Wie hängen Spannung und Spannungsabfall über einem Stromkreis mit der geleisteten Arbeit zusammen?

Bei der Spannung habe ich noch ein paar Unsicherheiten. Ich habe die Absätze in meiner Gedankenfolge zur leichteren Bezugnahme nummeriert.

  1. In einer Reihenschaltung weiß ich, dass Spannung das elektrische Potenzial ist und das Potenzial für Arbeit darstellt, aber das bedeutet nicht, dass jedes Elektron, das sich in einem 10-Volt-Stromkreis bewegt, von Anfang bis Ende die gleiche Menge an Arbeit leistet, oder?

  2. Was ich meine ist, sagen wir, Sie haben eine 10-Volt-Reihenschaltung mit einem 1-Ohm-Draht. Wenn man ein Elektron im Strom von Anfang bis Ende verfolgt, da durch die Spannung Arbeit am Elektron verrichtet wird, sinkt sein Potential, bis es am Ende des Stromkreises 0 erreicht.

  3. Aber wenn wir den Widerstand des Drahtes auf 5 Ohm erhöhen, würde es 5x länger dauern, bis das Elektron das Ende des Stromkreises erreicht, weil der Strom 1/5 betragen würde, richtig?

  4. Aber das bedeutet dann, dass das Elektron in der 5-Ohm-Schaltung über die 5-fache Dauer die 5-fache Menge an Arbeit (oder die daran geleistete Arbeit) der 1-Ohm-Schaltung geleistet hätte.

  5. Ich weiß, dass die pro Sekunde geleistete Arbeit gleich ist, aber letztendlich, wenn jedes Elektron in der 5-Ohm-Schaltung im Laufe der Schaltung mehr Arbeit geleistet hat, kann die Spannung kein Ausdruck der Gesamtarbeit sein, die von p1 (Beginn von Stromkreis) zu p2 (Ende), richtig? Ich glaube, ich dachte zuerst, weil die Spannung sich auf das Arbeitspotential bezieht und die Spannung am Ende des Stromkreises immer von voll auf 0 abfällt, also nahm ich an, dass die Arbeit unabhängig vom Stromkreiswiderstand gleich sein muss.

  6. Bedeutet dies also, dass die Aufteilung der Spannung auf die Komponenten der Schaltung wirklich das Verhältnis darstellt, wo in der Schaltung die Arbeit verrichtet wird?

  7. dh in einer 12-V-Reihenschaltung mit einem 3-Ohm-Widerstand und einem 1-Ohm-Widerstand würde es einen Spannungsabfall von 9 V über dem 3-Ohm-Widerstand und 3 Volt über dem 1-Ohm-Widerstand geben, richtig? was bedeuten würde, dass 75% der in der Schaltung geleisteten Gesamtarbeit am 3-Ohm-Widerstand anfielen?

  8. Aber warum fällt die Spannung über einem Widerstand umso weniger ab, je mehr Widerstände Sie in Reihe schalten? Ich weiß, dass mit mehr Widerständen der Strom geringer wäre. Nimmt der Spannungsabfall über einem Widerstand ab, wenn der Strom abnimmt?

Antworten (3)

Wie hängen Spannung und Spannungsabfall über einem Stromkreis mit der geleisteten Arbeit zusammen?

Die Volt-Einheit ist Energie, die auf Einheitsladung normalisiert ist; Joule pro Coulomb .

Da die Amp-Einheit Coulomb pro Sekunde ist , ist das Produkt aus der Spannung über und dem Strom durch ein Schaltungselement die dem Schaltungselement zugeordnete Leistung .

Bei einem Gleichstromkreis sind Spannung und Strom konstant , daher ist die von einem Schaltungselement über einen bestimmten Zeitraum gelieferte oder gelieferte Energie das Produkt aus der Spannung über, dem Strom durch und der verstrichenen Zeit.

Nun, der Rest Ihrer Frage enthält Missverständnisse, die zu zahlreich sind, um sie hier zu entwirren. Ich empfehle Ihnen, noch mehr zu lesen und sorgfältig darüber nachzudenken, insbesondere über grundlegende Schaltungsgesetze . Beispielsweise gibt Ihnen das Ohmsche Gesetz sofort die Antwort auf Ihre Frage "Fällt die Spannung über einem Widerstand ab, wenn der Strom abnimmt?"

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom durch einen Leiter zwischen zwei Punkten direkt proportional zur Potentialdifferenz zwischen den beiden Punkten ist.

Außerdem empfehle ich, William J. Beatys Website „ Electricity Misconceptions Spread by Textbooks “ zu lesen.

Werfen Sie zunächst einen Blick auf Elektrischer Strom ist ein Energiefluss? Falsch.

> Die Einheit Volt ist Energie, die auf die Ladungseinheit normalisiert ist; Joule pro Coulomb.

Aber das bedeutet dann, dass das Elektron in der 5-Ohm-Schaltung über die 5-fache Dauer die 5-fache Menge an Arbeit (oder die daran geleistete Arbeit) der 1-Ohm-Schaltung geleistet hätte.

Sie verwechseln hier Arbeit mit Macht.

Arbeit hat nichts mit Dauer zu tun. Überquert ein Elektron eine Potentialdifferenz von v mit jedem Widerstand dazwischen ist die geleistete Arbeit dieselbe, e v . Es spielt keine Rolle, ob es eine Minute oder ein Jahr dauert, bis das Elektron vorbei ist.

Das ist die Definition von Potential – es ist proportional zu der Arbeit, die geleistet wird, um eine Einheitsladung auf einem beliebigen Weg über zwei Punkte zu bewegen . Der Weg spielt keine Rolle, solange das System ein elektrostatisches ist.

