Negative Spannung

Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten: eine technische und eine physikalische. Während viele Ingenieure es vorziehen, nur technisch zu denken (manchmal können sie nicht einmal erklären, wie das Zeug wirklich funktioniert), glaube ich, dass es sehr wichtig ist, die Konzepte zu kennen. Daher werde ich versuchen, Ihre Frage aus physikalischer Sicht zu beantworten (die viel länger ist). Sie können direkt zum Ende der Seite scrollen, um eine technische Antwort zu finden.

Bei der Elektrizität dreht sich alles um elektrische Ladungen und deren Bewegung. Eigentlich nichts weiter. Die einzig interessante Frage bei der Elektrizität ist: „ Welche Konfiguration wird angesichts der anfänglichen Konfiguration von Ladungen in einer zukünftigen Zeit (oder wie war sie in einer vergangenen Zeit) sein? “. Sie fragen sich jetzt vielleicht: "Aber was ist mit elektrischen und magnetischen Feldern? Was ist mit Widerstand, Kapazität und Induktivität? Was ist mit Halbleitern? Sind nicht alle diese Konzepte die Grundlage der Elektrizitätstheorie?". Die Antwort lautet: Nein, sind sie nicht. Wir kommen später zu Definitionen von Feldern, aber alle anderen Begriffe beschreiben lediglich, auf welche Weise ein bestimmtes Objekt die Ladungen beeinflusst, die sich durch es bewegen oder anfänglich darin vorhanden sind.

Ich werde versuchen, die Schichten zu beschreiben, die der Abstraktion zugrunde liegen, die wir „Elektrotechnik“ nennen. Ich werde versuchen, die genauen Schritte aufzuzeigen, die von Elementarteilchen zu Operationsverstärkern, Transformatoren usw. führen.

Elektrische Ladung und Kraft:

Physiker fanden heraus, dass die elektrischen Eigenschaften eines beliebigen Teilchens (Teilchen = Elementarteilchen) durch eine einzige Größe genau beschrieben werden können - eine elektrische Ladung. Die Ladung kann positiv oder negativ sein, und ihre Größe kann für verschiedene Teilchen variieren. Eine elektrische Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen wird vollständig durch die Ladungen der Teilchen und ihre Polarität (positiv oder negativ) bestimmt. Die Wechselwirkung ist entweder anziehend oder abstoßend (anziehend für Teilchen mit entgegengesetzter Polarität, abstoßend für Teilchen mit gleicher Polarität). Die vollständige Beschreibung der Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen kann mit einem einzigen mathematischen Konstrukt gegeben werden - einem Kraftvektor.

HINWEIS: In weiteren Abschnitten werde ich die Begriffe „Partikel“ und „Ladung“ austauschbar verwenden, während ich mich auf ein einzelnes Partikel beziehe.

Elektrisches Feld:

Sie können ein einzelnes Teilchen nicht mit einem Kraftkonzept beschreiben, da Kraft als Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen definiert ist; das Feld dagegen ist teilchenspezifisch. Das elektrische Feld eines einzelnen Teilchens ist eine mathematische Beschreibung (mathematisch: Vektorfeld) der Wirkung (elektrische Kraft), die dieses Teilchen auf jedes andere Teilchen im Universum hat, dividiert durch die Ladung des anderen Teilchens. Mit anderen Worten: Kraft = Feld*(Ladung des anderen Teilchens). Beachten Sie, dass das Feld nicht von selbst existiert, es ist nur eine bequeme Art, das Vorhandensein eines Teilchens zu beschreiben: Anstatt zu sagen „dort drüben ist eine elektrische Ladung“, sagt man „das Feld hier ist“, und diese Änderung in der Terminologie ist sehr praktisch, da es die "Lokalisierung" des Problems auf einen begrenzten Bereich ermöglicht.

Magnetfeld:

Magnetfeld ist ein Feld (mathematisch: Vektorfeld), das die Wirkung (magnetische Kraft) eines sich bewegenden Teilchens auf jedes andere sich bewegende Teilchen im Universum beschreibt. Magnetkraft und Magnetfeld hängen etwas kompliziert zusammen, deshalb beschreibe ich es hier nicht. Im Internet finden Sie viel Material. Tatsächlich ist dies eines der Konzepte, die nur studiert werden können, wenn Sie es brauchen. Eine wichtige Tatsache, die Sie sich merken sollten: Magnetfelder werden immer durch bewegte Ladungen erzeugt und wirken nur auf bewegte Ladungen. Eine unwichtige, aber interessante Tatsache, an die man sich erinnern sollte: Das Magnetfeld ist tatsächlich ein elektrisches Feld, das durch die Effekte der speziellen Relativitätstheorie transformiert wird.

