irtifa ve potansiyel hala var. Potansiyeller alanın bir parçasıdır. Gerilim kalıpları boş alana asılabilir.

Gerilim, elektrik alanlarını tanımlamanın / görselleştirmenin / ölçmenin bir yoludur.

E-alanları tanımlamak için, karşıt elektrik yükleri arasına akı çizgileri çizebiliriz. Veya bunun yerine, gerilim desenini, izo-potansiyel yüzeyleri çizerek bunları akış çizgilerine dik çizebiliriz. Nerede bir elektrik kuvveti hattı bulursak, voltaj da bulacağız.

Gerilim nedir? Tipik kavram yanılgıları nelerdir? İşte büyük bir tane: "gerilim bir tür potansiyel enerjidir." Hayır, yanlış. Bunun yerine gerilim, enerji olmayan matematik kavramı olan “Potansiyeller” ve “bir şeyler yapma potansiyeli” dir. İşte bir başka yanlışlık: "voltaj, birim şarj başına potansiyel enerjidir." Hayır, yanlış. Bu sadece Volt ünitesinin fizik tanımı, onu Joule ve Coulomb üniteleri ile ilişkilendirdi. Aslında diğer yoldan gider: enerji miktarı (belirli bir voltaj farkında bir şarjı hareket ettirmek için yapılan iş miktarı) şarjı voltajdaki değişim ile çarparak bulunur! Elektrik enerjisi voltaj tarafından belirlenir! Ancak Gerilimin kendisi hareketli bir yüke veya potansiyel enerjiye ihtiyaç duymaz, çünkü gerilim boş alandaki bir alanı tanımlamanın bir yoludur. Gerilimi tanımlamak için kullanılan test yükleri, hayali sonsuz küçük yüklerdir. Başka bir yanlış anlaşılma: "Kablo yüzeyinde voltaj oluşuyor". Yanlış, voltaj aslında tellerin etrafındaki boşluğa uzanıyor. 9V akü terminalleriniz arasındaki yarı yolda 4.5V potansiyel bulacaksınız, boş alanda tek başınıza asılı! Ancak tipik voltmetreler uzay voltajını algılamayacaktır, çünkü sonsuz Z (inp) veya en azından birkaç yüz gigohm içeren bir voltmetre gerektirir. Normal 10Meg DMM voltmetreler önemli miktarda akım çeker, herhangi bir saf e-alanı kısaltır, bu nedenle gerilimi ölçmek için iletken yüzeylerine dokunmaları gerekir. boş alanda tek başına asılı bir 4.5V potansiyelini bulacağım! Ancak tipik voltmetreler uzay voltajını algılamayacaktır, çünkü sonsuz Z (inp) veya en azından birkaç yüz gigohm içeren bir voltmetre gerektirir. Normal 10Meg DMM voltmetreler önemli miktarda akım çeker, herhangi bir saf e-alanı kısaltır, bu nedenle gerilimi ölçmek için iletken yüzeylerine dokunmaları gerekir. boş alanda tek başına asılı bir 4.5V potansiyelini bulacağım! Ancak tipik voltmetreler uzay voltajını algılamayacaktır, çünkü sonsuz Z (inp) veya en azından birkaç yüz gigohm içeren bir voltmetre gerektirir. Normal 10Meg DMM voltmetreler önemli miktarda akım çeker, herhangi bir saf e-alanı kısaltır, bu nedenle gerilimi ölçmek için iletken yüzeylerine dokunmaları gerekir.

Voltaj nedir Yüklü kapasitör plakaları arasındaki boşluğu dolduran görünmez membran yığınıdır. Voltaj, herhangi bir yüklü nesneyi çevreleyen eşmerkezli soğan tabakalarının paternidir; Bu nedenle, 'voltaj katmanlarının yığınları' , bir elektrik alanını tanımlamanın bir yoludur. Diğer daha bilinen bir yol ise 'kuvvet çizgilerini' kullanmaktır.

Aslında yapamayız.

Elektrostatik kuvvet, potansiyel gradyan ile orantılıdır, ancak doğrudan potansiyel ile orantılı değildir. Tek bir coulomb'a kuvvet uygulamak, potansiyel gradyanla orantılıdır:

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

Aslında, 1 V, 1 joule elektrik enerjiniz varsa, +1 coulomb yükünde mekanik enerjiye aktarılacağı anlamına gelir (bu nedenle 1 / 2mV ^ 2'yi 1 J hızlandıracak veya artıracaktır). Aslında enerjiye benziyor.

Gunnish’in söylediklerini ekleyerek:

A noktasındaki voltaj, kelimenin tam anlamıyla, 0V’dan (genellikle A’dan veya uzağa sonsuz uzak olarak tanımlanır) A’dan pozitif bir yük çekecekseniz, harcayacağınız işin bir ölçümüdür.

Voltaj elektronikte önemlidir, çünkü A noktasından pozitif bir yükle başlarsak, aynı miktarda işi 0V'a çıkarabilir (örn. İşlem sırasında bir LED'i açmak).

Seçimleri zorlayan şey, yerçekimi ile dünyaya itilme / çekilme şekliniz gibi potansiyel enerjideki bir farktır. Bu, elektronların bir yoldan diğerine geçmesi için muhtemelen olumludur, bu da kısmen elektronların neden bir telde "rastgele" hareket ettiğini açıklar.