Was genau ist Spannung?

Eine merkwürdige Frage, aber was ist das? Mein Physiklehrer sagte, es sei wie ein "Stoß", der Elektronen durch den Stromkreis drückt. Kann ich eine komplexere Erklärung haben? Jede Hilfe wird sehr geschätzt.

Dein Lehrer hatte recht.

Strom ist die Bewegung elektrischer Ladungen (normalerweise Elektronen). Sie tun das nicht ohne Grund selbst, ebensowenig wie ein Einkaufswagen von selbst über den Boden eines Ladens fährt. In der Physik nennen wir die Kraft, die Ladungen drückt, die elektromotorische Kraft oder "EMF". Es wird fast immer in Einheiten von Volt ausgedrückt, so dass wir normalerweise wenig Abkürzung nehmen und die meiste Zeit "Spannung" sagen. Technisch gesehen ist EMF die physikalische Größe und Volt ist eine Einheit, in der es quantifiziert werden kann.

EMF kann auf verschiedene Arten erzeugt werden:

1. Elektromagnetisch. Wenn ein Leiter (wie ein Draht) durch ein Magnetfeld zur Seite bewegt wird, entsteht entlang der Länge des Drahtes eine Spannung. Nach diesem Prinzip arbeiten elektrische Generatoren wie in Kraftwerken und die Lichtmaschine in Ihrem Auto.

2. Elektrochemisch. Eine chemische Reaktion kann eine Spannungsdifferenz verursachen. Batterien arbeiten nach diesem Prinzip.

3. Photovoltaik. Stoßen Sie Photonen an der richtigen Stelle in eine Halbleiterdiode und Sie erhalten eine Spannung. So funktionieren Solarzellen.

4. Elektrostatisch. Reiben Sie zwei der richtigen Materialien zusammen und eins wirft Elektronen auf das andere. Zwei Materialien, die dieses Phänomen gut zeigen, sind ein Plastikkamm und eine Katze. Dies ist, was passiert, wenn Sie über die richtige Art von Teppich schlurfen und dann einen Schlag erhalten, wenn Sie einen Metallgegenstand berühren. Wenn Sie einen Ballon gegen Ihr Hemd reiben, bleibt der Ballon an etwas anderem haften. In diesem Fall kann der EMF die Elektronen nicht zum Bewegen bringen, aber er zieht immer noch an ihnen, die dann wiederum an dem Ballon ziehen, an dem sie haften.

   Dieser Effekt kann skaliert werden, um die Hochspannung zu variieren, und ist die Grundlage für die Arbeitsweise von Van de Graaff-Generatoren .

5. Thermoelektrisch. Ein Temperaturgradient entlang der meisten Leiter verursacht eine Spannung. Dies nennt man den Siebeck- Effekt. Leider kann man das nicht nutzen, da es zur Nutzung dieser Spannung irgendwann einen geschlossenen Regelkreis gibt. Jegliche Spannung, die durch einen Temperaturanstieg in einem Teil der Schleife gewonnen wird, wird dann durch einen Temperaturabfall in einem anderen Teil der Schleife ausgeglichen. Der Trick besteht darin, zwei verschiedene Materialien zu verwenden, die aufgrund des gleichen Temperaturgradienten eine unterschiedliche Spannung aufweisen (unterschiedlicher Siebeck-Koeffizient). Verwenden Sie ein Material, das an eine Wärmequelle abgegeben wird, und ein anderes, das zurückkommt, und Sie erhalten eine Nettospannung, die Sie bei derselben Temperatur verwenden können.

   Die Gesamtspannung, die Sie selbst bei einem hohen Temperaturunterschied von einem Ausgang zum anderen erhalten, ist ziemlich gering. Indem Sie viele dieser Kombinationen von Out und Back zusammenstellen, erhalten Sie eine nützliche Spannung. Ein einzelnes Hin- und Her-Element wird als Thermoelement bezeichnet und kann zum Erfassen der Temperatur verwendet werden. Viele zusammen sind ein Thermoelementgenerator. Ja, die gibt es tatsächlich. Es gab Raumfahrzeuge, die nach diesem Prinzip betrieben wurden und deren Wärmequelle aus dem Zerfall eines Radioisotops stammt.

