Warum wird Spannung als potentielle Energie pro Ladung beschrieben?

Tatsächlich ist die Spannung eine Differenz der potentiellen Energie pro Ladungseinheit. Insbesondere ist die Spannung zwischen zwei Punkten A und B die Differenz zwischen dem PE-Wert einer Einheitsladung bei A und dem PE-Wert bei B. Es ist wichtig, dass Sie immer zwei Punkte im Auge behalten, wenn Sie über Spannung sprechen: da es technisch bedeutungslos ist, an einem einzigen Punkt über die Spannung zu sprechen.

Nun wissen Sie vermutlich, dass die Differenz der potentiellen Energie pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten mit dem Gradienten der potentiellen Energie pro Ladungseinheit zwischen diesen Punkten zusammenhängt.

Angesichts eines Pfades, wenn der Unterschied$\Delta V_{BA}$groß ist, dann gibt es irgendwo entlang des Pfades einen großen Gradienten, also ein großes elektrisches Feld, das eine große Kraft verursacht, die die geladenen Teilchen von A nach B drückt, was wiederum die Teilchen schneller beschleunigen und sich schneller bewegen lässt, wodurch ein größerer erzeugt wird aktuell.

Potenzielle Energie ist nur eine Möglichkeit, darüber zu sprechen, in welche Richtung eine Kraft drängt. Deshalb drückt die Kraft immer von hoher zu niedriger potentieller Energie.

Denken Sie an einen Ball in einem Regal. Es ist viel potentielle Gravitationsenergie gespeichert. Am Boden wäre weniger potenzielle Energie gespeichert. Und der Ball will so weit wie möglich nach unten fallen – könnte er vom Regal runter und runter rollen, dann würde er.

Der Grund ist, dass es eine Kraft gibt, die nach unten zieht. Von Punkten mit höherer zu niedrigerer potentieller Energie. Dies ist immer der Fall.

Wenn in Stromkreisen die gesamte elektrische Kraft an einem Punkt nach links zieht, dann ist die potentielle Energie niedriger, wenn sich die Ladung nach links bewegt.

Mit anderen Worten: Potenzielle Energie ist nur eine andere Art, darüber zu sprechen, wie viel Kräfte ziehen. Es ist eine andere Möglichkeit, anzugeben, in welche Richtung sich Dinge bewegen werden, wenn dies erlaubt ist.

Der Grund für die Definition von Potential als potentielle Energie pro Ladung ist nur eine einfachere Möglichkeit, verschiedene Punkte zu vergleichen. Spannung ist dann ein Name für Potentialdifferenz.

Behandeln Sie Spannung und Schwerkraft einfach gleich. Die „Spannungskraft“ ist die elektrostatische Kraft, und „statische Elektrizität“ treibt den Strom in Schaltungen an. Immer wenn die Spannung nicht Null ist, haben wir eine statisch-elektrische Kraft auf alle Elektronen in den Drähten.

Eine Möglichkeit, dies zu verstehen, ist: Nehmen Sie einen konzeptionellen Ansatz mit einer „alternativen mentalen Toolbox“, bei der das Volt nicht als Joule pro Coulomb definiert ist. Definieren Sie Joule stattdessen in Volt und Coulomb.

In diesem Fall ist jede veränderte Energie des Systems proportional zum Transport einer kleinen Ladung Q über eine Potentialdifferenz V. Mit anderen Worten, die Bewegung eines kleinen geladenen Objekts gegen einen Potentialhügel ist die Ursache für potentielle Energie. Wenn wir das Spannungsmuster im Raum kennen, können wir den PE jeder sich bewegenden Ladung berechnen. Dies wird typischerweise durch "Aufladen" eines Parallelplattenkondensators demonstriert: indem Ladungen von einer Platte genommen und gegen elektrostatische Abstoßung gezwungen werden, sie auf die andere Platte bewegen, die Energie in den Kondensator einspeist.

Aber aber ... was bedeutet dann "Spannung"?

In diesem Fall ist Spannung ein mathematisches Konzept namens „Potenziale“. Es ist nicht in Form von potentieller Energie definiert. Stattdessen ist es das Linienintegral des E-Feldflusses. Stattdessen ist es eine Möglichkeit, E-Felder zu beschreiben, selbst wenn keine Testladungen bewegt werden, ohne potenzielle Energie, die mit Testladungen verbunden ist. Das E-Feld ist eine Sache für sich, und es existiert auch dann noch, wenn alle Testladungen entfernt werden. Stellen Sie sich ein E-Feld vor, das im leeren Raum hängt.