(Elektrostatische) Energie:

Energie ist eines der breitesten Konzepte in der Physik. Im Wesentlichen können Sie sich Energie entweder als Abstraktion einer einzelnen Art von Wechselwirkungen von Teilchen oder als „Brücke“ vorstellen, die verschiedene Arten von Wechselwirkungen auf einen gemeinsamen Nenner bringt (oder beides).

Elektrostatische Energie abstrahiert elektrostatische Wechselwirkungen. Es ist definiert als die Menge an Arbeit, die Sie aus einer Kombination von Gebühren erhalten können. Sie werden vielleicht bemerken, dass ich den Begriff „Energie“ durch einen anderen ersetzt habe – „Arbeit“. Es liegt daran, dass ich es sehr schwierig finde, beides zu erklären. Viele graduierte Physiker verstehen diese Konzepte nicht vollständig. In wenigen Worten: Sie müssen Arbeit verrichten, um eine Ladung in einem elektrischen Feld zu bewegen, und die an der bewegten Ladung geleistete Arbeit bewirkt, dass die Energie der Ladung um die geleistete Arbeit zunimmt. Die gute Nachricht ist, dass Sie die physikalische Bedeutung von Energie und Arbeit nicht verstehen müssen, um ein guter Ingenieur zu werden. Wenn der Begriff "Energie" von den Ingenieuren verwendet wird, bezieht er sich auf die tatsächliche Energie, die Sie verwenden können, um "Arbeit" zu leisten. Zum Beispiel:

Es gibt jedoch eine sehr wichtige Tatsache über die elektrostatische Energie, an die Sie sich erinnern müssen: Egal, welchen Weg eine Ladung beim Bewegen von A nach B genommen hat, die Zunahme (oder vielleicht Abnahme) ihrer Energie wird immer gleich sein (die Arbeit getan ist das gleiche). Es mag für manche selbstverständlich klingen: „Nun, natürlich ist es so!“, ist es aber nicht! Denken Sie daran, einen Tisch von Punkt A nach B im Raum zu bewegen - es ist offensichtlich, dass Sie mehr Energie (in diesem Fall chemische Energie Ihres Körpers) benötigen, wenn Sie den Tisch aus dem Raum nehmen und dann zurückbringen wenn Sie es in einer geraden Linie von A nach B bewegt haben. Das obige Gegenbeispiel ist zwar wissenschaftlich nicht korrekt, unterstreicht aber den Punkt: Wenn sich eine Ladung von A nach B bewegt, ist die geleistete Arbeit unabhängig vom Weg!

(Elektrostatisches) Potential:

Potential ist ein Begriff, der sowohl in der Elektrotechnik als auch in der Physik vorkommt, was keine Seltenheit ist. Es ist jedoch ungewöhnlich, dass die Definition und Verwendung dieses Begriffs in diesen beiden Disziplinen identisch ist. In gewisser Weise kann man sagen, dass dieser Begriff eine Grenze zwischen Physik und Elektrotechnik darstellt.

Der Hauptzweck des Potentials besteht darin, zu beschreiben, wie sich die Energie eines Teilchens ändert, wenn es sich in einem Raum bewegt. Da ich den physikalischen Begriff „Energie“ nicht erklären konnte, kann ich den physikalischen Begriff „Potenzial“ nicht beschreiben. Aus technischer Sicht ist das Konzept jedoch relativ einfach: Es gibt verschiedene Potenziale an verschiedenen Stellen in meinem System. Wenn sich ein Teilchen von Punkt A nach Punkt B bewegt, gewinnt (oder verliert) es eine Energie von$(P_B-P_A)*Q$, Wo$P_x$ist das Potenzial am Punkt$x$Und$Q$ist die Ladung eines Teilchens.

Die wichtigste und verwirrendste Tatsache über Potentiale, an die man sich erinnern sollte: Die Größe des Potentials an einem einzelnen Punkt ist bedeutungslos, nur die Differenz zwischen Punkten ist signifikant (weil sie die Energie darstellt, die eine Ladung gewinnen kann, wenn sie sich zwischen diesen Punkten bewegt).

