Was genau ist Spannung?

Dein Lehrer hatte recht.

Strom sind elektrische Ladungen (normalerweise Elektronen), die sich bewegen. Sie tun das nicht ohne Grund von selbst, genauso wenig wie ein Einkaufswagen von alleine über den Boden eines Ladens fährt. In der Physik nennen wir die Kraft, die Ladungen drückt, die elektromotorische Kraft oder "EMK". Es wird fast immer in Volt ausgedrückt, daher nehmen wir normalerweise eine kleine Abkürzung und sagen meistens "Spannung". Technisch gesehen ist EMF die physikalische Größe und Volt ist eine Einheit, in der sie quantifiziert werden kann.

EMF kann auf verschiedene Arten erzeugt werden:

1. Elektromagnetisch. Wenn ein Leiter (wie ein Draht) seitwärts durch ein Magnetfeld bewegt wird, wird entlang der Länge des Drahtes eine Spannung erzeugt. 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 funktionieren 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 Materialien der richtigen Art aneinander und das eine gibt Elektronen an das andere ab. Zwei Materialien, die dieses Phänomen gut zeigen, sind ein Plastikkamm und eine Katze. Das passiert, wenn Sie über die richtige Art von Teppich schlurfen und dann einen Zap bekommen, wenn Sie einen Metallgegenstand berühren. Reiben Sie einen Ballon an Ihrem Hemd, wodurch der Ballon an etwas anderem "kleben" kann. In diesem Fall kann die EMF die Elektronen nicht bewegen, zieht aber dennoch an ihnen, die dann wiederum an dem Ballon ziehen, an dem sie haften.

   Dieser Effekt kann hochskaliert werden, um unterschiedlich hohe Spannungen zu erzeugen, und ist die Grundlage für die Funktionsweise von Van de Graaff-Generatoren .

5. Thermoelektrisch. Ein Temperaturgradient entlang der meisten Leiter verursacht eine Spannung. Dies wird als Siebeck- Effekt bezeichnet. Leider kann man das nicht nutzen, denn um diese Spannung zu nutzen, gibt es schließlich einen geschlossenen Regelkreis. Jede durch einen Temperaturanstieg in einem Teil der Schleife gewonnene Spannung wird dann durch eine Temperaturabnahme in einem anderen Teil der Schleife ausgeglichen. Der Trick besteht darin, zwei unterschiedliche Materialien zu verwenden, die aufgrund des gleichen Temperaturgradienten eine unterschiedliche Spannung aufweisen (unterschiedlicher Siebeck-Koeffizient). Verwenden Sie ein Material, das zu einer Wärmequelle geht, und ein anderes, das zurückkommt, und Sie erhalten eine Nettospannung, die Sie bei derselben Temperatur verwenden können.

   Die Gesamtspannung, die Sie von einem Hin- und Rückleiter erhalten, ist selbst bei einem hohen Temperaturunterschied ziemlich gering. Indem Sie viele dieser Ausgangs- und Rückkombinationen zusammenfügen, können Sie eine nützliche Spannung erhalten. Ein einzelnes Hin und Her wird als Thermoelement bezeichnet und kann zum Erfassen der Temperatur verwendet werden. Viele zusammen ist ein Thermoelement-Generator. Ja, die gibt es tatsächlich. Es gab Raumfahrzeuge, die nach diesem Prinzip angetrieben wurden, wobei die Wärmequelle aus dem Zerfall eines Radioisotops stammte.

6. Thermionisch . Wenn Sie etwas hoch genug erhitzen (100 ° C), bewegen sich die Elektronen auf seiner Oberfläche so schnell, dass sie manchmal davonfliegen. Wenn sie einen kälteren Landeplatz haben (damit sie von dort nicht wieder wegfliegen), haben Sie einen thermionischen Generator. Das mag weit hergeholt klingen, aber es gab auch Raumfahrzeuge, die nach diesem Prinzip angetrieben wurden, wobei die Wärmequelle wiederum der Radioisotopenzerfall war.

   Elektronenröhren nutzen dieses Prinzip teilweise. Anstatt etwas so zu erhitzen, dass 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 wichtig für die meisten Vakuumröhren. Deshalb hatten diese Röhren Heizungen und man konnte sie glühen sehen. Es braucht glühende Temperaturen, um dorthin zu gelangen, wo der thermionische Effekt signifikant ist.

