Czy napięcie to prędkość elektronów?

Prąd to ilość elektronów przechodzących przez drut. Czy możemy powiedzieć, że napięcie jest prędkością tych elektronów?

Czy napięcie to prędkość elektronów?

Nie, to nie jest prędkość elektronów poruszających się w przewodniku.

Jednostką napięcia jest energia potencjalna na ładunek :

Przykład...

Wyobraźmy sobie, że mamy kulę o masie M = 10 kg .

Ta kula istnieje w konserwatywnym polu grawitacyjnym (ziemskim polu grawitacyjnym). Jeśli chcemy go podnieść o wysokość 1 metra, musimy - w jakiś sposób - dostarczyć X energii, która da kulce wystarczającą prędkość, aby przemieścić się 1 m ponad jej powierzchnię.

Damy kuli taką ilość energii pod względem energii kinetycznej (prędkości). Rzucamy piłkę z pewną prędkością w górę, a gdy piłka porusza się w górę, jej prędkość maleje; a jego energia potencjalna rośnie, aż się zatrzyma, a cała energia kinetyczna zostanie przekształcona w energię potencjalną.

Poniższy rysunek pokazuje ilość energii potencjalnej dla kuli o masie M = 10 kg na różnych wysokościach nad poziomem morza:

Ale co, jeśli chcemy stworzyć skalę ogólną?
Dla każdej piłki o dowolnej masie, na dowolnej wysokości, możemy uzyskać ilość energii na każdy 1 kg w niej (Energia na masę):

Teraz możemy powiedzieć, że na wysokości 3 metrów nad poziomem morza każdy obiekt o masie X będzie miał energię równą 29,4 dżuli na każdy 1 kg masy. Wynika to z pola grawitacyjnego ziemi .

Napięcie lub potencjał elektryczny to ilość energii potencjalnej (dżuli), jaką będzie posiadać każde „naładowane ciało” w polu elektrycznym na każde 1 kulomb ładunku elektrycznego.

Napięcie jest właściwością pola elektrycznego.

Pole elektryczne zachowuje się trochę jak pole grawitacyjne. Obiekty w polu grawitacyjnym są ze sobą połączone. Zrzuć kamień na pole grawitacyjne, a ono przyspieszy w dół, odbierając energię z pola.

Pola elektryczne, w przeciwieństwie do pól grawitacyjnych, mają biegunowość. Zrzuć elektron na pole elektryczne, a ono przyspieszy w kierunku ładunku dodatniego. Elektron nie ma napięcia, ma ładunek: kulomb .$1.6×10^{−19}$

To, ile siły przykłada się do elektronu, zależy od napięcia dodatniej i ujemnej strony pola i ich odległości od siebie.

To wszystko w wolnej przestrzeni. A co z drutem? Sytuacja jest znacznie bardziej jak tuba wypełniona kulkami niż wolna przestrzeń. Przyłóż siłę do piłki na jednym końcu, a ona wypchnie piłkę na drugim końcu. Przyłóż napięcie do drutu, a elektrony poruszą się, wypychając ten z dodatniego końca. Przyłożona siła odpowiada napięciu przyłożonemu do drutu.

Kluczową rzeczą w tym modelu jest to, że siła porusza się znacznie szybciej niż kulki / elektrony, które ją przekazują - nie wymaga przejścia kuli / elektronu przez całą drogę, po prostu wymaga popychania sąsiadów.

Weź scenariusz w czasie rzeczywistym,

Możemy potraktować wodę jako analogię.

Rozważmy zbiornik górny i kran, który jest zasilany z tego zbiornika górnego.

Teraz,

Za każdym razem, gdy jest otwarty, woda z kranu przepływa przez ten kran.

Ilość wody , która jest przechodzącego przez to równoważny prąd

Przy jakim ciśnieniu nadchodzi, to jest napięcie

Nie, napięcie to „energia potencjalna” przekazana elektronom. Jakby wziąć kamień i podnieść. Dopóki nie podłączysz ładunku, elektron nigdzie nie pójdzie.

Jeśli pozwolisz mu spaść w dół kamienia (lub podłączysz rezystor do źródła napięcia), energia przesunie kamień (elektrony).

Czy napięcie to prędkość elektronów?

Nie

Napięcie jest miarą ilości energii dostarczanej do naładowania. W swoim najbardziej podstawowym, elektron (ładunek podstawowy) przekazuje 1,602 × 10 ⁻¹⁹ dżuli, gdy porusza się przez różnicę potencjału elektrycznego o wartości jednego wolta. Mówi się wtedy, że elektron ma energię 1 elektronowolt.

Napięcie to energia podzielona przez ładunek.

Możesz zacząć od mocy i pomnożyć ją przez czas, aby uzyskać energię:

Energia = moc × czas = V ⋅ I × czas.

Teraz zastąp Q (ładowanie) bieżącym × czasem, a otrzymasz:

Energia = V ⋅ Q i V = energia / P .

To jest właściwie pytanie fizyki. Nie sądzę, aby w ramach dyscypliny elektrotechnicznej dostępna była eksperymentalna metoda wiarygodnego odpowiedzi na to pytanie.