6. Thermionic . Wenn man etwas ausreichend erhitzt (100s von ° C), bewegen sich die Elektronen auf seiner Oberfläche so schnell, dass sie manchmal wegfliegen. Wenn sie einen kälteren Landeplatz haben (damit sie von dort nicht mehr losfliegen), haben Sie einen thermionischen Generator. Dies mag weit hergeholt klingen, aber es gab auch Raumfahrzeuge, die nach diesem Prinzip betrieben wurden, wobei die Wärmequelle wieder der Radioisotopenzerfall war.

   Elektronenröhren nutzen dieses Prinzip zum Teil. Anstatt etwas zu erhitzen, damit die Elektronen von selbst abfliegen, können Sie es fast bis zu diesem Punkt erhitzen, sodass sie abfliegen, wenn eine kleine zusätzliche Spannung angelegt wird. Dies ist die Basis der Vakuumröhrendiode und für die meisten Vakuumröhren wichtig. Aus diesem Grund hatten diese Röhren Heizungen und man konnte sie leuchten sehen. Es braucht strahlende Temperaturen, um zu dem Punkt zu gelangen, an dem der thermionische Effekt signifikant ist.

7. Piezoelektrisch. Bestimmte Materialien (z. B. Quarzglas) erzeugen beim Zusammendrücken eine Spannung. Einige Mikrofone arbeiten nach diesem Prinzip. Die variierenden Druckwellen in der Luft, die wir als Klangquetschen bezeichnen, quetschen einen Quarzkristall abwechselnd und verursachen dadurch winzige Spannungswellen. Wir können sie verstärken, um schließlich Signale zu erzeugen, mit denen Sie aufnehmen und Lautsprecher ansteuern können, damit Sie sie hören können usw.

   Dieses Prinzip wird auch bei vielen Grillzündern angewendet. Ein Federmechanismus schlägt einen Quarz ziemlich hart, so dass er ausreicht, um einen Funken zu erzeugen.

Unter Verwendung einer Fluidanalogie ist Spannung Druck, Strom ist Durchflussrate.

"Spannung" ist eine abgeleitete Größe. Es ist schwer, seine physikalische Bedeutung zu verstehen, ohne die Mengen zu verstehen, von denen es abgeleitet ist.

$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$

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

$q_1$

Nun stellen wir fest, dass diese Größen, die wir definiert haben, einigen anderen physikalischen Größen, die wir kennen, sehr ähnlich sind. Zum Beispiel ist die Kraft oben der Kraft zwischen der Erde und einem Weltraumobjekt, wie dem Mond, sehr ähnlich. Und das -Feld ist dem Gravitationsfeld der Erde sehr ähnlich.$\bar{E}$

Dann entsteht die Idee, ein elektrisches Potential zu definieren, das dem Potential eines Weltraumobjekts in Bezug auf die Erde ähnlich ist. Das Potential eines Punktes im Weltraum um die Erde ist die Energie pro Masseeinheit, um ein Objekt (das Masseeinheiten hat) von unendlich zu diesem Punkt zu bringen. Wenn wir es in der Elektrostatik definieren, wird das Potential des Punktes :$P_2$

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

Dann ist die Potentialdifferenz zwischen zwei unabhängigen Punkten ( und ) im Raum innerhalb des Feldes (verursacht durch ):$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

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

Beachten Sie, dass das elektrische Feld keine Kräuselungen aufweist. Dies bedeutet, dass es immer als Gradient eines skalaren Felds dargestellt werden kann ( ). Diese Linienintegrale sind wegunabhängig.$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Das ist also die Definition des potentiellen Feldes. Ein Punkt hat immer ein Potenzial, auch wenn er nicht aufgeladen ist. Denken Sie es als "die Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von Unendlichkeit dorthin zu bringen". Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten ist ähnlich. Dies ist die Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von einem Punkt zum anderen zu befördern. Oder denken Sie an ein konkreteres Beispiel wie für Himmelskörper. Die Potentialdifferenz zwischen 100 km Höhe und 200 km Höhe über der Erdoberfläche ist nichts anderes als die Differenz der potentiellen Energien zwischen zwei 1 kg schweren Objekten in den angegebenen Höhen.

Wenn wir in die reale Welt kommen, ist das Potential eines Punktes ein Teil aller individuellen Potentiale, die durch die umliegenden Ladungen verursacht werden (es gilt die Theorie der Überlagerung).