7. Piezoelektrisch. Bestimmte Materialien (z. B. Quarzkristall) erzeugen eine Spannung, wenn Sie sie zusammendrücken. Einige Mikrofone arbeiten nach diesem Prinzip. Die unterschiedlichen Druckwellen in der Luft, die wir Schallquetschen nennen, zerquetschen abwechselnd einen Quarzkristall, wodurch dieser winzige Spannungswellen erzeugt. Wir können sie verstärken, um schließlich Signale zu erzeugen, die Sie aufnehmen können, Lautsprecher ansteuern, damit Sie sie hören können usw.

   Dieses Prinzip kommt auch bei vielen Grillanzündern zum Einsatz. Ein Federmechanismus schlägt ziemlich hart auf einen Quarzkristall, so dass er genug Spannung erzeugt, um einen Funken zu erzeugen.

Unter Verwendung einer Flüssigkeitsanalogie ist Spannung der Druck, Strom die Durchflussrate.

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

Alles beginnt mit der Kraft zwischen zwei Punktladungen. Lassen Sie die Gebühren der Punkte$P_1$und$P_2$sein$q_1$und$q_2$. Lassen Sie den Abstand zwischen ihnen sein$r$. Der Hauptsatz besagt, dass die Kraft zwischen diesen beiden Ladungen proportional zur Menge der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Ladungen ist. Das ist:

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

Lassen Sie den Standort und die Gebühr von$P_1$repariert sein. Nun hängt die Kraft vom Ort und der Ladung ab$P_2$. Also definieren wir ein Vektorfeld namens "Elektrostatisches Feld". Die Richtung des Vektorfeldes ist die gleiche wie die Richtung des Kraftfeldes dazwischen$P_1$und$P_2$wann$q_2$ist eine positive Einheitsladung. Und die Größe des Feldes ist die Kraft pro Ladung$q_1$wann$q_2$ist eine positive Einheitsladung. Das ist:

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

Wir machen$q_1$Annäherung an Null, um einige andere elektromagnetische Effekte zu vernachlässigen; lass dich nicht so sehr verwirren. Es ist so etwas wie "eine Aura, die in der Lage ist, eine gewisse Kraft pro elektrischer Ladung zu erzeugen". Seine Richtung ist dieselbe wie die Richtung der Kraft, die es erzeugt, und seine Größe ist proportional zur Größe der Kraft.

Jetzt sehen wir, dass diese von uns definierten Größen einigen anderen physikalischen Größen, die wir kennen, sehr ähnlich sind. Zum Beispiel ist die obige Kraft der Kraft zwischen der Erde und einem Weltraumobjekt wie dem Mond sehr ähnlich. Und die$\bar{E}$Feld ist dem Gravitationsfeld der Erde sehr ähnlich.

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

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

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

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

Beachten Sie, dass das elektrische Feld kräuselfrei ist, was bedeutet, dass es immer als Gradient eines Skalarfelds dargestellt werden kann ($\bar{E} = - \bar{\nabla} V$). Diese Linienintegrale sind wegunabhängig.

Das ist also die Definition des Potentialfeldes. Ein Punkt hat immer ein Potenzial, auch wenn keine Ladung darauf ist. Stellen Sie es sich als "die Energie vor, die benötigt wird, um eine Einheitsladung aus der Unendlichkeit dorthin zu bringen". Potentialunterschied zwischen zwei Punkten ist ähnlich; Es ist die Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von einem Punkt zum anderen zu transportieren. Oder denken Sie es an einem konkreteren Beispiel wie bei Himmelskörpern. 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-Objekten in den angegebenen Höhen.

Wenn wir in die reale Welt kommen, ist das Potential eines Punktes eines von allen individuellen Potentialen, die durch die umgebenden Ladungen verursacht werden (es gilt die Theorie der Überlagerung).

Eine Spannung tritt immer dann auf, wenn ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung (z. B. Elektronen) besteht. Da sich gleiche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen, erzeugt jede Ansammlung elektrisch geladener Teilchen eine Art Kraft aufeinander. Bei einem Ungleichgewicht von negativ zu positiv entsteht eine Art „Druck“ oder „Schub“. In leitenden Materialien können Elektronen frei durch das Material fließen, anstatt in Atomen fixiert zu sein, und fließen daher bis zum Punkt des geringsten "Drucks".

Einige erschwerende Überlegungen:

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

Eine Definition, die ich gehört habe, ist:

Spannung ist das Potenzial (für Ladung), Arbeit zu verrichten.