Man kann die Bedeutung der obigen Aussage nicht überschätzen. Es wird zum Alfa-und-Omega der Elektrotechnik, sobald es mit einem zusätzlichen grundlegenden Axiom aus der Welt der Physik kombiniert wird: Jedes Teilchen wird immer versuchen, seine Energie zu minimieren. Dies ist der Grund für den Stromfluss, sobald Sie einen Pfad bereitstellen: Wenn die Ladungen ihre Energie verringern können, während sie sich zu einem anderen Potenzial bewegen, werden sie dies tun.

Betrachten wir die wichtigste Aussage über Potentiale (Was war das? Sie erinnern sich nicht?!?! Gehen Sie zurück und lesen Sie die fett gedruckte Aussage noch einmal!!!): Ich habe nicht wirklich erklärt, wie man kann das Potenzial berechnen. Schlechte Nachrichten: Ohne zusätzliche Informationen geht es nicht. Gute Nachrichten: Die zusätzlichen Informationen wären nur eine einzige Nummer, die Sie auswählen können! Wovon zum Teufel rede ich? Nun, zuerst einmal langweilte ich mich etwas, deshalb fange ich an, auf sehr nervige Weise zu schreiben. Die obige Aussage ist jedoch völlig richtig - das Potential ist bis auf eine Konstante definiert, die Sie frei wählen können, aber es muss für alle Potentiale in Ihrem System dieselbe Konstante sein. Schau dir diese Gleichung an:$E_{gained} = (P_{final} - P_{initial})*Q$. Fügen Sie beiden eine beliebige Konstante hinzu$P$'s (dieselbe Konstante), wird das Ergebnis für die gewonnene Energie dasselbe sein! Aus diesem Grund können wir in unserer Schaltung ein Bezugspotential nach Belieben definieren - es zählt nur die Potentialdifferenz, und diese bleibt konstant, wenn wir alle Potentiale im System um eine Konstante verschieben.

Stromspannung:

Spannung zwischen Punkten ist nur eine Abkürzung für „Potenzialdifferenz zwischen Punkten“. Beachten Sie das Wort "Differenz" - die Spannung wird niemals für einen einzelnen Punkt in einer Schaltung definiert. Es ist immer ein Unterschied. Die übliche Praxis besteht darin, einen Knoten in einer Schaltung als Potential 0 zu definieren und dann die Spannungen anderer Punkte relativ zu dieser Null zu berechnen. Warum können wir das tun? Nun, gehen Sie zurück und lesen Sie den Abschnitt über Potenziale. Immer noch nicht verstanden? Nun, gehen Sie zurück zur vorherigen Anweisung, beginnend mit "well", und führen Sie sie aus.

Viele elektrische Schaltkreise sind tatsächlich entweder mit der Erde (dem Planeten, ja) oder etwas sehr "Großem" verbunden (kann eine erhebliche Menge an Ladung aufnehmen, ohne sein Potenzial zu ändern). Es gibt viele Gründe, dies zu tun, aber keiner davon steht in direktem Zusammenhang mit Ihrer Frage. Wenn eine solche Verbindung besteht, ist es normalerweise das bequemste Potential, als Null angenommen zu werden. Diese Referenz wird "Masse" genannt. Wie Sie jetzt wissen, ist dies jedoch nur eine Frage der Bequemlichkeit. Man könnte sagen, dass Masse auf Potential 100 liegt und alle anderen Potentiale im System relativ dazu berechnen. In Schaltungen, die nicht mit Erde oder ähnlichem verbunden sind, wird normalerweise der Nullpunkt als das negativste Potential genommen - dieser Ansatz stellt sicher, dass Sie nur mit nicht negativen Potentialen arbeiten müssen. Obwohl es bequem ist, ist es keine große Sache.

Den Kreis schließen:

Wenn jemand wirklich bis hierher gelesen hat - ich bin wirklich beeindruckt und es ist mir eine große Ehre. Ich bin mir sicher, dass sich all die oben genannten Informationen nicht in den Kopf eines (normalen) Menschen setzen können, nachdem sie einmal gelesen wurden. Wichtig ist, dass Sie sich die beiden fett gedruckten Sätze merken und wissen, wie Sie vom ersten zum zweiten kommen. Ich glaube, dass Sie ein bisschen mehr Ingenieur sein werden, wenn Sie wissen, wie man das macht.

Jeder abstrakte Begriff in der Technik lässt sich mit elektrischen Ladungen und deren Bewegung erklären: das Potential, die Spannung, der Widerstand, die Kapazität, die Induktivität, die Halbleiter usw. Allerdings müssen Ingenieure echte Arbeit leisten, und wenn Sie wollen Um produktiv zu sein, müssen Sie auf der höchsten Abstraktionsebene arbeiten, die für Ihre Aufgabe verfügbar ist.