Wir können Felder als aus dünnen Fasern, „Kraftlinien“ oder Feldlinien bestehend betrachten. Aber wir können Felder auch als aus Äquipotentialebenen bestehend betrachten, wie gestapelte Seiten eines Buches. Wenn Fluss die Gruppe von imaginären Linien in einem E-Feld ist, was sind dann Potenziale? Sie sind die imaginären gestapelten Schichten in einem E-Feld. Beide Ansätze sind gültig, und diese Spannungsmembranen sind genauso "real" und wichtig wie Kraftlinien. Wir beschreiben E-Felder gewöhnlich in Form von Flusslinien, weil sie auf flachem Papier leicht zu zeichnen sind, während potenzielle Ebenen schwierige 3D-Objekte sind. (Beachten Sie, dass die Flusslinien immer senkrecht zu den Äquipotentialebenen sind, die sie durchdringen. Beispielsweise sind Flusslinien um ein geladenes Teilchen radial, während Äquipotentialschichten um dasselbe Teilchen als verschachtelte Kugeln erscheinen, wie eine Zwiebel.)

Was ist Spannung? Es ist ein eigenständiges Konzept: „Potentials“. Michael Faraday und JC Maxwell machten viel von diesem mathematischen Konzept, damals, als der Rest der Physikergemeinde es mieden und ablehnten. Schließlich gab es keine Felder, und echte Physiker glaubten nur an Instant Action At A Distance. Faraday brachte das Konzept der EM-Felder hervor, wurde aber ignoriert. Maxwell stellte es auf eine solide mathematische Grundlage, und schließlich konnten die Felder als echte physikalische Einheiten betrachtet werden; seltsame Objekte, die im leeren Raum hängen. Das mathematische Konzept von Potentialen oder „Spannung“ ist ein Ansatz zur Beschreibung dieser Entitäten.

Mit anderen Worten, die Spannung ist kein Joule pro Coulomb. Spannung ist stattdessen eine Seite von E-Feldern, wenn keine infinitesimalen Testladungen vorhanden sind.

PS, nicht überzeugt? Wenn nicht, dann fragen Sie sich, können magnetische Potentialfelder im Weltraum existieren, selbst wenn keine Testpole bewegt werden, um PE zu erzeugen? Und gibt es noch eine gewisse Schwerkraft im Raum über dem Boden, auch wenn keine Felsbrocken angehoben werden (bestehen Schwerkraft-Potentialfelder wirklich aus Joule pro Felsbrocken ? Was, wenn es keinen Felsbrocken gibt?) Das Potentialfeld ist immer noch da über dem Schmutz, und die Volt hängen immer noch im leeren Raum zwischen den Kondensatorplatten. Nun, nur wenn Sie den Distant-Action-Glauben der Pre-Maxwell-Physikgemeinschaft ablehnen und zulassen, dass Felder eine echte Existenz haben.

Ladungen besitzen keine potentielle Energie. Genauer gesagt besitzt ein System potentielle Energie. In der Elektrostatik muss man zwischen Potential, Potentialdifferenz und potentieller Energie unterscheiden.

Zunächst einmal bezieht sich die potenzielle Energie eines Systems auf die Menge an Energie, die beim Zusammenbau des Systems aus dem Unendlichen aufgewendet wird. Das elektrische Potential an einem Punkt bezieht sich auf die Änderung der potentiellen Energie des Systems, wenn eine Einheitsladung zu diesem Punkt gebracht wird. Die Differenz des elektrischen Potentials an zwei Punkten wird als Potentialdifferenz bezeichnet. Was den Strom antreibt, ist die Potentialdifferenz.

Zweitens wird Kraft in der Mechanik durch Änderung der potentiellen Energie (genauer: Gradient der potentiellen Energie) verursacht. Wenn zwei Punkte eine hohe Potentialdifferenz haben und eine Ladung von hohem Potential zu niedrigem Potential geht, gibt es eine enorme Abnahme der potentiellen Energie. Dies bewirkt eine größere Kraft auf die Ladungen, da die Kraft proportional zum Gradienten der potentiellen Energie ist, und folglich einen höheren Strom.

Angenommen, Sie haben eine positiv geladene Platte mit 10 Coulomb und eine positiv geladene Platte mit 5 Coulomb, dann hat die Platte mit 10 Coulomb das größere Potenzial, die nahe gelegenen Ladungen anzuziehen oder abzustoßen, oder Sie können sagen, dass die Ladungen mehr potenzielle Energie haben in diesem Fall auf die Platte zu oder von ihr weg zu bewegen. Eine 10-Coulomb-geladene Platte übt mehr Energie oder Energie pro Coulomb aus als die 5-Coulomb-geladene Platte auf die nahe gelegenen Ladungen, und die Ladungen bewegen sich schneller in Richtung der 10-Coulomb-geladenen Platte als die 5-Coulomb-geladene Platte und der Strom, den Sie kennen die Geschwindigkeit des Ladungsflusses.