Chính xác điện áp là gì?

Một câu hỏi lạ, nhưng nó là gì? Giáo viên vật lý của tôi nói rằng nó giống như một "cú đẩy" đẩy các electron xung quanh mạch điện. Tôi có thể có một lời giải thích phức tạp hơn? Bất kỳ sự giúp đỡ nào cũng được đánh giá cao.

Giáo viên của bạn đã đúng.

Hiện tại là điện tích (thường là điện tử) di chuyển. Họ không làm điều đó một mình mà không có lý do, không hơn gì một giỏ hàng tự di chuyển trên sàn của một cửa hàng. Trong vật lý, chúng ta gọi lực đẩy điện tích là lực điện động hay còn gọi là "EMF". Nó hầu như luôn được biểu thị bằng đơn vị volt, vì vậy chúng ta thường sử dụng phím tắt nhỏ và nói "điện áp" hầu hết thời gian. Về mặt kỹ thuật EMF là đại lượng vật lý và vôn là một đơn vị có thể định lượng được.

EMF có thể được tạo ra theo nhiều cách:

1. Điện từ. Khi một dây dẫn (giống như dây) được di chuyển sang một bên từ trường, sẽ có một điện áp được tạo ra dọc theo chiều dài của dây. Máy phát điện như trong các nhà máy điện và máy phát điện trong xe hơi của bạn hoạt động theo nguyên tắc này.

2. Điện hóa. Một phản ứng hóa học có thể gây ra một sự khác biệt điện áp. Pin hoạt động theo nguyên tắc này.

3. Quang điện. Đập các photon vào một diode bán dẫn ở đúng nơi và bạn có được một điện áp. Đây là cách pin mặt trời hoạt động.

4. Tĩnh điện. Chà hai loại vật liệu phù hợp với nhau và một lớp điện tử đổ lên vật liệu kia. Hai vật liệu thể hiện tốt hiện tượng này là lược nhựa và mèo. Đây là những gì xảy ra khi bạn xáo trộn đúng loại thảm và sau đó lấy một cái zap khi bạn chạm vào một vật kim loại. Chà một quả bóng bay vào áo của bạn làm điều này, sau đó cho phép quả bóng "dính" vào thứ khác. Trong trường hợp đó, EMF không thể làm cho các electron chuyển động, nhưng nó vẫn kéo chúng, sau đó lần lượt kéo vào chiếc balo mà chúng bị mắc kẹt.

   Hiệu ứng này có thể được nhân rộng để tạo ra điện áp cao khác nhau và là cơ sở cho cách thức hoạt động của máy phát điện Van de Graaff .

5. Nhiệt điện. Một gradient nhiệt độ dọc theo hầu hết các dây dẫn gây ra một điện áp. Đây được gọi là hiệu ứng Siebeck . Thật không may, bạn không thể khai thác điều đó bởi vì để sử dụng điện áp này cuối cùng cũng có một vòng kín. Bất kỳ điện áp nào đạt được khi tăng nhiệt độ trong một phần của vòng lặp sau đó sẽ được bù bằng sự giảm nhiệt độ ở một phần khác của vòng lặp. Bí quyết là sử dụng hai vật liệu khác nhau thể hiện một điện áp khác nhau do kết quả của cùng một gradient nhiệt độ (hệ số Siebeck khác nhau). Sử dụng một vật liệu đi ra nguồn nhiệt và trở lại khác, và bạn có được điện áp ròng bạn có thể sử dụng ở cùng nhiệt độ.

   Tổng điện áp bạn nhận được từ một trong và ngoài, ngay cả với chênh lệch nhiệt độ cao là khá nhỏ. Bằng cách đặt nhiều kết hợp ra và trở lại với nhau, bạn có thể có được một điện áp hữu ích. Một đơn ra và trở lại được gọi là cặp nhiệt điện , và có thể được sử dụng để cảm nhận nhiệt độ. Nhiều người cùng nhau là một máy phát nhiệt điện. Vâng, những người thực sự tồn tại. Đã có tàu vũ trụ chạy theo nguyên tắc này với nguồn nhiệt đến từ sự phân rã của đồng vị vô tuyến.