To powiedziawszy, powszechnie uważa się, że prędkość elektronów w przewodniku doświadczającym przepływu prądu jest w rzeczywistości dość wolna w porównaniu z prędkością światła. Jest to często określane jako „prędkość dryfu” elektronów. Jednak wpływ napięcia i prądu na elektrony rozchodzi się przez przewodnik z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Zwykłą analogią jest rura wypełniona kulkami. Jeśli popchniesz marmur na jednym końcu rury, marmur na drugim końcu doświadczy pchnięcia prawie natychmiast, nawet jeśli żaden z pośrednich marmurów się nie poruszył.

Napięcie to ciśnienie, które popycha elektrony wokół obwodu. Nie mówi nic o ich prędkości. Jeśli weźmiesz akumulator 1,5 V i nie podłączysz go do niczego, wówczas nadal będzie obecne 1,5 V, mimo że nigdzie nie płyną elektrony.

Ponadto napięcie jest różnicą ciśnienia między dwoma punktami. Napięcie można mierzyć tylko między jednym punktem a drugim. Dlatego nazywa się to również „różnicą potencjałów”.

Można obliczyć średnią prędkość elektronu, jeśli znasz prąd, właściwości fizyczne drutu (w szczególności jego pole przekroju) oraz właściwości materiału, z którego wykonany jest drut (odstęp między atomami i ile wolne elektrony są na atom).

Nie, napięcie nie jest prędkością elektronów przez drut, ale prąd (prawie) jest.

Powiedziałeś: „Prąd to ilość elektronów przechodzących przez drut”, ale nie jest to całkiem poprawne. Prąd to ilość ładunku elektrycznego (elektronów) przepływającego przez przewodnik na jednostkę czasu. Amperów , swoją jednostkę miary prądu określa się jako 1 kulomb ładunku elektrycznego na sekundę. Prąd jest wartością stawki.

W przypadku analogii wodociągowej ładunek (kulomb) jest analogiczny do objętości wody (galonów), prąd (ampery) jest analogiczny do prędkości przepływu wody (galonów na minutę), a napięcie jest analogiczne do ciśnienia wody, które powoduje pływ.

Napięcie nie jest własnością elektronów. Elektron jest „podmiotem” takim, jakim jest. Napięcie (lub różnica potencjałów) to „zdolność” do transportu określonego ładunku. W elektronice ładunek ten jest generalnie przenoszony przez elektrony. Wyższe napięcie jest w stanie przenosić więcej elektronów, a zatem indukować wyższy prąd.
Innym sposobem spojrzenia na to jest to, że napięcie jest ilością energii potencjalnej, którą elektron zyskuje lub traci, przechodząc od jednego potencjału do drugiego. W ten sposób napięcie w kinetyce jest bardzo podobne do energii potencjalnej - jeśli podniosę piłkę, jej właściwości się nie zmienią, ale zyska energia potencjalna.

Jeśli elektron był marmurem, napięcie jest jak wysokość zbocza, na którym marmur znajduje się na szczycie.

To może być naprawdę wysoki stok - wysokie mile. Może to być niewielki wzrost - zaledwie kilka centymetrów. To zależy od napięcia.

Prędkość elektronów zależy od gęstości drutu. Zależy to również od liczby wolnych atomów w przewodniku.

Pomyśl o tym jak o przepychaniu piasku przez kamienie. Im bardziej gęste są kamienie, tym trudniej popycha przez nie piasek.

Im więcej piasku (wolnych elektronów) znajduje się w środku, tym mniejszy dystans będzie wymagał przepchnięcia takiej samej ilości piasku zrzucanej na drugim końcu.

Aby uzyskać szczegółowe informacje, możesz przeczytać o prędkości dryfu . Rzeczywista prędkość elektronu w tym przykładzie wynosi zaledwie 23µm / s.

W rzeczywistości napięcie wpłynie na prędkość elektronów : w podanym wzorze zamień I na U / R, a zobaczysz, że prędkość wzrośnie wraz z napięciem.

Mamy tu wiele dobrych informacji, które mogą wyjaśnić twoje pytanie.

Napięcie można traktować jako różnicę energii między dwoma punktami w sieci (różnica potencjałów), pomyśl o napięciu spadającym na rezystorze. Różna na każdym końcu ze względu na moc rozpraszaną przez sam rezystor.

Jeśli weźmiesz pod uwagę napięcie zasilania obwodu (EMF, siła elektromotoryczna), można to uznać za ciśnienie wymuszające przepływ prądu przez obwód.

uwaga na temat przepływu elektronów

Przyjmuje się, że prąd przesuwa się od + do -, jednak przepływ elektronów jest od - do +. Formuły itp. Oczywiście będą działać z tą konwencją, ponieważ zwykle nie dbamy o przepływ elektronów, chyba że zajmujemy się materiałami półprzewodnikowymi, jednak ważne jest, aby pamiętać, że faktycznie płyną od - do + (elektron jest nośnikiem ładunku ujemnego).

Mam nadzieję, że to wraz z wieloma innymi komentarzami pomoże. Tony

Nie. Najprostszą możliwą odpowiedzią jest to, że napięcie jest gęstością elektronów. To znaczy „nacisk” wymagany do zepchnięcia ich razem przeciwko ich odpychającej sile. Oczywiście komplikują to inne czynniki, takie jak medium, w którym się poruszają.