Eine Spannung tritt immer dann auf, wenn ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung (dh der Elektronen) vorliegt. Da sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen, erzeugt jede Ansammlung elektrisch geladener Teilchen eine Art Kraft aufeinander. Wenn es ein Ungleichgewicht von negativ zu positiv gibt, wird eine Art "Druck" oder "Druck" gebildet. In leitenden Materialien können Elektronen ungehindert durch das Material fließen, anstatt in Atomen fixiert zu sein, und fließen daher bis zum Punkt des geringsten "Drucks".

Einige komplizierende Überlegungen:

• Strom und Chemie sind eng miteinander verbunden. In einer Batterie erzeugt beispielsweise ein chemisches Ungleichgewicht ein elektrisches Ungleichgewicht (Spannung) zwischen den Anschlüssen, indem geladene Teilchen zu einer Seite gedrückt werden. Die Chemie beeinflusst die elektrischen Bedingungen auch auf andere Weise.
• Strom (I) ist der Elektronenfluss, jedoch fließen Elektronen (da sie negativ sind) in die entgegengesetzte Richtung des "Stroms". Der Strom ist dann der konzeptionelle Fluss der positiven Ladung, obwohl der tatsächliche Fluss negativ ist, aber in die andere Richtung. Dies zeigt, dass ein negativer "Push" genau dasselbe ist wie ein positiver "Pull".

Eine Definition, die ich gehört habe, ist:

Spannung ist das Potential (gegen Gebühr), um Arbeit zu leisten.

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

Die Faustregel lautet in erster Näherung: Spannung ist elektrischer Druck.

Aber erweitern Sie darauf: Spannung ist nicht wie Druck, nicht genau. Stattdessen handelt es sich um ein mathematisch-physikalisches Konzept namens "Potentiale". Spannung ist eher eine Höhe in einem Gravitationsfeld, in dem jedes Elektron oder Proton wie ein Felsbrocken ist. Höhe ist nicht Druck oder Gewicht oder Kraft. Befindet sich ein Felsbrocken auf einem Hügel, befindet sich der Felsbrocken an einem Ort mit hohem Potenzial. Dies bedeutet, dass der Felsbrocken potenzielle Energie (PE) speichert und diese Energie als kinetische Energie (KE) abgibt, wenn er sich bergab bewegen darf (an einen Ort mit niedrigem Potenzial). Auf dieselbe Spannung (Höhe) angehoben, werden größere Felsbrocken hätte höhere PE.

Genauer gesagt: Spannung ist elektrisches Potential. Es ist keine Kraft (es ist nicht wie die Kraft, die der Felsbrocken auf eine elektrische Ladung in einem elektrischen Feld ausübt, oder wie die Kraft, die der Felsbrocken auf sie ausübt). Auch Spannung ist keine potentielle Energie, denn wenn wir den Felsbrocken wegnehmen, dann sind die Schwerkraft, die Höhe und das Potenzial noch vorhanden. Potenziale sind Teil des Feldes. Spannungsmuster können im leeren Raum hängen.

Spannung ist eine Methode zur Beschreibung / Visualisierung / Messung elektrischer Felder.

Um E-Felder zu beschreiben, können Flusslinien zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen gezogen werden. Oder wir zeichnen das Spannungsmuster, die Isopotentialflächen, senkrecht zu den Flusslinien. Wo immer wir elektrische Kraftlinien finden, finden wir auch Spannung.

