Wie soll ich über Spannung und Leistung denken?

Ich bewundere Ihre Entschlossenheit zu verstehen und Ihre Fragestellung. Ich werde versuchen, ein oder zwei Ihrer Punkte anzusprechen.

Zunächst einmal Potentialdifferenz im freien Raum in einem elektrischen Feld. Ich ziehe es vor, pd zwischen zwei Punkten, P und Q, als die Arbeit zu definieren , die das elektrische Feld an einer Ladung pro Ladungseinheit verrichtet , wenn es von P nach Q geht. Ein größerer pd zwischen den Punkten bedeutet also, dass mehr Arbeit an der verrichtet wird Ladung auf dem Weg von P nach Q, was nur eine größere elektrische Feldstärke bedeuten kann, also eine größere Kraft, die auf die Ladung einwirkt. [Arbeit = Kraft x Weg in Kraftrichtung, und wir betrachten den festen Abstand zwischen P und Q.]

Wenn Sie also ein pd zwischen den Enden eines Drahtes anlegen, erfahren die freien Elektronen im Draht Kräfte, die sie dazu drängen, sich durch den Draht zu bewegen. Aufgrund von Kollisionen zwischen den Elektronen und dem Ionengitter (vereinfacht gesagt) beschleunigen die Elektronen unter der Kraft des elektrischen Feldes nicht kontinuierlich, sondern erreichen eine konstante mittlere Geschwindigkeit (Driftgeschwindigkeit genannt ) . Wenn Sie den pd erhöhen, erhöhen Sie die Kraft auf jedes Elektron und die Driftgeschwindigkeit nimmt zu. Das bedeutet, dass pro Sekunde mehr Elektronen durch einen beliebigen Querschnitt des Drahtes fließen, d.h. der Strom steigt.

Springen Sie jetzt zum Ende Ihrer Frage: „Warum wird POTENTIAL-Energie pro Ladung zwischen zwei Punkten in THERMISCHE Energie umgewandelt? Ich dachte, wenn die Spannung ein Stoß wäre, würde die potenzielle Energie nur in kinetische Energie in den Elektronen umgewandelt werden, also wo wurde das getan? die Wärmeenergie kommt?"

(1) Spannung ist kein „Push“; seine Einheiten sind Joule pro Coulomb! Aber, wie ich oben zu erklären versucht habe, hängt es mit dem Stoß (das ist die Kraft) zusammen , den Ladungen in einem elektrischen Feld erhalten.

(2) Die Wärmeenergie kommt von den Kollisionen, die die Elektronen, die durch das elektrische Feld angetrieben werden und elektrische potentielle Energie verlieren, mit dem Ionengitter machen. Dies erhöht die zufällige Schwingungsenergie der Ionen. [Die zusätzliche kinetische Energie, die die Elektronen aufgrund der angelegten Spannung erhalten, ist ziemlich vernachlässigbar. Bei einem Strom von wenigen Ampere in einem gewöhnlichen Draht liegt die Driftgeschwindigkeit in der Größenordnung von einem Millimeter pro Sekunde.]

Tatsächlich treibt elektrisches Potential überhaupt keine Ladungen. Die Kraft auf ein Elektron beruht auf dem Gradienten des elektrischen Potentials: dem Betrag, um den sich das Potential pro Entfernungseinheit ändert. In einem gleichförmigen elektrischen Feld ändert sich das Potential gleichförmig entlang der Richtung des elektrischen Feldvektors. Beispielsweise kann das elektrische Potential in einer geladenen hohlen Metallkugel sehr hoch sein, aber ein Elektron würde überhaupt keine Kraft spüren, weil das elektrische Potential überall in der Kugel gleich wäre.

