Was ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und einer Batterie?

Ok, ich beginne meine Frage mit etwas Hintergrund: (Korrigieren Sie mich, wenn ich etwas falsch mache - aber seien Sie nicht wählerisch).

  • Lassen Sie den Elektromagnetismus für diese Diskussion beiseite - ein elektrisches Feld ist ein Raum, in dem eine elektrische Ladung Kraft erfährt.
  • Was ein elektrisches Feld erzeugt, ist eine elektrische Ladung. Elektrische Ladung ist eine Eigenschaft von Materie und kann entweder positiv oder negativ sein.
  • Wenn ein geladenes Material in ein elektrisches Feld gebracht wird, erfährt es eine Kraft, die es abstößt oder anzieht, abhängig von der Richtung des Feldes und der Art der Ladung.

Lassen Sie uns nun über Spannung sprechen - elektrische Potentialdifferenz. Jedes Video oder jeder Artikel, den ich darüber gesehen oder gelesen habe, erklärte das Konzept der elektrischen Potentialdifferenz unter Verwendung der Analogie zur Gravitationspotentialdifferenz auf diese Weise:

Gravitationspotentialenergie (PEg) ist die in einem Objekt gespeicherte potentielle Energie in Bezug auf einen anderen Punkt, der niedriger ist als der aktuelle Standort. Es ist M ∗ G ∗ H wobei h das Delta zwischen den beiden Punkten ist.
Das Gravitationspotential (Pg) ist eine Positionseigenschaft: Es ist das PEg (in Joule) pro kg Masse. Jedes kg, das Sie an dieser Stelle platzieren, enthält also diese Menge an Joule. Was uns schließlich wirklich interessiert, wenn wir über das Potenzial einer Position sprechen, ist die potenzielle Differenz zwischen dieser Position und einer anderen Position.

Sehen wir uns nun an, wie sich das auf Elektrizität übertragen lässt:
In der Elektrizität haben wir, ähnlich wie in der Schwerkraft, ein Feld, das eine Kraft auf Objekte ausübt. Diesmal sprechen wir eher von Ladungen als von Masse. Die elektrische potentielle Energie (PEe) ist die Energiemenge (Joule), die eine bestimmte Ladungsmenge besitzt, wenn sie an einer bestimmten Position im Feld platziert wird. Aber noch einmal: Diese Energiemenge ist nur im Vergleich zu einer anderen Position relevant. Ich meine - der PEe ist, wie viel Arbeit erforderlich ist, um diese Ladung von einer anderen Position zu dieser Position zu bringen, und wie viel Energie sie speichert, wenn sie an dieser Position platziert wird. Dasselbe wie bei der Schwerkraft – Potential (Pe) ist eine Positionseigenschaft im Feld und definiert, wie viel PEe ein Coulomb der Ladung an dieser Position halten wird.

So weit so gut, aber es gibt 2 grundlegende Dinge, die ich bei all dem nicht ganz verstehe:

  1. Wenn wir über Schwerkraft sprechen, sprechen wir über ein System. Richtig ist, dass das Potenzial einer Position nur im Vergleich zu einer anderen Position relevant ist. Aber schließlich können alle Positionen auf der Welt auf eine Position bezogen werden - sei es der Erdmittelpunkt oder der Meeresspiegel. Wie lässt sich das auf elektrische Felder übertragen?

  2. Ich verstehe nicht ganz, wie dieses Modell zum Beispiel in einer 9-V-Batterie angewendet wird. Alle Videos, die ich mir angesehen habe, zeigen dieses große Schweben irgendwo im Weltraum und sprechen dann über das kleine Q, das zum großen Q geschoben wird

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Wie passt dieses Modell in eine Batterie (oder eine andere Gleichstromversorgung)? Was ist die Quelle des elektrischen Feldes? Und - soweit ich verstehe - Spannung ist die bloße Differenz des elektrischen Potentials zwischen zwei Punkten. Wenn wir also alle zwei Punkte im Feld nehmen, können wir die Spannung zwischen ihnen berechnen. Aber wenn wir dort keine Ladungen anbringen, gibt es keinen Strom. Aber bei Batterien sagen wir, dass das bloße Vorhandensein von Spannung bedeutet, dass Strom fließt, wenn wir den Stromkreis schließen.

BEARBEITEN

Ich werde versuchen, die Frage klarer zu stellen: Wenn wir über potenzielle Gravitationsenergie sprechen, hat jeder Punkt, den wir wählen, eine gewisse Höhe. Wir können immer 2 Punkte nehmen (lassen wir den Weltraum für diese Diskussion weg) und den Unterschied zwischen ihnen erkennen. Meine Frage ist: Ist das beim Strom auch so? Gibt es einen Bezugspunkt, auf den wir uns alle einigen können, und den wir alle zwei Positionen auf der Welt messen und den Unterschied zwischen ihnen erkennen können?