Was ist Spannung nicht? Was sind typische Missverständnisse? Hier ist eine große: "Spannung ist eine Art potentielle Energie." Nein, falsch. Stattdessen ist Spannung das mathematische Konzept "Potentiale", die weder Energie noch "Potential sind, etwas zu tun". Hier ist ein weiteres Missverständnis: "Spannung ist die potentielle Energie pro Ladungseinheit." Nein, falsch. Das ist nur die physikalische Definition der Volt-Einheit, die sie mit Joule- und Coulomb-Einheiten verbindet. Tatsächlich ist es umgekehrt: Die Energiemenge (die Menge an Arbeit, die beim Bewegen einer Ladung über eine bestimmte Spannungsdifferenz geleistet wird) wird durch Multiplizieren der Ladung mit der Spannungsänderung ermittelt! Elektrische Energie wird durch Spannung bestimmt! Die Spannung selbst benötigt jedoch weder bewegte Ladung noch gespeicherte potentielle Energie, da die Spannung eine Möglichkeit ist, ein Feld im leeren Raum zu beschreiben. Die zur Beschreibung der Spannung verwendeten Testladungen sind imaginäre infinitesimale Ladungen. Ein weiteres Missverständnis: "Spannung tritt an der Oberfläche von Drähten auf." Falsch, Spannung erstreckt sich tatsächlich in den Raum um die Drähte. Auf halbem Weg zwischen Ihren 9-V-Batterieklemmen finden Sie ein 4,5-V-Potential, das alleine im leeren Raum hängt! Typische Voltmeter erkennen die Raumspannung jedoch nicht, da sie ein Voltmeter mit unendlich Z (inp) oder mindestens ein paar hundert Gigaohm benötigen. Normale 10Meg-DMM-Voltmeter ziehen einen erheblichen Strom und schließen reine E-Felder kurz. Sie müssen daher zur Spannungsmessung auf Leiteroberflächen berührt werden. Ich finde ein 4,5 V-Potential, das alleine im leeren Raum hängt! Typische Voltmeter erkennen die Raumspannung jedoch nicht, da sie ein Voltmeter mit unendlich Z (inp) oder mindestens ein paar hundert Gigaohm benötigen. Normale 10Meg-DMM-Voltmeter ziehen einen erheblichen Strom und schließen reine E-Felder kurz. Sie müssen daher zur Spannungsmessung auf Leiteroberflächen berührt werden. Ich finde ein 4,5 V-Potential, das alleine im leeren Raum hängt! Typische Voltmeter erkennen die Raumspannung jedoch nicht, da sie ein Voltmeter mit unendlich Z (inp) oder mindestens ein paar hundert Gigaohm benötigen. Normale 10Meg-DMM-Voltmeter ziehen einen erheblichen Strom und schließen reine E-Felder kurz. Sie müssen daher zur Spannungsmessung auf Leiteroberflächen berührt werden.

Was ist Spannung? Es ist ein Stapel unsichtbarer Membranen, die den Raum zwischen geladenen Kondensatorplatten ausfüllen. Die Spannung ist das Muster konzentrischer Zwiebelschichten, die jedes geladene Objekt umgeben, wobei die Zwiebelschichten senkrecht zu den Flusslinien des elektrischen Feldes verlaufen. So, ‚Stapel von Schichten spannungs‘ ist eine Möglichkeit , um ein elektrisches Feld zu beschreiben. Die andere, bekanntere Methode ist die Verwendung von "Kraftlinien".

Eigentlich können wir nicht.

Die elektrostatische Kraft ist proportional zum Potentialgradienten, jedoch nicht direkt zum Potential. Die Kraft auf ein Coulomb Ladung ist proportional zum Potentialgefälle:

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

Tatsächlich bedeutet 1 V, dass bei 1 Joule elektrischer Energie diese bei einer Ladung von +1 Coulomb in mechanische Energie umgewandelt wird [also beschleunigt sie oder erhöht ihre 1 / 2mV ^ 2 um 1 J]. Es ist eigentlich analog zu Energie.

Hinzufügen zu dem, was Gunnish gesagt hat:

Die Spannung an Punkt A ist buchstäblich ein Maß für die Arbeit, die Sie aufwenden würden, wenn Sie eine positive Ladung von 0 V (normalerweise entweder als unendlich weit von A oder Masse entfernt definiert) nach A drücken würden.

Die Spannung ist in der Elektronik wichtig, denn wenn wir am Punkt A mit einer positiven Ladung beginnen, kann sie die gleiche Menge an Arbeit auf 0 V bringen (z. B. das Einschalten einer LED im Prozess).

Was die Wahlen vorantreibt, ist ein Unterschied in der potenziellen Energie, ähnlich wie Sie durch die Schwerkraft auf die Erde gedrückt / gezogen werden. Dies erzeugt eine günstige Möglichkeit für die Elektronen, sich in einer Richtung über eine andere zu bewegen. Dies erklärt zum Teil auch, warum sich die Elektronen "zufällig" in einem Draht bewegen.