Jak już wcześniej wspomniano, potrzebujemy czegoś więcej niż tylko ciągłej ścieżki (tj. obwodu), zanim nastąpi ciągły przepływ ładunku: potrzebujemy również jakiegoś środka, aby popchnąć te nośniki ładunku wokół obwodu. Podobnie jak w przypadku kulek w probówce lub wody w rurze, do zainicjowania przepływu potrzebna jest pewnego rodzaju siła oddziaływania. W przypadku elektronów, siłą tą jest ta sama siła, która działa w elektryczności statycznej: siła wytwarzana przez nierównowagę ładunków elektrycznych. Jeśli posłużymy się przykładem wosku i wełny, które zostały potarte o siebie, zauważymy, że nadmiar elektronów w wosku (ładunek ujemny) i deficyt elektronów w wełnie (ładunek dodatni) powoduje nierównowagę ładunków pomiędzy nimi. Ta nierównowaga objawia się jako siła przyciągania między tymi dwoma obiektami:
Jeśli przewodzący drut zostanie umieszczony między naładowanym woskiem i wełną, elektrony będą przez niego przepływać, ponieważ niektóre z nadmiaru elektronów w wosku pędzą przez drut, aby dostać się z powrotem do wełny, wypełniając tam niedobór elektronów:
Nierównowaga elektronów między atomami w wosku i atomami w wełnie powoduje powstanie siły między tymi dwoma materiałami. Ponieważ elektrony nie mogą przepływać z wosku do wełny, siła ta może jedynie przyciągać te dwa obiekty do siebie. Teraz jednak, gdy przewodnik wypełnia szczelinę izolacyjną, siła ta sprowokuje elektrony do przepływu w jednolitym kierunku przez przewód, choćby tylko chwilowo, dopóki ładunek w tym obszarze nie zneutralizuje się i siła pomiędzy woskiem a wełną nie osłabnie. Ładunek elektryczny powstały pomiędzy tymi dwoma materiałami w wyniku pocierania ich o siebie służy do przechowywania pewnej ilości energii. Ta energia nie jest podobna do energii przechowywanej w wysokim zbiorniku wody, która została wypompowana z niżej położonego stawu:
Wpływ grawitacji na wodę w zbiorniku tworzy siłę, która próbuje przesunąć wodę w dół do niższego poziomu ponownie. Jeśli odpowiednia rura zostanie poprowadzona ze zbiornika z powrotem do stawu, woda będzie płynąć pod wpływem grawitacji w dół ze zbiornika, przez rurę:
Pompowanie wody z nisko położonego stawu do wysoko położonego zbiornika wymaga energii, a ruch wody przez rurę z powrotem w dół do pierwotnego poziomu stanowi uwolnienie energii zmagazynowanej z poprzedniego pompowania. Jeśli woda jest pompowana do jeszcze wyższego poziomu, zajmie to jeszcze więcej energii, a zatem więcej energii zostanie zmagazynowanej i więcej energii zostanie uwolnionej, jeśli woda będzie mogła przepłynąć przez rurę z powrotem w dół:
Elektrony nie różnią się wiele. Jeśli pocieramy wosk i wełnę razem, „pompujemy” elektrony z dala od ich normalnych „poziomów”, tworząc warunki, w których istnieje siła pomiędzy woskiem i wełną, ponieważ elektrony dążą do przywrócenia swoich poprzednich pozycji (i równowagi w swoich odpowiednich atomach). Siła przyciągająca elektrony z powrotem na ich pierwotne pozycje wokół pozytywnych jąder ich atomów jest analogiczna do siły grawitacji wywieranej na wodę w zbiorniku, próbującej ściągnąć ją do poprzedniego poziomu. Tak jak pompowanie wody na wyższy poziom skutkuje zmagazynowaniem energii, tak „pompowanie” elektronów w celu stworzenia nierównowagi ładunku elektrycznego skutkuje zmagazynowaniem pewnej ilości energii w tej nierównowadze. I tak jak zapewnienie drogi dla wody, aby spłynęła z powrotem z wysokości zbiornika powoduje uwolnienie tej zmagazynowanej energii, tak zapewnienie drogi dla elektronów, aby spłynęły z powrotem do swoich pierwotnych „poziomów” powoduje uwolnienie zmagazynowanej energii. Kiedy nośniki ładunku są umieszczone w tym statycznym stanie (tak jak woda siedząca nieruchomo, wysoko w zbiorniku), energia tam zgromadzona nazywana jest energią potencjalną, ponieważ ma możliwość (potencjał) uwolnienia, która nie została jeszcze w pełni zrealizowana.
