Cos'è esattamente il voltaggio?
Ho 15 anni e ho iniziato di recente con l'elettronica e ho problemi a capire la tensione.
Ho letto così tanti articoli e guardato così tanti video sulla tensione e tutti danno risposte diverse. Alcuni di loro dicono che la tensione è come la pressione, altri dicono che la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale e poi alcuni dicono che è una misura dell'intensità del campo elettrico. Quindi, come puoi vedere, non so cosa pensare.
Qualcuno potrebbe spiegarmelo perché ho cercato di trovare una risposta per circa 2 mesi e mi sta facendo impazzire :)
E anche se la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale, in che modo più tensione significa più corrente?
Risposte
Sospetto che ti confonderò ulteriormente, ma ecco qui:
Alcuni di loro dicono che la tensione è come la pressione, altri dicono che la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale e poi alcuni dicono che è una misura dell'intensità del campo elettrico.
Diciamo che la tensione è come la pressione, o come l'energia potenziale gravitazionale, perché stiamo cercando di tracciare un'analogia con qualcosa che puoi vedere o sentire (perché puoi far cadere una roccia sulla punta del piede o sentire la pressione in un palloncino quando fai saltare in aria).
Qual è il voltaggio diventa astratto (da qui le analogie). Se hai un elettrone in un campo elettrico, c'è una forza su di esso, quindi vuole muoversi. Se avessi un paio di pinzette magiche che ti permettessero di afferrare quell'elettrone e spostarlo da un punto a un altro, dovresti esercitare forza su di esso - mettendo energia nel sistema - o eserciterebbe forza su di te - - togliere energia al sistema e consegnartela.
Un volt non è una misura del campo elettrico. I volt sono una conseguenza dei campi elettrici, ma il campo elettrico è in unità di volt per metro. Ciò che è un volt è un'espressione della quantità di energia disponibile per unità di carica . Quindi, se hai un Coulomb di carica e lasci che la carica fluisca attraverso qualcosa che fa cadere un Volt, allora quella carica fornirà un Joule di energia a qualunque cosa quel qualcosa stia cadendo di un Volt.
E anche se la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale, in che modo più tensione significa più corrente?
E qui la nostra simpatica analogia si rompe. In questo senso la tensione è più simile alla pressione in un tubo dell'acqua.
Per tutte le cose fisiche, se metti un voltaggio attraverso di loro, la corrente fluirà - potrebbe essere molto, potrebbe essere minuscola, ma la corrente fluirà quasi sempre. Per la maggior parte delle cose (ci sono alcune eccezioni), più tensione viene applicata, più corrente fluirà.
Quindi, a questo proposito, la tensione è come la pressione in un tubo dell'acqua: più pressione equivale a più flusso, proprio come più tensione su un resistore equivale a più corrente nel resistore. Ma questa è solo un'analogia . Alla fine, devi solo battere il tuo cervello contro la fisica finché tutto diventa intuitivo, proprio come hai imparato che quando lasci andare qualcosa cade ogni volta. La differenza è che hai imparato la lezione su come far cadere le cose prima di compiere un anno; la lezione sulla tensione arriva un po 'più tardi nella vita, quindi devi lasciare che il tuo cervello fletta di proposito.
In termini semplici, la tensione è una misura dell'energia per carica unitaria associata a due punti in un campo elettrico. Ma perché c'è un'energia associata a due punti qualsiasi?
Per rispondere a questa domanda, dobbiamo immaginare un campo elettrico e il suo effetto su una carica di prova.
Possiamo immaginare un campo elettrico come associare una minuscola freccia a ogni punto nello spazio. Ogni freccia nel campo elettrico rappresenta la forza che sarebbe avvertita da un'unità di carica se fosse collocata in quel punto particolare.
Poiché le cariche simili si respingono, le frecce puntano lontano da una carica positiva (poiché respinge la nostra carica di prova):
Mentre la carica di prova viaggia attraverso il campo elettrico, viene spinta e guadagna o perde energia. Se viaggia nella stessa direzione delle piccole frecce nel campo, si lavora sulla particella e questa guadagna energia. Se viaggia di fronte al campo, perde invece energia.