Mit anderen Worten, Spannung ist die Energie, die einer Ladungseinheit gegeben wird, dh$V = {dE \over dQ}$, wo$E$ist Energie u$Q$ist kostenlos.

Der Quickie, erste Annäherung, Faustregel: Spannung ist elektrischer Druck.

Aber erweitern Sie das: Spannung ist nicht wie Druck, nicht genau. Stattdessen handelt es sich um ein mathematisch-physikalisches Konzept namens „Potentiale“. Die Spannung ist eher wie die Höhe in einem Gravitationsfeld, wo jedes Elektron oder Proton wie ein Felsbrocken ist. Höhe ist nicht Druck oder Gewicht oder Kraft. Wenn sich ein Felsbrocken auf der Spitze eines Hügels befindet, befindet sich der Felsbrocken an einem Standort mit hohem Potenzial. Dies bedeutet, dass der Felsbrocken potenzielle Energie (PE) speichert und diese Energie als kinetische Energie (KE) freisetzt, wenn er sich bergab bewegen darf (an einen Ort mit niedrigem Potenzial bewegen). Auf die gleiche Spannung (Höhe) angehoben größere Felsbrocken hätte einen höheren PE.

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

Spannung ist eine Möglichkeit elektrische Felder zu beschreiben/visualisieren/messen.

Um E-Felder zu beschreiben, können wir Flusslinien zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen ziehen. Oder wir können stattdessen das Spannungsmuster zeichnen, die Isopotentialflächen, indem wir sie senkrecht zu den Flusslinien zeichnen. 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“, das weder Energie noch „Potenzial, etwas zu tun“ ist. Hier ist ein weiterer Irrtum: "Spannung ist die potenzielle Energie pro Ladungseinheit." Nein, falsch. Das ist nur die physikalische Definition der Volt-Einheit, die mit Joule- und Coulomb-Einheiten verknüpft wird. Eigentlich geht es umgekehrt: Die Energiemenge (Arbeitsmenge, die verrichtet wird, um eine Ladung über eine bestimmte Spannungsdifferenz zu bewegen) wird durch Multiplizieren von Ladung mit Spannungsänderung ermittelt! Elektrische Energie wird durch Spannung bestimmt! Aber Spannung selbst benötigt keine bewegliche Ladung oder gespeicherte potentielle Energie, da Spannung eine Möglichkeit ist, ein Feld im leeren Raum zu beschreiben. Die zur Beschreibung der Spannung verwendeten Testladungen sind imaginäre infinitesimale Ladungen. Ein weiterer Irrtum: "Spannung erscheint auf der Oberfläche von Drähten." Falsch, die Spannung erstreckt sich tatsächlich in den Raum um die Drähte herum. Auf halbem Weg zwischen Ihren 9-V-Batterieklemmen finden Sie ein 4,5-V-Potenzial, das allein im leeren Raum hängt! Aber typische Voltmeter erkennen die Raumspannung nicht, da dies ein Voltmeter mit unendlichem Z (inp) oder mindestens einigen hundert Gigaohm erfordert. Normale 10-Meg-DMM-Voltmeter ziehen erheblichen Strom und schließen alle reinen E-Felder kurz, sodass sie Leiteroberflächen berühren müssen, um die Spannung zu messen. 5V-Potenzial, allein im leeren Raum hängend! Aber typische Voltmeter erkennen die Raumspannung nicht, da dies ein Voltmeter mit unendlichem Z (inp) oder mindestens einigen hundert Gigaohm erfordert. Normale 10-Meg-DMM-Voltmeter ziehen erheblichen Strom und schließen alle reinen E-Felder kurz, sodass sie Leiteroberflächen berühren müssen, um die Spannung zu messen. 5V-Potenzial, allein im leeren Raum hängend! Aber typische Voltmeter erkennen die Raumspannung nicht, da dies ein Voltmeter mit unendlichem Z (inp) oder mindestens einigen hundert Gigaohm erfordert. Normale 10-Meg-DMM-Voltmeter ziehen erheblichen Strom und schließen alle reinen E-Felder kurz, sodass sie Leiteroberflächen berühren müssen, um die Spannung zu messen.

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

Eigentlich können wir das nicht.

Die elektrostatische Kraft ist proportional zum Potentialgradienten, aber nicht direkt zum Potential. Die Kraft auf eine Ladung von einem Coulomb ist proportional zum Potentialgradienten:

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

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

Ergänzend zu dem, was Gunnish sagte:

Die Spannung am 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 definiert) nach A drücken würden.

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

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