Understanding the Concept of Voltage
Kiedy nośniki ładunku są umieszczone w tym statycznym stanie (tak jak woda siedząca nieruchomo, wysoko w zbiorniku), energia tam zgromadzona nazywana jest energią potencjalną, ponieważ ma możliwość (potencjał) uwolnienia, która nie została jeszcze w pełni zrealizowana. Kiedy w suchy dzień szorujesz butami o gumowych podeszwach po dywanie z tkaniny, tworzysz nierównowagę ładunków elektrycznych pomiędzy sobą a dywanem. Czynność ścierania stóp magazynuje energię w postaci nierównowagi ładunków elektrycznych, które są wymuszane z ich pierwotnego położenia. Ładunek ten (elektryczność statyczna) jest nieruchomy i nie zdajemy sobie sprawy, że energia jest w ogóle magazynowana. Jednakże, gdy przyłożysz rękę do metalowej klamki (z dużą ilością elektronów, aby zneutralizować swój ładunek elektryczny), ta zmagazynowana energia zostanie uwolniona w formie nagłego przepływu ładunku przez twoją rękę i odczujesz to jako porażenie prądem! Ta energia potencjalna, zmagazynowana w formie nierównowagi ładunków elektrycznych i zdolna do prowokowania nośników ładunku do przepływu przez przewodnik, może być wyrażona jako termin zwany napięciem, które technicznie jest miarą energii potencjalnej na jednostkę ładunku lub czymś, co fizyk nazwałby specyficzną energią potencjalną.
Definicja napięcia
Zdefiniowane w kontekście elektryczności statycznej, napięcie jest miarą pracy wymaganej do przeniesienia jednostkowego ładunku z jednego miejsca do drugiego, wbrew sile, która próbuje utrzymać ładunki elektryczne w równowadze. W kontekście źródeł energii elektrycznej, napięcie jest ilością dostępnej energii potencjalnej (pracy do wykonania) na jednostkę ładunku, aby przesunąć ładunek przez przewodnik.Ponieważ napięcie jest wyrażeniem energii potencjalnej, reprezentującej możliwość lub potencjał uwolnienia energii, gdy ładunek porusza się z jednego „poziomu” do drugiego, jest ono zawsze odniesione pomiędzy dwoma punktami. Rozważmy analogię ze zbiornikiem wodnym:
Z powodu różnicy w wysokości spadku, istnieje potencjał dla znacznie większej ilości energii, która może być uwolniona ze zbiornika poprzez rurociąg do miejsca 2 niż do miejsca 1. Zasadę tę można intuicyjnie zrozumieć na przykładzie upuszczania kamienia: co powoduje bardziej gwałtowne uderzenie, kamień upuszczony z wysokości jednej stopy, czy ten sam kamień upuszczony z wysokości jednej mili? Oczywiście, upadek z większej wysokości powoduje uwolnienie większej energii (gwałtowniejsze uderzenie). Nie możemy ocenić ilości energii zmagazynowanej w zbiorniku wodnym po prostu mierząc objętość wody, tak samo jak nie możemy przewidzieć siły uderzenia spadającego kamienia po prostu znając jego ciężar: w obu przypadkach musimy również rozważyć, jak daleko te masy spadną od swojej początkowej wysokości. Ilość energii uwolnionej w wyniku umożliwienia masie spadania jest względna w stosunku do odległości pomiędzy punktem początkowym i końcowym. Podobnie, energia potencjalna dostępna do przeniesienia nośników ładunku z jednego punktu do drugiego jest względna do tych dwóch punktów. Dlatego napięcie jest zawsze wyrażane jako wielkość pomiędzy dwoma punktami. Co ciekawe, analogia do masy potencjalnie „spadającej” z jednej wysokości na drugą jest tak trafnym modelem, że napięcie pomiędzy dwoma punktami jest czasami nazywane spadkiem napięcia.
