Jak prąd zmienny może coś zasilać?

Rozumiem różnicę między prądem przemiennym i stałym. Nie rozumiem jednak, w jaki sposób prąd zmienny zasila cokolwiek, gdy ponownie wykorzystuje te same elektrony, gdy poruszają się tam iz powrotem?

Obraz jest linkiem o 0:35 .

Czy nie wymagałoby to nowych elektronów? Ostatecznie?

@ Odpowiedź Photona jest dość obszerna, jedyne, czego brakuje, to to, w jaki sposób energia elektryczna jest teraz faktycznie przesyłana. W prostym przypadku, gdy masz po prostu jakieś obciążenie omowe, jest dokładnie takie samo jak dla prądu stałego, tylko z polaryzacją przełączania.

Jeśli chcesz zdjęcie, wyobraź sobie piłę: jest przeciągana przez ten sam klocek drewna tam iz powrotem. Te same piły umożliwiają usuwanie warstwy po warstwie, ponieważ podczas poruszania się w obu kierunkach działa siła (i moc).

W przypadku elektronów jest dość podobny. Napięcie przemienne przepycha je przez pewien ładunek. Przechodząc przez ładunek, przemieszczają się z węzła wysokiego napięcia przed obciążeniem do węzła niskiego napięcia po obciążeniu, wydzielając różnicę energii między pierwszym a drugim stanem.

Następnie polaryzacja prądu przemiennego jest odwrócona i ponownie znajdują się w węźle wysokiego napięcia, przechodząc przez obciążenie, do węzła niskiego napięcia. Ponownie ich poprzedni stan miał więcej energii, więc energia jest przenoszona do ładunku.

Energia wykorzystywana w obwodzie elektrycznym nie jest „zawarta” w elektronach i elektrony nie są zużywane, gdy energia jest zużywana w obwodzie.

Energia w obwodach może przybierać różne formy:

pola elektryczne : wytwarzane, gdy nośniki ładunku dodatniego i ujemnego są oddzielone od siebie.

pola magnetyczne : wytwarzane, gdy nośniki ładunku są w ruchu.

energia kinetyczna : Zwykle nie jest uważana za część energii obwodu elektrycznego, ale wchodzi w grę jako etap pośredni, ponieważ energia w obwodzie jest przekształcana z postaci elektrycznej na postać magnetyczną. Lub, na przykład, gdy pole elektryczne przyspiesza nośnik ładunku, który następnie oddaje swoją energię kinetyczną w celu wytworzenia drgań termicznych w materiale oporowym w celu wytworzenia ciepła.

promieniowanie elektromagnetyczne : Powstaje, gdy oscylujące pole elektryczne lub magnetyczne wytwarza samopodtrzymującą się oscylację w polu elektromagnetycznym.

Jako analogię rozważ wahadło wahadłowe. Energia jest ciągle przenoszona między energią potencjalną i energią kinetyczną w wahającej się masie. Ale masa wahadła nie jest zużyta i nigdy nie musi być wymieniana (przynajmniej nie w wyniku działania wahadła).

Edycja: Moglibyśmy oczywiście porozmawiać o fotodiodach i przetwornikach piezoelektrycznych i silnikach oraz scyntylatorach promieniowania gamma i innych urządzeniach, które pozwalają obwodowi przetwarzać energię na różne inne formy. Ignoruję tutaj te szczególne przypadki i mówię tylko o energii związanej z analizą obwodu.

Wyczuwam, że masz niezrozumienie, w jaki sposób energia prądu stałego jest przenoszona ze źródła do obciążenia, co utrudnia twoją zdolność rozumienia, w jaki sposób energia jest przenoszona.

Wiele osób ma w głowie obraz, że źródło energii w jakiś sposób dostarcza energii elektronom. Elektrony następnie spływają po drucie przenoszącym tę energię, a następnie w jakiś sposób uwalniają energię, gdy elektrony przepływają przez ładunek. Założę się, że twój mentalny obraz elektryczności jest taki. A jeśli jest to bliskie spojrzeniu na energię elektryczną, to pytanie, w jaki sposób źródło energii AC przenosi energię, jest kłopotliwe. W końcu elektrony nie płyną w tę iz powrotem 50 lub 60 razy na sekundę od żarówki w kuchni aż do generatora w elektrowni. Wiemy, że elektrony poruszają się znacznie, znacznie wolniej (poruszają się o rząd metra na godzinę, w zależności od szeregu czynników, takich jak prąd, wielkość przewodnika itp.). A biorąc pod uwagę, że między oświetleniem kuchennym a generatorem znajdują się transformatory, ma to jeszcze mniej sensu, ponieważ są to 2 różne obwody elektryczne, które zawierają różne elektrony. Przewody nie są nawet podłączone.