Ihre Wasserflaschenanalogie ist interessant und ziemlich aufschlussreich – aber nicht sehr einfach mit elektrischem Potenzial und Strom in Verbindung zu bringen. Die Geschwindigkeit, mit der Wasser aus der Flasche austritt, hängt von der Größe der Öffnung, den Eigenschaften des Wassers, der Stärke der Schwerkraft und dem Abstand von der Flaschenmündung zum oberen Rand des Wassers in der Flasche ab. Nur das Gravitationspotentialgefälle zwischen der Wasseroberfläche und der Flaschenmündung ist verfügbar, um das Wasser durch die Flaschenmündung zu "schieben". Wenn Sie die Flasche füllen und ihre Öffnung öffnen, nachdem Sie sie auf verschiedene Höhen angehoben haben, ändern Sie den Gradienten des Gravitationspotentials nicht. Beschleunigt man hingegen die Flasche nach oben, während das Wasser austritt, Sie werden feststellen, dass das Wasser schneller aus der Flasche austritt – da Beschleunigung und Schwerkraft genau gleich auf das Wasser wirken, wird die effektive Gravitationspotentialdifferenz zwischen der Oberseite des Wassers und der Flaschenöffnung erhöht. Lassen Sie die Flasche fallen, damit sie keine effektive Schwerkraft erfährt und das Wasser überhaupt nicht ausläuft.

Eine bessere Analogie wäre ein vertikales Rohr, das mit Kies gefüllt ist und auf dem sich ein Wasserreservoir befindet. Das Wasser würde mit einer durch den Druckgradienten bestimmten Geschwindigkeit durch den Sand sickern. Wenn das Rohr vertikal ist, ist der Druckabfall von oben nach unten maximal und das Wasser sickert mit maximaler Geschwindigkeit durch. Neigen Sie das Rohr um 45 Grad zu einer Seite, und der Druckabfall wird reduziert, da die effektive Höhe des Rohrs reduziert wird. Der Druckgradient steht in direktem Zusammenhang mit dem Gravitationspotentialgradienten. Das heißt, die Gravitationspotentialdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Rohrs wird verringert. Aber was das Wasser antreibt, ist nicht die Potentialdifferenz, sondern der Potentialgradient. Erhöhen Sie die Potentialdifferenz und die Potentialgradientenänderungen im Rohr; aber es'

Wenn wir eine Schaltung mit drei Widerständen haben und, ohne die Spannung der Quelle zu ändern, 1 Widerstand mit dem äquivalenten Widerstand haben, wird offensichtlich mehr Leistung als Wärme abgeführt.

Mehr Leistung als was? Er verbraucht die gleiche Leistung wie die drei kleineren Widerstände zusammen.

Da der Widerstand gleich ist, ist der Strom gleich. Wenn Strom und Spannung gleich sind, dann ist auch die Verlustleistung gleich. Es wird nur in einem Widerstand statt in drei getan.

Ich weiß, das ist sehr alt, aber ich möchte auf die Analogie mit einer Wasserflasche antworten.

Der Grund, warum das Wasser nicht schneller oder langsamer fließt, wenn Sie Ihre Flasche auf und ab bewegen, liegt an der Größe der Erde und daran, wie nahe wir ihr sind. Die Gravitationskraftgleichung lautet$F_g= \frac{G.m_1.m_2}{r^2}$. Sie können aus dieser Gleichung ersehen, dass die Kraft tatsächlich mit der Entfernung variieren würde. Aber da der Radius r vom Erdmittelpunkt genommen wird, der im Vergleich zu Ihrem Abstand von der Oberfläche so riesig ist, ändert sich die Kraft so unglaublich leicht, dass wir es nicht einmal bemerken. Aus diesem Grund können wir für Situationen auf der Erde einfach den Erdradius für r verwenden, ohne zu berücksichtigen, wie weit sich das Objekt über der Oberfläche befindet. Das heißt, wir können G zusammenfassen,$m_1$(Erde) und$r^2$in eine Konstante - was sich als ungefähr herausstellt$9.81 ms^{-2}$. Und deshalb wird dieser Wert als Erdbeschleunigung bezeichnet. Technisch gesehen variiert es mit der Höhe, aber so wenig, dass es keinen merklichen Unterschied macht. Das Gleiche gilt in den meisten Situationen nicht für die Spannung.