6. Nhiệt điện . Nếu bạn làm nóng một cái gì đó đủ cao (100 ° C), thì các electron trên bề mặt của nó di chuyển nhanh đến mức đôi khi chúng bay đi. Nếu họ có một nơi để hạ cánh lạnh hơn (vì vậy họ sẽ không bay trở lại từ đó), bạn có một máy phát nhiệt. Điều này nghe có vẻ xa vời, nhưng cũng đã có tàu vũ trụ chạy từ nguyên lý này với nguồn nhiệt một lần nữa là sự phân rã đồng vị vô tuyến.

   Các ống điện tử sử dụng nguyên tắc này một phần. Thay vì làm nóng thứ gì đó để các electron tự bay ra, bạn có thể làm nóng nó đến gần điểm đó để chúng bay đi khi có thêm một chút điện áp. Đây là cơ sở của diode ống chân không và quan trọng đối với hầu hết các ống chân không. Đây là lý do tại sao các ống này có máy sưởi và bạn có thể thấy chúng phát sáng. Phải mất nhiệt độ phát sáng để đến nơi mà hiệu ứng nhiệt là đáng kể.

7. Pie-điện. Một số vật liệu (ví dụ tinh thể thạch anh) tạo ra một điện áp khi bạn ép chúng. Một số micro hoạt động theo nguyên tắc này. Các sóng áp suất khác nhau trong không khí chúng ta gọi là squish âm thanh và nén một tinh thể thạch anh xen kẽ, kết quả là nó tạo ra các sóng điện áp nhỏ. Chúng tôi có thể khuếch đại chúng để cuối cùng tạo ra tín hiệu bạn có thể ghi âm, điều khiển loa để bạn có thể nghe thấy, v.v.

   Nguyên tắc này cũng được sử dụng trong nhiều lò nướng thịt nướng. Một cơ chế lò xo đập một tinh thể thạch anh khá cứng để nó tạo ra đủ điện áp để gây ra tia lửa.

Sử dụng một chất tương tự chất lỏng, điện áp là áp suất, hiện tại là tốc độ dòng chảy.

"Điện áp" là một đại lượng. Thật khó để hiểu ý nghĩa vật lý của nó mà không hiểu số lượng mà nó có nguồn gốc từ.

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$ . Định lý cơ bản nói rằng, lực giữa hai điện tích này tỷ lệ thuận với lượng điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích. Đó là:

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

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

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

$q_1$ cách tiếp cận về 0 để bỏ qua một số hiệu ứng điện từ khác; đừng để nó làm bạn bối rối Nó giống như "một hào quang có thể tạo ra một lực nào đó cho mỗi lần tích điện". Hướng của nó giống với hướng của lực mà nó tạo ra, và độ lớn của nó tỷ lệ thuận với độ lớn của lực.

$\bar{E}$ rất giống với trường hấp dẫn của Trái đất.

$P_2$ sẽ trở thành:

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

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

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

Lưu ý rằng điện trường không có curl, có nghĩa là nó luôn có thể được biểu diễn dưới dạng độ dốc của trường vô hướng ($\bar{E} = - \bar{\nabla} V$ ). Các tích phân dòng này là độc lập với đường dẫn.

Vì vậy, đây là định nghĩa của lĩnh vực tiềm năng. Một điểm sẽ luôn có tiềm năng ngay cả khi không có phí trên đó. Hãy nghĩ rằng đó là "năng lượng cần thiết để mang một đơn vị điện tích đến đó từ vô cực". Sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm là tương tự nhau; đó là năng lượng cần thiết để mang điện tích đơn vị từ điểm này sang điểm khác. Hoặc nghĩ về một ví dụ cụ thể hơn như đối với các thiên thể. Sự khác biệt tiềm năng giữa chiều cao 100km và chiều cao 200km so với bề mặt Trái đất không gì khác ngoài sự khác biệt về năng lượng tiềm năng giữa hai vật thể nặng 1kg ở độ cao nhất định.

Khi chúng ta đến với thế giới thực, tiềm năng của một điểm là một số trong tất cả các tiềm năng riêng lẻ gây ra bởi các khoản phí xung quanh (lý thuyết về sự chồng chất áp dụng).