Ale to nie tak działa. Energia nie jest przenoszona ze źródła do ładunku przez elektrony. Energia nawet nie spływa po przewodach. Zamiast tego energia elektryczna przemieszcza się ze źródła elektrycznego do ładunku elektrycznego przez pole elektromagnetyczne (EM) w przestrzeni otaczającej źródło, przewody i ładunek.

Spójrz na zdjęcie poniżej obwodu prądu stałego składającego się z baterii, drutu i rezystora. Zielone strzałki reprezentują pole magnetyczne powstające w wyniku przepływu prądu. Czerwone strzałki reprezentują pole elektryczne wynikające ze źródła napięcia. Niebieskie strzałki oznaczają gęstość strumienia energii lub wektor Poyntinga , który jest iloczynem krzyżowym pól elektrycznych i magnetycznych. Wektor Poyntinga można traktować jako szybkość transferu energii na obszar.

Zauważ, że przepływ energii jest z akumulatora do rezystora. Zauważ również, że energia przepływa do rezystora nie z drutu, ale przez przestrzeń otaczającą przewody.

Jeśli zastąpisz źródło prądu stałego źródłem prądu przemiennego, powinieneś być w stanie przekonać siebie - patrząc na pola elektryczne i magnetyczne - że wektor Poyntinga nadal wskazuje od źródła do obciążenia, nawet jeśli prąd zmienia kierunek. Ponieważ wektor Poyntinga jest iloczynem krzyżowym dwóch pól, jego kierunek pozostaje taki sam, nawet gdy pola się zmieniają.

W komentarzach pojawiło się kilka pytań na temat naukowej ważności tego, co powiedziałem powyżej. To, jak energia elektromagnetyczna przemieszcza się w obwodach, było znane od pewnego czasu ... przynajmniej od końca 1800 roku. Wektor Poyntinga, nazwany na cześć Johna Henry'ego Poyntinga, który wyjaśnił tę teorię w artykule z 1884 r. Zatytułowanym O transferze energii w polu elektromagnetycznym . Artykuł jest dość czytelny i całkiem dobrze wyjaśnia teorię. On tłumaczy:

Dawniej prąd uważano za coś przemieszczającego się wzdłuż przewodnika, przy czym uwaga była głównie skierowana na przewodnik, a energia, która pojawiła się w dowolnej części obwodu, jeśli w ogóle była brana pod uwagę, miała być przekazywana tam przez przewodnik przez prąd. Jednak istnienie prądów indukowanych i działań elektromagnetycznych w pewnej odległości od obwodu pierwotnego, z którego czerpią one swoją energię, doprowadziło nas, pod przewodnictwem Faradaya i Maxwella, do spojrzenia na medium otaczające przewodnik jako odgrywające bardzo ważną rolę w rozwój zjawisk. Jeśli wierzymy w ciągłość ruchu energii, to znaczy, jeśli wierzymy, że kiedy znika w jednym punkcie i ponownie się pojawia w innym, musi przejść przez przestrzeń pośrednią,

Dalej mówi:

Zaczynając od teorii Maxwella, naturalnie doprowadzono nas do rozważenia problemu: w jaki sposób energia o prądzie elektrycznym przepływa od punktu do punktu - to znaczy po jakich ścieżkach i zgodnie z jakim prawem przepływa z części obwodu, w której czy po raz pierwszy jest rozpoznawany jako elektryczny i magnetyczny w częściach, w których zamienia się w ciepło lub inne formy?