Immagina che sia come spingere un'altalena quando si sta già allontanando da te, invece di spingere la stessa oscillazione quando ti sta arrivando. Nel primo caso viene spinto allineato alla direzione del moto, accelerandolo. Nel secondo, viene spinto in senso contrario alla direzione del movimento, rallentandolo. In un certo senso, devi sommare tutti i contributi delle freccette lungo l'intero percorso per calcolare l'energia finale dello swing / carica di prova.
Questa aggiunta di frecce è chiamata Integrale di linea e implica il calcolo in ogni punto di quanto il vettore di spostamento e il campo puntino nella stessa direzione.
Una batteria da 10 V è quella che genera un campo elettrico tale che aggiungendo tutte le piccole frecce dal lato positivo al lato negativo si ottiene un lavoro netto di 10 Joule per ogni unità di carica che gira intorno al circuito.
Il campo elettrico si presenta così per un filo con resistenza elettrica uniforme ovunque:
Idealmente, se non ci fosse resistenza, ad ogni ciclo la nostra carica di prova guadagnerebbe 10 Joule ad ogni loop e accelererebbe per sempre, ma in realtà, all'aumentare della corrente, l'energia si dissipa sempre di più sotto forma di calore.
La carica di prova può anche funzionare su qualcos'altro: nei LED, questa energia elettrica viene convertita in forma luminosa, in motori, in forma meccanica e così via.
Un dettaglio importante da considerare è che potrebbero esserci più percorsi da un punto a un altro. Perché la differenza di energia non dovrebbe dipendere dal particolare percorso tra i due punti?
In assenza di forze e campi esterni, il campo elettrico è conservativo, il che implica che la differenza di potenziale risulta lo stesso numero indipendentemente dal percorso.
Per capire perché questo è vero, immagina che ci sia un potenziale di 15 V da A a B lungo il percorso superiore (X), ma di 5 V da A a B lungo quello inferiore (Y):
Quindi, se la nostra carica di prova va prima da A a B attraverso X, e poi all'indietro nella direzione opposta attraverso Y, il campo elettrico farà un lavoro netto di 10 Joule: 15 Joule "verso il basso" attraverso il campo e 5 Joule "verso l'alto" . (Nota: qui sto usando "verso il basso" e "verso l'alto" come analogia con l'arrampicata o la discesa in un campo gravitazionale)
Ma poiché la carica è tornata allo stesso posto di prima, abbiamo guadagnato 10 Joule gratuitamente! Ciò infrange la legge di conservazione dell'energia, a meno che l'energia non venga prelevata da qualche altra parte. Se non c'è niente che fornisce questa energia, allora tutti i percorsi hanno lo stesso potenziale.
La spiegazione delle analogie:
Come i campi elettrici, anche i campi gravitazionali spingono le cose in giro. Proprio come nei campi elettromagnetici, se scendi in un campo gravitazionale, il campo funziona e ottieni energia, e questa energia può anche essere utilizzata per una varietà di scopi lavorando su qualcos'altro.
Nei fluidi, il campo di forza in questione è il differenziale di pressione, che accelera le particelle nella direzione di riduzione della pressione (poiché c'è uno squilibrio di forza che punta in quella direzione)
Alcuni di loro dicono che la tensione è come la pressione, altri dicono che la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale e poi alcuni dicono che è una misura dell'intensità del campo elettrico.
Non hai fatto una domanda qui, ma è come tutte quelle cose, se capisci le analogie.