Anscheinend gehen Sie davon aus, dass es im Falle der Schwerkraft einen allgemein anerkannten Bezugspunkt gibt: den Erdmittelpunkt. Das ist nicht wahr. Ich kann den Erdmittelpunkt nehmen, wenn das bequem ist, zB Newtons Gravitationstheorie. Aber wenn ich Bälle fallen lasse, kann ich annehmen, dass die Null die Tischplatte, der Boden oder der Boden ist. Das gleiche gilt in einer Schaltung. Ich habe den Potentialnullpunkt ( Masse genannt ) an einer geeigneten Stelle platziert. Der Minuspol der Batterie, ein Punkt am unteren Rand meines Schaltplans oder die Masse. :-)
Nein, ich sage, wenn Sie sich einmal auf einen Referenzstandort geeinigt haben, können sich alle anderen Standorte darauf beziehen. Und ich verstehe nicht, ob es einen solchen Referenzort im elektrischen Potenzial gibt. Gibt es einen Ort, von dem wir sagen können: Das ist 0 Potenzial, und ALLE anderen Orte IRGENDWO beziehen sich darauf?

Antworten (3)

Alle Positionen der Welt können auf eine Position bezogen werden - sei es der Erdmittelpunkt oder der Meeresspiegel. Wie lässt sich das auf elektrische Felder übertragen?

Der Bezugspunkt ist willkürlich gewählt, ja. Aber es muss nicht der Meeresspiegel sein (nicht zuletzt, da der Meeresspiegel nur lokal konstant ist und nicht, wenn man den Globus betrachtet) und es muss nicht der Erdmittelpunkt sein (Sie können ein niedrigeres Regal als Nullreferenz wählen so dass ein Topf auf einem höheren Regal mit potenzieller Gravitationsenergie verbunden ist).

In der Astrophysik im Allgemeinen würden Sie Ihre Nullreferenz nicht auf die Erde stützen. Vielmehr definieren Sie potenzielle Nullenergie als einen unendlich weit entfernten Punkt. Die einem Objekt auf der Erde zugeordnete potentielle Energie ist bei dieser Bezugswahl negativ . Und mit der Entfernung über dem Boden zunimmt (weniger negativ wird). Aber auch hier ist der Wert nicht wichtig - nur der Unterschied.

In der Elektrik wird die Nullreferenz oft entweder als Pol der Batterie/Spannungsquelle oder einfach als Masse (Erde) gewählt. Aber auch hier ist die Auswahl willkürlich und es kommt nur auf die Differenz zwischen Punkten an, wie Sie auch erwähnt haben.

Beachten Sie, dass Gravitations- und elektrische potentielle Energie sehr vergleichbar sind, selbst in ihrer umgekehrten Proportionalität zur Entfernung:

U G = G M M R U e = k Q Q R .

Was ist die Quelle des elektrischen Feldes?

Die Quelle jedes elektrischen Feldes ist eine Ansammlung von Ladungen. Beim Umgang mit einer Batterie bewegen normalerweise interne chemische Vorgänge Ladungen zu einem Anschluss und akkumulieren sie dort, bis das aufgebaute elektrische Feld die chemischen Kräfte aufhebt.

Der chemische Prozess könnte über eine Ladungstrennung ablaufen, bei der Elektronen von Molekülen getrennt werden – diese Moleküle können sich dann wiederum als Ionen durch die Elektrolytflüssigkeit bewegen, während die Elektronen dies nicht können. Stattdessen müssen sich die Elektronen durch den externen Stromkreis bewegen. Am anderen Ende, wenn sowohl Ion als auch Elektron angekommen sind, können sie rekombinieren.

Der Grund für das Vorhandensein eines elektrischen Felds, nach dem Sie fragen, liegt sowohl an den am Anschluss angesammelten Elektronen, die große elektrische Abstoßungskräfte verursachen, um Elektronen in den externen Stromkreis zu drücken, als auch an dem Mangel an Elektronen (relative positive Ladung). am anderen Anschluss verursachen eine große Anziehungskraft.

Wenn Sie keinen externen Stromkreis anschließen, können sich die Elektronen nicht bewegen und müssen am Anfangsanschluss bleiben.