Một điện áp xuất hiện bất cứ khi nào có sự mất cân bằng điện tích (tức là điện tử). Vì giống như các điện tích đẩy lùi và các điện tích trái dấu thu hút, bất kỳ tập hợp các hạt tích điện nào cũng tạo ra một loại lực tác dụng lên nhau. Nếu có sự mất cân bằng giữa âm và dương, một loại "áp lực" hoặc "đẩy" được hình thành. Trong các vật liệu dẫn điện, các electron được tự do lưu chuyển qua vật liệu, trái ngược với sự cố định trong các nguyên tử, và do đó sẽ chảy đến điểm "áp suất" nhỏ nhất.

Một số cân nhắc phức tạp:

• Điện và hóa học được kết nối chặt chẽ. Ví dụ, trong pin, sự mất cân bằng hóa học tạo ra sự mất cân bằng điện (điện áp) trên các cực, bằng cách buộc các hạt tích điện sang một bên. Hóa học cũng ảnh hưởng đến điều kiện điện theo những cách khác.
• Dòng điện (I) là dòng điện tử, tuy nhiên, dòng điện tử (vì chúng âm) chảy theo hướng ngược lại với "dòng điện". Dòng điện sau đó là dòng khái niệm của điện tích dương, mặc dù dòng thực tế là âm, nhưng theo hướng khác. Điều này chứng tỏ rằng "lực đẩy" tiêu cực giống hệt như "lực kéo" tích cực.

Một định nghĩa tôi đã nghe là:

Điện áp là tiềm năng (tính phí) để làm việc.

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

Câu trả lời nhanh, xấp xỉ đầu tiên, quy tắc ngón tay cái: điện áp là áp suất điện.

Nhưng mở rộng về điều đó: Điện áp không giống như áp lực, không chính xác. Thay vào đó, đó là một khái niệm toán học / vật lý gọi là "tiềm năng". Điện áp giống như độ cao trong trường trọng lực, trong đó mỗi electron hoặc proton giống như một tảng đá. Độ cao không phải là áp lực hoặc trọng lượng hoặc lực. Nếu một tảng đá nằm trên đỉnh đồi, thì tảng đá ở vị trí có tiềm năng cao. Điều này có nghĩa là tảng đá đang lưu trữ năng lượng tiềm năng (PE) và sẽ giải phóng năng lượng này dưới dạng động năng (KE) nếu nó được phép di chuyển xuống dốc (di chuyển đến vị trí có tiềm năng thấp.) Được nâng lên cùng một điện áp (độ cao,) sẽ có PE cao hơn.

Chính xác hơn: điện áp là điện thế. Đó không phải là lực (nó không giống như lực giảm hoặc trọng lượng của tảng đá, cũng không giống như lực tác dụng lên một điện tích trong điện trường.) Ngoài ra điện áp không phải là năng lượng tiềm tàng, vì nếu chúng ta lấy đi tảng đá, sau đó trọng lực, độ cao và tiềm năng vẫn tồn tại. Tiềm năng là một phần của chính lĩnh vực này. Các mẫu điện áp có thể treo trong không gian trống.

Điện áp là một cách mô tả / trực quan hóa / đo điện trường.

Để mô tả các trường điện tử, chúng ta có thể vẽ các đường sức giữa các điện tích trái dấu. Hoặc thay vào đó, chúng ta có thể vẽ mô hình điện áp, các bề mặt đẳng thế, vẽ chúng vuông góc với các đường sức từ. Bất cứ nơi nào chúng ta tìm thấy một số dòng điện, chúng ta cũng sẽ tìm thấy điện áp.