Nell'analogia gravitazionale, sarebbe più accurato dire che la tensione è come il potenziale gravitazionale, non l'energia potenziale gravitazionale. Ad esempio, se hai una collina alta 10 metri, la differenza di potenziale gravitazionale tra il fondo e la cima della collina è \$(10\ m)(g)\$. Questo è proporzionale all'energia necessaria per spostare un oggetto dal fondo alla cima della collina. Ma avresti bisogno di più energia per muovere una palla da bowling che per muovere un ciottolo (proprio come hai bisogno di più energia per spostare una carica più grande attraverso una differenza di potenziale elettrico). E la differenza di potenziale gravitazionale è una quantità definita anche se non stai spostando alcun oggetto su e giù per la collina (proprio come la tensione tra due punti può essere una quantità definita anche se non c'è corrente che scorre tra quei punti).
se la tensione è come l'energia potenziale gravitazionale, in che modo più tensione significa più corrente?
Non è una differenza più grande di tensione di per sé che produce più corrente. È una differenza maggiore di tensione su una distanza fissa (come la distanza tra i due terminali di un resistore).
Il potenziale gravitazionale funziona allo stesso modo: un flusso scorre più velocemente lungo un pendio più ripido e più lentamente dove c'è meno pendenza.
Matematicamente parlando la tensione è semplicemente l'integrale del campo elettrico su una linea. (Probabilmente sai già cos'è un integrale. Forse solo un integrale di una funzione su un intervallo. Un campo elettrico nello spazio dice in ogni punto dello spazio qual è la forza vettoriale per unità di carica. Un campo vettoriale (e quindi un campo elettrico) può essere integrato su una linea (curva o retta) come se fosse una funzione sull'intervallo descritto dal parametro della linea, dove la funzione è data dal prodotto scalare del campo vettoriale e del vettore tangente al linea).
Fisicamente parlando, senza usare alcuna analogia con altri rami della fisica che possono creare confusione e rimanere così nel mondo elettrico, possono essere tre e solo tre cose diverse:
potenza elettrica convertita in calore per unità di corrente. È misurato in [W / A] = [V]. È il fenomeno che si osserva quando una corrente attraversa un materiale caratterizzato principalmente da una resistenza (es. Una resistenza). È anche noto con il nome di caduta di tensione.
energia elettrica immagazzinata per carica. È misurato in [J / C] = [V]. È il fenomeno che si osserva quando un sistema caratterizzato principalmente da una capacità (es. Un condensatore) viene caricato o scaricato elettricamente. È anche noto con il nome di potenziale differenza.
velocità temporale di variazione del collegamento del flusso magnetico. È misurato in [Wb / s] = [V]. È il fenomeno che si osserva quando un sistema caratterizzato principalmente da un'induttanza (es. Una bobina) viene magnetizzato o smagnetizzato. È anche noto con il nome di emf o forza elettromotrice
Devi sommare tutti questi contributi quando un sistema è caratterizzato da una resistenza, una capacità e un'induttanza allo stesso tempo.
Puoi semplicemente confrontare le particelle cariche con le molecole di gas: le particelle cariche con le stesse proprietà elettriche si respingono a vicenda. Quando sono più vicini, tendono a disperdersi verso l'esterno, proprio come i gas si espandono verso l'esterno dopo essere stati compressi. Questa tendenza alla dispersione verso l'esterno costringe le particelle cariche a spostarsi verso l'esterno per formare una corrente elettrica, questa è la tensione. Infatti, per una singola particella carica, non importa quanto sia lontana un'altra particella con la stessa carica da essa, verrà respinta verso l'esterno, ma più è lontana, minore è la forza. Il neutro che vedi è che il numero di cariche positive e negative è uguale, quindi la tensione a due punti è zero.
Il potenziale elettrico di un punto è la quantità di lavoro necessaria per spostare una carica unitaria da un punto di potenziale elettrico zero (generalmente questo punto è considerato a distanza infinita) a quel punto specifico.
Proprio come il potenziale gravitazionale è la quantità di lavoro necessaria per spostare un'unità di massa dal punto di potenziale zero a quel punto specifico.
La differenza di potenziale elettrico tra due punti crea un campo elettrico. E questa differenza è nota come differenza potenziale o tensione.
Torniamo alla gravitazione per analogia. Una massa è destinata a spostarsi da un punto con potenziale gravitazionale più elevato (come il 5 ° piano di un edificio) a un punto con potenziale gravitazionale inferiore (piano terra).