$4\pi$

Następnie pokazuje, jak energia wchodzi i podgrzewa drut:

Wydaje się zatem, że żadna energia prądu nie przemieszcza się wzdłuż drutu, ale że pochodzi z nieprzewodzącego ośrodka otaczającego drut, że jak tylko wchodzi, zaczyna on przekształcać się w ciepło, a ilość przechodzi przez kolejne warstwy drutu maleje aż do osiągnięcia środka, gdzie nie ma siły magnetycznej, a zatem nie przepływa energia, wszystko zostało przekształcone w ciepło. Można zatem powiedzieć, że prąd przewodzący składa się z tego wewnętrznego przepływu energii z towarzyszącymi jej siłami magnetycznymi i elektromotorycznymi oraz przekształcenia energii w ciepło w przewodniku.

Richard Feynman również mówi o tym w swoich wykładach z fizyki . Po wyjaśnieniu tego zjawiska Feynman wylicza, w jaki sposób kondensator ładujący otrzymuje energię, a następnie mówi:

Ale mówi nam to dziwną rzecz: kiedy ładujemy kondensator, energia nie schodzi z przewodów; wchodzi przez krawędzie szczeliny.

Feynman, podobnie jak Poynting, wyjaśnia, w jaki sposób energia wchodzi w drut:

Jako kolejny przykład pytamy, co dzieje się w kawałku drutu oporowego, gdy przewodzi on prąd. Ponieważ drut ma opór, wzdłuż niego znajduje się pole elektryczne, które napędza prąd. Ponieważ wzdłuż drutu występuje spadek potencjału, pole elektryczne znajduje się na zewnątrz drutu, równolegle do powierzchni. Ponadto istnieje pole magnetyczne, które przepływa wokół drutu z powodu prądu. E i B są ustawione pod kątem prostym; dlatego istnieje wektor Poyntinga skierowany promieniowo do wewnątrz, jak pokazano na rysunku. Dookoła jest przepływ energii do drutu. Jest to oczywiście równe energii traconej w drucie w postaci ciepła. Zatem nasza „zwariowana” teoria mówi, że elektrony pobierają energię do generowania ciepła z powodu energii wpływającej do drutu z pola na zewnątrz. Wydaje się, że intuicja mówi nam, że elektrony czerpią energię z popychania wzdłuż drutu, więc energia powinna płynąć w dół (lub w górę) wzdłuż drutu. Ale teoria mówi, że elektrony są naprawdę popychane przez pole elektryczne, które pochodzi z bardzo odległych ładunków, i że elektrony czerpią energię do generowania ciepła z tych pól. Energia w jakiś sposób przepływa z odległych ładunków na szeroki obszar przestrzeni, a następnie do wewnątrz do drutu. i że elektrony czerpią energię do generowania ciepła z tych pól. Energia w jakiś sposób przepływa z odległych ładunków na szeroki obszar przestrzeni, a następnie do wewnątrz do drutu. i że elektrony czerpią energię do generowania ciepła z tych pól. Energia w jakiś sposób przepływa z odległych ładunków na szeroki obszar przestrzeni, a następnie do wewnątrz do drutu.

Musisz wiedzieć, że P = IV I to elektrony poruszające się do przodu i do tyłu. W czasie cofania elektronów V jest zawsze ujemne, więc znak P = (-) * (-) jest dodatni. Tak więc pozytywna praca (na przykład podgrzewanie żarnika wolframowego żarówki) odbywa się zarówno podczas przepływu prądu do przodu, jak i do tyłu.

Zignoruj ​​elektrony. Uczenie się o elektryczności za pomocą elektronów będzie wprowadzać cię w błąd przez większość czasu. Po pierwsze, idą w złym kierunku. Po drugie, podróżują z niewłaściwą prędkością. Prędkość dryfu jest znacznie mniejsza niż prędkość sygnału elektrycznego.

Transmisja energii elektrycznej w metalu przypomina bardziej „kołyskę Newtona” : elektron płynie na jednym końcu, siła jest przenoszona przez odpychanie pól elektrycznych, a elektron wychodzi z drugiego końca.

(Sytuacje, w których należy dbać o elektrony: złącza półprzewodnikowe, lampy katodowe, urządzenia wyładowcze, zawory termionowe).

Chciałem tylko wyraźnie powiedzieć, że elektryczność jest jedynie energią, która służy do przemieszczania elektronów. Elektrony nigdy nie są wytwarzane, ani tracone, ani ładowane, ani konsumowane. Cała praca z elektrycznością odbywa się wraz z ruchem elektronów.