Ich weiß, dass die pro Sekunde geleistete Arbeit gleich ist

Wieder nein. Arbeit pro Sekunde ist Leistung, und Leistung ist v 2 R für dieses System und ist nicht konstant, wenn wir variieren R

Danke für Ihre Antwort. In Bezug auf diesen Kommentar: "Das ist die Definition von Potential - es ist proportional zu der Arbeit, die beim Bewegen einer Einheitsladung über zwei Punkte auf einem beliebigen Weg geleistet wird. Der Weg spielt keine Rolle, solange das System ein elektrostatisches System ist." Ich bin hier etwas verwirrt. Wenn ich also einen 10-Volt-Stromkreis mit einer Länge von 500 Meilen und einen 10-Volt-Stromkreis mit einer Länge von 5 Zoll hätte, wäre die Arbeit, die beim Transport eines Elektrons von einem Ende zum anderen geleistet wird, in beiden Fällen gleich?
@ user1299028 Ja.
Ohhh, liegt das ungefähr an der ewigen, unveränderlichen Natur der elektrischen Ladung? Wie in, eine Potentialdifferenz von 10 Volt übt unabhängig davon die gleiche Kraft (funktioniert die gleiche) auf den Stromkreis aus, und die Verschiebung der Elektronen im Stromkreis ist eine irrelevante Folge, die diese feste Arbeitsmenge nicht ändert?
@ user1299028 Eine Potentialdifferenz von 10 V übt nicht die gleiche Kraft aus. Du denkst an elektrisches Feld. Eine Potentialdifferenz von 10 V ist so definiert , dass sich die geleistete Arbeit nicht ändert. (Nun, nicht genau, es ist als Linienintegral definiert, aber es stellt sich als konservativ für curl-lose Felder heraus.)
Hmmmm, wenn sich also die Arbeit nicht ändert, welcher Aspekt des Systems ändert sich, wenn die Entfernung der Schaltung zunimmt, sodass die Arbeit unverändert bleibt? Ich weiß, dass der Widerstand steigen würde und der Strom folglich sinken würde. Ich denke, ich ziehe in meinem Kopf unangemessene mechanische Parallelen, wie ich mir vorstelle, dass die Spannungsquelle die Elektronen "drückt", und es scheint, als würde je weiter sie gedrückt werden, desto mehr Arbeit geleistet werden.
@ user1299028 Die aktuellen Änderungen. Ziehen Sie keine Parallelen zur Mechanik, Spannung funktioniert so nicht.
Lol woops, was für ein peinliches Versehen. Ich war so in meinen Analogien gefangen, dass ich durcheinander kam. Ja, das Bewegen eines großen Stroms über eine kurze Distanz funktioniert genauso wie das Bewegen eines kleinen Stroms über eine lange Distanz. Irgendwie kam ich durcheinander und begann mir zu sagen, dass die Erhöhung des Widerstands von einem Fernkreis bedeutet, dass die Spannung "härter arbeiten" müsste.
Dann zu sagen, dass "der Widerstand über längere Stromkreislängen zunimmt", ist nur eine andere Art zu sagen, dass der feste Arbeitsaufwand, den eine Potentialdifferenz leistet, nur ausreicht, um immer niedrigere Stromwerte aufzunehmen, je länger der Stromkreis wird ... denke ich .

Dies sollte helfen.

Für eine konservative Kraft wie die Schwerkraft oder ein elektrostatisches Feld können wir das Negative der von der Kraft geleisteten Arbeit als Änderung einer potentiellen Energie definieren. Eine Änderung der potentiellen Energie ist also nur eine einfache Möglichkeit, die von einer konservativen Kraft geleistete Arbeit zu bewerten.

Spannung ist die potenzielle Energie pro Ladungseinheit für eine elektrostatische Kraft. Bei einem Stromkreis ist der Spannungsabfall (ein negativer Wert) die positive Arbeit, die das elektrostatische Feld pro Ladungseinheit verrichtet.

Dies ist ähnlich wie die Schwerkraft, eine konservative Kraft. Für ein erdnahes Objekt der Masse m, das der Erdbeschleunigung g ausgesetzt ist, ist die Kraft mg. Die potentielle Energie ist mgh, wobei h die Höhe ist. Für ein Objekt, das aufgrund der Schwerkraft von einer hohen Höhe h1 auf eine niedrige Höhe h2 fällt, ist die durch die Schwerkraft verrichtete Arbeit -mg(h2 - h1), ein positiver Wert, und die entsprechende Änderung der potentiellen Energie ist mg( h2 - h1), ein negativer Wert. Die Schwerkraftarbeit ist gleich dem Negativen der Änderung der potentiellen Energie.

Warum nutzen wir potentielle Energie statt Arbeit? Es vereinfacht die Auswertung. Wenn zum Beispiel ein Objekt nach oben, unten und überall herum bewegt wird, ist es nicht einfach, die Arbeit aus der Schwerkraft als Integral des Punktprodukts der Kraft mit der zurückgelegten Differenzstrecke zu berechnen, aber es ist sehr einfach, die Potentialänderung zu berechnen Energie als Differenz zwischen End- und Anfangshöhe. In ähnlicher Weise ist in einem Stromkreis die Verwendung einer Änderung der potentiellen Energie einfacher als die Auswertung der von der elektrostatischen Kraft geleisteten Arbeit.

Wie hängen Spannung und Spannungsabfall über einem Stromkreis mit der geleisteten Arbeit zusammen?
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