Allo stesso modo una carica positiva è destinata a spostarsi dal punto con potenziale elettrico più alto a un punto con potenziale elettrico inferiore all'interno del campo elettrico.
Un treno di carica che si muove nel campo elettrico provoca corrente elettrica.
Ora per rispondere alla tua domanda sulla tensione. Più differenza di potenziale non significherà più corrente a meno che le cariche non viaggino nel campo elettrico.
Ma diciamo che ci sono cariche sufficienti come elettroni liberi in un conduttore, quindi una differenza di potenziale maggiore tra due punti significa un campo elettrico più forte e quindi un movimento più veloce delle cariche, cioè più numero di cariche che passano attraverso una regione nel campo per unità di tempo, il che significa più attuale.
Ora, per fare un'analogia con la gravitazione, si consideri una cascata.
Sulla Terra l'acqua cadrà più velocemente verso il suolo. Quindi più acqua cadrà attraverso una certa regione della caduta per unità di tempo, quindi corrente d'acqua alta.
Nella Luna, tuttavia, l'acqua cadrà lentamente, quindi una quantità minore di acqua passerà attraverso una certa regione per unità di tempo, quindi corrente d'acqua bassa.
Vedo molte risposte complicate. Se sali (diciamo 10 metri) guadagnerai energia potenziale. Poiché la Terra ti spinge continuamente verso di essa, devi lavorare contro di essa. Questo lavoro verrà immagazzinato come tua energia potenziale. \ begin {equation} E = mgh = 10mg \ end {equation}
Consideriamo ora una carica puntiforme positiva. Avrà un campo intorno. Se vuoi inserire una carica positiva di 1 C al suo interno, devi lavorare contro il campo esistente. Questo lavoro sarà chiamato la tensione di quel punto di carica.
Ora torna di nuovo al caso di 10 metri di altezza. Hai già acquisito energia potenziale. Se salti, andrai verso la superficie della terra (o il riferimento). Non appena tocchi la superficie, trasferirai tutta la tua energia su di essa (o potresti creare suoni, vibrazioni, ecc.).
Ora pensa a te stesso come un elettrone. Se dico che hai un potenziale di 5 volt, significa che hai fatto del lavoro per ottenere quel potenziale. E hai sempre la tendenza ad andare verso il riferimento (o 0 volt). Se si confronta il "colpire la superficie" con la resistenza, si vedrebbe chiaramente che la potenza viene dissipata attraverso di essa.
Usando l'analogia con l'acqua, la tensione è la "pressione" elettrica (termine tecnico: potenziale ), mentre la corrente è il "flusso" elettrico di carica.
Cosa fa quella pressione? L'applicazione di un campo elettrico , ovvero una differenza relativa nella densità di carica da un punto all'altro. Ad esempio, una batteria, attraverso un processo chimico, crea una differenza di densità di carica tra i suoi terminali (-) e (+). Collega un carico attraverso questo e la pressione creata dalla differenza di carica induce una corrente, mentre misuriamo la differenza (pressione elettrica) come tensione.
Allo stesso modo, l'elettricità statica è un accumulo (o rimozione) di carica da una regione isolata, che ha una potenziale differenza rispetto ai suoi vicini (come le nuvole temporalesche rispetto al suolo sottostante). Quando quella differenza è abbastanza grande, la carica trova un percorso attraverso l'aria, come sotto forma di fulmine.
Questa domanda potrebbe essere utile per spiegare come la "pressione" si traduce nel flusso di elettroni: la differenza di tensione ha un effetto sulla velocità degli elettroni?
Cruda analogia: le cascate.
La tensione è l'altezza della cascata.
La corrente è la quantità di acqua che scorre sulle cascate.
Questa è una riformulazione di un'altra risposta su un sito SE, e mi ha davvero aiutato a capire di più l'elettricità, così come alcuni semplici pezzi che probabilmente userete.