Aby użyć cliched analogii mechaniki wodnej, wyobraź sobie kanał wody z turbiną. Jeśli woda nie płynie, turbina się nie obraca i nie wykonuje się żadnej pracy. Jeśli woda przepływa w sposób ciągły (jak w prądzie stałym), turbina również wiruje w sposób ciągły i prace są wykonywane. Podobnie, jeśli woda płynie tam iz powrotem (prąd przemienny), turbina również wiruje tam iz powrotem, a praca jest wykonywana. W żadnym momencie status, jakość lub ilość wody nie uległa zmianie, inaczej niż w odniesieniu do przepływu.

Turbina przemienna jest tak samo przydatna jak turbina z wirowaniem ciągłym, ale musi być stosowana w inny sposób. Podobnie, jak w przypadku energii elektrycznej, jeśli zastosowane zostaną odpowiednie mechanizmy, obrót od osi zamocowanej do obracającej się w sposób ciągły turbiny może zostać przekształcony w oś oscylacyjną i odwrotnie.

Nie martw się ogólnie o elektrony obwodów; w bardzo małych urządzeniach, na przykład w układzie scalonym.

Zależy od tego, jak głęboko w teorii chcesz pójść, ale ogólnie myślisz o elektronach przepływających jak woda w wężu, kiedy woda zostanie wprawiona w ruch, to co działa, jaka siła wprawia wodę w ruch?

Transformator jest tylko 2 cewkami drutu blisko siebie, działa tylko z powodu prądu przemiennego, druty miedziane reagują z ZMIANĄ prądu, gdyby był prądem stałym, siedziałby tam i nie przepływałaby energia. Kiedy obecne zmiany? To wtedy energia jest przenoszona wewnątrz transformatora z jednej cewki na drugą.

więc jeśli umieścisz DC w cewce z drutu, stanie się magnesem. Jeśli poruszysz tym magnesem i w pobliżu będzie inna cewka? pobierze prąd. Jednak zdecydowanie nie jest to darmowa energia. Alternator samochodowy działa w ten sposób, środkowa część staje się magnesem (część, która się obraca), a cewki są uzwojone i ustawione blisko wirującej zwory i pobierają prąd, zwykle 3 cewki. Jednym (niebezpiecznym) sposobem na sprawdzenie, czy alternator działa, jest włączenie kluczyka w silniku w celu uruchomienia, nie uruchamianie go i umieszczenie śrubokręta magnetycznego na środku koła pasowego alternatora, jeśli alternator jest włączony? śrubokręt zostanie mocno wciągnięty do tego koła pasowego. Jeśli nie? zwykle dlatego, że szczotki są zużyte lub alternator nie jest dobry.

Myślę, że wyjaśnienia dotyczące działania alternatora pomogą zwizualizować prąd przemienny

Przyłożona siła (napięcie) w obwodzie powoduje, że pole elektryczne powoduje, że elektrony (naładowane cząstki atomowe) poruszają się w określonym kierunku (bardzo szybko, ale na bardzo małą odległość). Elektrony te wpływają na inne pobliskie elektrony, zderzając je (elektrony magnetycznie odpychają się, więc przyłożona siła jest przenoszona przez atomy przewodnika niezwykle szybko). Te inne elektrony nieco opierają się temu uderzeniu i nagrzewają się nieco, ale większość energii jest kaskadowo przepuszczana przez obwód jako fala energii, która ostatecznie dociera do urządzenia w celu wykonania pewnej pracy (np. Żarówka, powoduje powstanie bardzo opornego materiału) nagrzanie lub uzwojenia w silniku, które powodują, że siła magnetyczna obraca wirnik silnika itp.). Elektrony otaczające atomy w przewodniku działają jedynie jako medium przepływające przez nie - podobnie jak woda w stawie, która reaguje na upuszczony kamyk. Nie potrzebujesz więcej wody, aby fala energii przepłynęła przez staw - ale gdy energia zostanie rozproszona (lub zatrzyma się prąd elektryczny), przedstawienie się skończy - taka jest natura transferu energii elektrycznej.

Jest to ruch elektronów, które przenoszą energię z jednej formy do drugiej. Elektrony się nie zużywają, po prostu poruszają się, a tym samym przenoszą energię z jednego punktu do drugiego.