„Oder einfach als Boden“ – meinst du den Erdboden? Oder dass wir einen der Pole Erde nennen?
@YoavKlein Ja, die Bezugnahme auf "Boden" ist normalerweise immer die physische Erde. Dies wird für die meisten praktischen Zwecke als bodenlose Ladungssenke angesehen.
Eine andere Frage: Sie sagen, dass die Akkumulation von Ladungen das elektrische Feld erzeugt. Warum können wir also nicht sagen, dass eine Region im Weltraum ohne elektrisches Feld als potenzielle Nullenergie betrachtet wird? Nehmen Sie zum Beispiel einen Gegenstand – einen Apfel. Hat es eine Akkumulation von Gebühren?
@YoavKlein " Warum können wir nicht sagen, dass eine Region im Weltraum ohne elektrisches Feld als potenzielle Nullenergie angesehen wird? " Warum sagen wir, dass wir das nicht sagen können? Sie können den Nullpunkt frei wählen, also können wir dies tatsächlich sagen. Tatsächlich wird die Nullreferenz typischerweise so gewählt, dass sie ein Punkt ist, der unendlich weit von der Quelle entfernt ist, was einem Punkt ohne elektrisches Feld entspricht (das elektrische Feld nimmt mit der Entfernung an Größe ab). Ob ein Apfel Gebühren ansammelt, ist dafür nicht relevant.
Ist der Mittelpunkt der Erde nicht ein Punkt mit 0 Potential?
@YoavKlein Wenn Sie eine Reihe von Ladungen in einem Objekt an der Erdoberfläche haben, erstreckt sich das durch diese Ladung erzeugte elektrische Feld weit. Der Erdmittelpunkt ist weit von dieser Ladung entfernt, sodass das von ihr verursachte elektrische Feld vernachlässigbar klein sein könnte. Aber sagen wir, der Mond ist noch weiter entfernt - also ist das Feld, egal welches Feld dort ist, niedriger als das im Erdmittelpunkt, obwohl der Unterschied vernachlässigbar sein könnte. Ein echter Nullfeldpunkt wird gefunden, wenn wir theoretisch unendlich weit von der Quelle entfernt sind.
Ich meinte 0 Gravitationspotential
@YoavKlein Die Anziehungskraft der Erde selbst hebt sich auf, wenn Sie sich im Zentrum befinden, ja. Trotzdem spüren Sie die Gravitationskraft von der Sonne, vom Mond usw. Relativ zu diesen Referenzen gibt es also eine gewisse potentielle Gravitationsenergie im Erdmittelpunkt. Aber noch einmal, ob Sie das Gravitationspotential im Erdmittelpunkt Null nennen , ist eine willkürliche Wahl. Wenn Sie es Null nennen, was in Ordnung ist, wird es negativ, wenn Sie sich beispielsweise der Sonne nähern.
Also, wenn ich es richtig verstehe, sagen Sie, dass jeder Punkt auf der Welt unter dem Einfluss jedes elektrischen Feldes steht, nur mit vernachlässigbarer Wirkung? So wie der Erdmittelpunkt unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes des Mondes steht?
@YoavKlein Theoretisch ja. Im Moment werden Sie vom Gravitationsfeld von Jupitor angezogen. Aber es ist vernachlässigbar. Felder erstrecken sich im Allgemeinen unendlich. Ihre Feldstärken fallen jedoch asymptotisch auf Null ab, sodass sie irgendwann als vernachlässigbar angesehen werden können.
Deshalb betrachten wir die Unendlichkeit als einen Punkt mit Nullpotential..?
@YoavKlein Ich würde es vermuten, ja.

Wenn wir bei der Analogie zur Schwerkraft bleiben wollen, kann die Batterie mit einem Wassersystem in einem Gebäude verglichen werden, wo das Wasser von der Versorgungsfirma zu einem Wasserkasten auf dem Dach gepumpt wird.

Das Wasser dort hat potenzielle Energie (und in den höheren Stockwerken können Probleme mit niedrigem Druck auftreten, da der Potenzialunterschied dort gering ist).

Sobald das Wasser von den Wohnungen verbraucht wird, schaltet sich die Pumpe automatisch ein und hält den Füllstand im Wasserkasten konstant. Das ist der entscheidende Teil: In der Batterie hält eine chemische Reaktion die Spannung konstant, während der Strom durch den Stromkreis fließt.

Die Wahl eines Nullpunktes im elektrischen Potential ist ebenso willkürlich wie beim Gravitationspotential. Ein praktisches Beispiel hierfür ist Boden. Wenn Sie eine Schaltung entwerfen, berechnen Sie alle Spannungen relativ zur Masse (sei es die Netzerde oder eine andere Masse), aber es gibt keinen Grund, warum Sie die positive Seite Ihres Widerstands (oder wo auch immer) nicht zum Nullpunkt machen könnten. Es verschiebt nur alles um einen gewissen Versatz, und wie Sie bereits erwähnt haben, ist das Einzige, was zählt, die potenzielle Differenz zwischen zwei Punkten. Die Wahl des Nullpunkts spielt also keine Rolle (obwohl Sie die Wahl im Allgemeinen treffen, damit Ihre Berechnungen einfacher sind).

Ich bin mir nicht sicher, wie viel Sie über Redoxchemie wissen, aber wenn wir nur eine einzelne Zelle betrachten, setzt eine Hälfte der Zelle spontan Elektronen frei und die andere absorbiert Elektronen. Dieser Überschuss an freien Elektronen / Nachfrage nach freien Elektronen erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen den beiden, und wenn Sie einen Kupferdraht anschließen, fließen Elektronen von einer Elektrode zur anderen. Um Ihre Frage zu beantworten, sind die überschüssigen Elektronen die Quelle des elektrischen Feldes.

Beide Pole der Batterie sind neutral, es gibt kein Ladungsungleichgewicht. Die Neutralität wird durch zwei verschiedene Prozesse aufrechterhalten: 1) Bewegung des Elektrons von der Anode zur Kathode 2) Diffusion von Ionen innerhalb der Batterie, um die Ladungsänderung aus Schritt 1 zu kompensieren
Danke @lamplamp, meine ursprüngliche Antwort war nebulös; Es ist nicht ganz richtig, dass es ein Ladungsungleichgewicht gibt. Ich habe es bearbeitet.
Was ist der Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und einer Batterie?
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