Generowanie napięcia
Napięcie może być generowane za pomocą innych środków niż pocieranie pewnych typów materiałów o siebie. Reakcje chemiczne, energia promieniowania i wpływ magnetyzmu na przewodniki to kilka sposobów na wytworzenie napięcia. Odpowiednie przykłady tych trzech źródeł napięcia to baterie, ogniwa słoneczne i generatory (takie jak alternator pod maską samochodu). Na razie nie będziemy zagłębiać się w szczegóły działania każdego z tych źródeł napięcia – ważniejsze jest, abyśmy zrozumieli, w jaki sposób źródła napięcia mogą być stosowane do tworzenia przepływu ładunku w obwodzie elektrycznym. Weźmy symbol baterii chemicznej i zbudujmy obwód krok po kroku:
Jak działają źródła napięcia?
Wszystkie źródła napięcia, w tym baterie, mają dwa punkty kontaktu elektrycznego. W tym przypadku, mamy punkt 1 i punkt 2 na powyższym rysunku. Poziome linie o różnej długości wskazują, że jest to bateria, a ponadto wskazują kierunek, w którym napięcie tej baterii będzie próbowało przepchnąć nośniki ładunku przez obwód. Fakt, że poziome linie w symbolu baterii wydają się oddzielone od siebie (a więc nie są w stanie służyć jako ścieżka przepływu ładunku) nie jest powodem do niepokoju: w prawdziwym życiu, te poziome linie reprezentują metalowe płyty zanurzone w cieczy lub półstałym materiale, który nie tylko przewodzi ładunki, ale także generuje napięcie, aby popchnąć je dalej poprzez oddziaływanie z płytami. Zwróć uwagę na małe znaki „+” i „-” znajdujące się bezpośrednio po lewej stronie symbolu baterii. Ujemny (-) koniec baterii jest zawsze końcem z najkrótszą kreską, a dodatni (+) koniec baterii jest zawsze końcem z najdłuższą kreską. Dodatni koniec baterii to ten, który próbuje wypchnąć z niej nośniki ładunku (pamiętaj, że umownie myślimy o nośnikach ładunku jako naładowanych dodatnio, mimo że elektrony są naładowane ujemnie). Analogicznie, koniec ujemny to koniec, który stara się przyciągnąć nośniki ładunku. Gdy końce „+” i „-” baterii nie są do niczego podłączone, będzie napięcie między tymi dwoma punktami, ale nie będzie przepływu ładunku przez baterię, ponieważ nie ma ciągłej ścieżki, przez którą nośniki ładunku mogą się poruszać.
Ta sama zasada dotyczy analogii zbiornika wodnego i pompy: bez rury powrotnej z powrotem do stawu, energia zmagazynowana w zbiorniku nie może być uwolniona w formie przepływu wody. Gdy zbiornik jest całkowicie wypełniony, nie może nastąpić żaden przepływ, bez względu na to, jak duże ciśnienie wytwarza pompa. Aby możliwy był ciągły przepływ wody ze stawu do zbiornika i z powrotem do stawu, musi istnieć kompletna ścieżka (obwód). Możemy zapewnić taką ścieżkę dla baterii, podłączając kawałek drutu z jednego końca baterii do drugiego. Tworząc obwód z pętlą z drutu, zainicjujemy ciągły przepływ ładunku w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara:
Zrozumienie pojęcia prądu elektrycznego
Dopóki bateria nadal wytwarza napięcie, a ciągłość ścieżki elektrycznej nie zostanie przerwana, nośniki ładunku będą nadal przepływać w obwodzie. Podążając za metaforą wody poruszającej się przez rurę, ten ciągły, jednolity przepływ ładunku przez obwód nazywamy prądem. Tak długo, jak źródło napięcia „pcha” w tym samym kierunku, nośniki ładunku będą nadal poruszać się w tym samym kierunku w obwodzie. Ten jednokierunkowy przepływ prądu nazywany jest prądem stałym (DC). W drugim tomie tej serii książek, badane są obwody elektryczne, w których kierunek prądu zmienia się tam i z powrotem: Alternating Current, lub AC. Ale na razie zajmiemy się tylko obwodami prądu stałego. Ponieważ prąd elektryczny składa się z pojedynczych nośników ładunku przepływających zgodnie przez przewodnik, poruszając się wzdłuż i naciskając na nośniki ładunku znajdujące się przed nim, tak jak kulki w rurce lub woda w rurze, wielkość przepływu w całym obwodzie będzie taka sama w każdym punkcie. Gdybyśmy mieli obserwować przekrój poprzeczny drutu w pojedynczym obwodzie, licząc przepływające nośniki ładunku, zauważylibyśmy dokładnie taką samą ilość w jednostce czasu, jak w każdej innej części obwodu, niezależnie od długości przewodnika czy jego średnicy. Jeśli przerwiemy ciągłość obwodu w dowolnym miejscu, prąd elektryczny ustanie w całej pętli, a pełne napięcie wytwarzane przez baterię pojawi się w poprzek przerwy, pomiędzy końcami drutu, które wcześniej były połączone:
Jaka jest biegunowość spadku napięcia?