Technische Antwort:

Die tatsächlichen Potentiale sind nicht wichtig - nur die Differenzen (Spannungen) sind wichtig. Sie können Ihre LED in einen Stromkreis mit negativen Potentialen stecken und es funktioniert (solange eine geeignete Spannung anliegt und die Polarität der Spannung korrekt ist).

Die Frage nach der Schaltung mit Widerständen ist knifflig. Der knifflige Teil ist die Spannungsquelle - diese Bastarde sind manchmal intern mit Masse verbunden. Nehmen wir an, Ihre Spannungsquelle ist schwebend, dh nicht mit Masse verbunden (z. B. eine Batterie). In diesem Fall können Sie alle Potentiale um +6 verschieben, um zu verstehen, was in Ihrer Schaltung passieren wird. Dadurch wird der Minusanschluss der Spannungsquelle auf Nullpotential gesetzt, der Plusanschluss wird zu +12 und die Masse wird zu +6. Wenn Sie die Vorstellung von +6 Volt am Erdungsstift stört, löschen Sie das "GND" -Etikett. Schauen Sie sich Ihre Schaltung an - jetzt können Sie sie ganz einfach analysieren. Es ist offensichtlich, dass der Strom durch beide Widerstände gleich ist, da die Spannungen an ihnen gleich sind.

Wenn Sie das "GND" -Label behalten und sich dennoch mit der Potentialverschiebung von +6 Volt wohl fühlen möchten, sollten Sie die gesamte Antwort erneut (oder zum ersten Mal :)) lesen.

Wow, das war verdammt viel länger als ich beabsichtigt hatte!

"Masse" ist ein viel missbrauchter Begriff in der Elektronik. Gelegentlich (hauptsächlich in Wechselstromsystemen und einigen Funkantennen) bedeutet "Masse" eine Verbindung zur Erde.

In den meisten Fällen (insbesondere bei tragbaren batteriebetriebenen Schaltungen) ist „Masse“ jedoch einfach der Punkt in der Schaltung, den der Konstrukteur als Bezugspunkt für die Spannungsmessung an anderer Stelle in der Schaltung verwendet. Meistens ist dieser "Masse"- oder Referenzpunkt der negativste Anschluss der Stromversorgung, sodass alle Spannungen an anderer Stelle im Stromkreis positiv sind. (Wir sollten wirklich die Begriffe "Common" oder "Reference" anstelle von "Ground" verwenden, aber ich glaube nicht, dass ich eine Jahrhunderttradition ändern kann ...)

Wenn wir uns dafür entscheiden, den positiven Anschluss der Stromversorgung "Masse" zu nennen, dann sind alle Spannungen an anderer Stelle negativ. Negative Spannungen sollten nichts Mysteriöses oder Verwirrendes haben.

In vielen analogen Schaltungen mit Operationsverstärkern nennen wir den Mittelpunkt der Stromversorgung "Masse", haben also sowohl positive als auch negative Spannungen.

In Ihrer Skizze können Sie eine LED zwischen +6 V und GND oder zwischen GND und -6 V oder sogar zwischen +6 V und -6 V anschließen, in allen Fällen mit der LED-Kathode nach unten, und die LED funktioniert genauso gut.

Spannung ist ein umgangssprachlicher Begriff für elektrische Potentialdifferenz . Beachten Sie, dass es sich um einen Unterschied handelt, nicht um einen absoluten Wert. Eine negative Spannung unterscheidet sich nicht von einer positiven Spannung. Es bedeutet nur, dass ein elektrisches Potential kleiner ist als ein anderes elektrisches Potential, das Sie als Referenz gewählt haben.

Denken Sie auch daran, dass die in Ihrem Stromkreis fließenden Ladungen "GND" auf Ihrem Schaltplan oder dem Symbol, das es darstellt, nicht sehen können.

Was kann man also mit -6V machen? Das Gleiche können Sie mit jeder anderen Spannung tun: Nutzen Sie sie, um elektrische Ladung zu bewegen und elektrische Arbeit zu verrichten. Der einzige Unterschied, der die Spannung negativ macht, besteht darin, dass sich die Ladungen in die entgegengesetzte Richtung bewegen, als wenn die Spannung positiv wäre.

Weiterführende Literatur: Ist Spannung ein Delta? Kann es immer als Potentialdifferenz von einem Referenzpunkt behandelt werden?