Điện áp là gì? Những quan niệm sai lầm điển hình là gì? Đây là một vấn đề lớn: "điện áp là một loại năng lượng tiềm năng." Không, sai rồi. Thay vào đó, điện áp là khái niệm toán học "Tiềm năng", không phải là năng lượng, cũng không phải là "tiềm năng để làm một cái gì đó". Đây là một quan niệm sai lầm khác: "điện áp là năng lượng tiềm năng trên mỗi đơn vị điện tích." Không, sai rồi. Đó chỉ là định nghĩa vật lý của đơn vị Volt, liên kết nó với các đơn vị Joule và Coulomb. Trên thực tế, nó đi theo một cách khác: lượng năng lượng (lượng công việc được thực hiện trong việc di chuyển một điện tích qua một sự chênh lệch điện áp nhất định) được tìm thấy bằng cách nhân điện tích với sự thay đổi điện áp! Năng lượng điện được xác định bởi điện áp! Nhưng bản thân điện áp không cần điện tích di chuyển cũng như năng lượng tiềm tàng được lưu trữ, vì điện áp là một cách để mô tả một trường trong không gian trống. Các điện tích thử nghiệm được sử dụng để mô tả điện áp là các điện tích vô hạn tưởng tượng. Một quan niệm sai lầm khác: "điện áp xuất hiện trên bề mặt dây dẫn." Sai, điện áp thực sự kéo dài vào không gian xung quanh dây dẫn. Nửa chừng giữa các cực pin 9V của bạn, bạn sẽ tìm thấy tiềm năng 4,5V, treo một mình trong không gian trống! Nhưng các vôn kế thông thường sẽ không phát hiện ra điện áp không gian, vì điều đó đòi hỏi một vôn kế có Z vô hạn (inp) hoặc ít nhất là vài trăm gigohms. Vôn kế DMM 10Meg bình thường vẽ dòng điện đáng kể, sẽ rút ngắn bất kỳ trường điện tử thuần túy nào, do đó chúng phải được chạm vào bề mặt dây dẫn để đo điện áp. sẽ tìm thấy tiềm năng 4,5V, treo một mình trong không gian trống! Nhưng các vôn kế thông thường sẽ không phát hiện ra điện áp không gian, vì điều đó đòi hỏi một vôn kế có Z vô hạn (inp) hoặc ít nhất là vài trăm gigohms. Vôn kế DMM 10Meg bình thường vẽ dòng điện đáng kể, sẽ rút ngắn bất kỳ trường điện tử thuần túy nào, do đó chúng phải được chạm vào bề mặt dây dẫn để đo điện áp. sẽ tìm thấy tiềm năng 4,5V, treo một mình trong không gian trống! Nhưng các vôn kế thông thường sẽ không phát hiện ra điện áp không gian, vì điều đó đòi hỏi một vôn kế có Z vô hạn (inp) hoặc ít nhất là vài trăm gigohms. Vôn kế DMM 10Meg bình thường vẽ dòng điện đáng kể, sẽ rút ngắn bất kỳ trường điện tử thuần túy nào, do đó chúng phải được chạm vào bề mặt dây dẫn để đo điện áp.

Điện áp là gì? Đó là một chồng màng vô hình lấp đầy khoảng trống giữa các bản tụ điện tích điện. Điện áp là mô hình của các lớp hành tây đồng tâm bao quanh bất kỳ vật tích điện nào, với các lớp hành tây chạy vuông góc với các dòng từ thông của điện trường. Vì vậy, "ngăn xếp các lớp điện áp" là một cách để mô tả một điện trường. Một cách khác quen thuộc hơn là sử dụng 'các dòng lực'.

Thật ra chúng ta không thể.

Lực tĩnh điện tỷ lệ thuận với độ dốc tiềm năng, nhưng không trực tiếp với tiềm năng. Lực tác dụng lên một vòng điện tích tỷ lệ thuận với độ dốc tiềm năng:

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

Trên thực tế, 1 V có nghĩa là nếu bạn có 1 joule năng lượng điện, nó sẽ được chuyển thành năng lượng cơ học với điện tích +1 coulomb [vì vậy nó sẽ tăng tốc, hoặc tăng 1 / 2mV ^ 2 lên 1 J]. Nó thực sự tương tự như năng lượng.

Thêm vào những gì Gunquer nói:

Điện áp tại điểm A thực sự là một phép đo công việc bạn sẽ sử dụng nếu bạn đẩy một điện tích dương từ 0V (thường được định nghĩa là vô cùng xa từ A hoặc mặt đất) đến A.

Điện áp rất quan trọng trong thiết bị điện tử bởi vì nếu chúng ta bắt đầu với một điện tích dương tại điểm A, nó có thể thực hiện cùng một lượng công việc đến 0V (ví dụ như bật đèn LED trong quy trình).

Những gì đang thúc đẩy các cuộc bầu cử là một sự khác biệt về năng lượng tiềm năng, giống như cách bạn đang bị đẩy / kéo xuống trái đất bởi trọng lực. Điều này tạo ra một thuận lợi có thể cho các electron di chuyển một chiều so với một cách khác, điều này cũng phần nào giải thích tại sao các electron di chuyển "ngẫu nhiên" trong một dây.