Zauważ znaki „+” i „-” narysowane na końcach przerwy w obwodzie, i jak odpowiadają one znakom „+” i „-” obok zacisków baterii. Znaki te wskazują kierunek, w którym napięcie próbuje przepchnąć prąd, ten potencjalny kierunek potocznie nazywany polaryzacją. Pamiętaj, że napięcie jest zawsze względne pomiędzy dwoma punktami. Z tego powodu, biegunowość spadku napięcia jest również względna pomiędzy dwoma punktami: to, czy punkt w obwodzie zostanie oznaczony jako „+” czy „-” zależy od innego punktu, do którego jest on odniesiony. Spójrz na poniższy obwód, gdzie każdy róg pętli jest oznaczony numerem dla odniesienia:
Przy przerwanej ciągłości obwodu między punktami 2 i 3, biegunowość napięcia spadającego między punktami 2 i 3 wynosi „+” dla punktu 2 i „-” dla punktu 3. Polaryzacja baterii (1 „+” i 4 „-„) próbuje przepchnąć prąd przez pętlę zgodnie z ruchem wskazówek zegara z 1 do 2 do 3 do 4 i z powrotem do 1. Teraz zobaczmy, co się stanie, jeśli połączymy punkty 2 i 3 ponownie razem, ale umieścimy przerwę w obwodzie między punktami 3 i 4:
Z przerwą między 3 i 4, biegunowość spadku napięcia między tymi dwoma punktami jest „-” dla 4 i „+” dla 3. Zwróć szczególną uwagę na fakt, że „znak” punktu 3 jest odwrotny niż w pierwszym przykładzie, gdzie przerwa była pomiędzy punktami 2 i 3 (gdzie punkt 3 był oznaczony jako „-„). Nie możemy powiedzieć, że punkt 3 w tym obwodzie zawsze będzie miał znak „+” lub „-„, ponieważ polaryzacja, podobnie jak samo napięcie, nie jest specyficzna dla pojedynczego punktu, ale jest zawsze względna pomiędzy dwoma punktami!
PRZEGLĄD:
- Nośniki ładunku mogą być zmotywowane do przepływu przez przewodnik przez tę samą siłę przejawiającą się w elektryczności statycznej.
- Napięcie jest miarą specyficznej energii potencjalnej (energii potencjalnej na jednostkę ładunku) pomiędzy dwoma miejscami. W terminologii laika, jest to miara „pchnięcia” dostępnego do motywowania ładunku.
- Napięcie, jako wyraz energii potencjalnej, jest zawsze względne pomiędzy dwoma miejscami, lub punktami. Czasami nazywa się to „spadkiem” napięcia.”
- Gdy źródło napięcia jest podłączone do obwodu, napięcie spowoduje jednolity przepływ nośników ładunku przez ten obwód zwany prądem.
- W pojedynczym (jedna pętla) obwodzie, ilość prądu w każdym punkcie jest taka sama jak ilość prądu w każdym innym punkcie.
- Jeśli obwód zawierający źródło napięcia zostanie przerwany, pełne napięcie tego źródła pojawi się w punktach przerwy.
- Zorientowanie +/- spadku napięcia nazywa się polaryzacją. Jest ona również względna między dwoma punktami.
POWIĄZANE MODUŁY:
- Arkusz roboczy dotyczący napięcia, prądu i oporu
.