Se immaginiamo che il nostro cavo sia un canale attraverso un terreno agricolo, possiamo assegnare alcune variabili a tensione e amperaggio. Quanto è grande il nostro filo è correlato alle dimensioni del nostro canale. La tensione diventa la quantità di acqua nel canale. troppa tensione e il canale trabocca, uccide i raccolti e il contadino (il tuo filo si scioglie). tensione troppo bassa e l'agricoltore non può innaffiare i suoi raccolti (il LED non si accende).
L'amperaggio diventa la velocità dell'acqua. se l'acqua non è abbastanza veloce, non farà girare la ruota idraulica e macinerà il grano (di nuovo, il tuo led non si accenderà). troppo velocemente e può scuotere l'edificio i pezzi. Ma l'agricoltore può usare gli ingranaggi per cambiare la velocità e la coppia (trasformatore o transistor) e usarlo per macinare il suo grano.
Questo mi ha davvero aiutato quando stavo iniziando e purtroppo non ho il link per l'originale, poiché era scritto molto meglio quando l'ho letto per la prima volta. spero che tu lo capisca, buona fortuna!
Quindi, c'è la spiegazione corretta e la spiegazione tecnicamente corretta. Vado con il primo.
Probabilmente conosci già le forze elettrostatiche: cariche uguali si respingono e cariche opposte si attraggono. Da ciò, puoi immaginare che, se metti insieme un mucchio di elettroni in una scatola, sembrerebbero piuttosto incazzati e proverebbero a scappare. Se ti capita anche di avere una scatola con un mucchio di protoni nelle vicinanze ... questi elettroni vogliono davvero arrivarci.
La tensione è un tentativo di quantificare quanto siano incazzati i tuoi elettroni. Questo è molto utile perché più sono incazzati, più cose puoi fargli fare quando cercano di scappare: a 0.1V praticamente non faranno nulla, a 12V puoi avviare un'auto (se ne hai abbastanza) e a 10kV sfrecceranno in aria e avresti problemi a contenerli.
Tenendo presente questo, è facile capire perché più tensione generalmente si traduce in più corrente: maggiore è la tensione, più le tue cariche si faranno strada attraverso qualunque cosa tu metta tra loro e la loro destinazione desiderata.
Quello che ho appena detto è piuttosto confuso. "Quanti elettroni vogliono scappare" non è un'idea molto precisa. Eppure, questo è davvero il succo. Alla fine riscoprirai la definizione precisa di tensione (e potenziale elettrico) se proverai a perfezionare questa idea. Alcuni spunti di riflessione:
- Il concetto di tensione dovrebbe funzionare anche per cariche positive
- Come definisci "quanto X vuole scappare"? Vigore? Velocità di fuga? Quantità di moto? Energia?
- Inoltre, scappare dove ?
- Cosa succede se le cariche possono muoversi liberamente? E se potessero muoversi liberamente entro certi limiti? (diciamo, all'interno di una sfera di metallo, o un cilindro di metallo o un filo di metallo)
- Quando vogliamo immagazzinare elettricità, acquistiamo "batterie", non "serbatoi di elettroni". Cosa succede con quello?
Allinea 10 monete di fila su un tavolo in linea retta con i bordi che si toccano. Prendi un'altra moneta e colpiscila con il dito alla fine della linea. Il primo non si muove molto, ma quello all'altra estremità sì. Più colpisci con forza la prima moneta, più si muove quella all'altra estremità, ma il movimento al centro è ancora trascurabile.
Ora crea una linea di 100 monete e prova la stessa cosa. La moneta finale si muove appena. Questo perché una parte dell'energia nel movimento delle dita viene assorbita in ciascuna moneta al centro; non molto su ciascuno, ma si aggiunge a dove influisce sul risultato finale.
La forza che stai esercitando sulla prima moneta è l'equivalente del "voltaggio", il movimento della moneta all'altra estremità è la "corrente", la lunghezza della stringa di monete rappresenta la resistenza. Senza tensione, non c'è corrente. Con bassa resistenza (10 monete), la corrente è alta ma con alta resistenza (100 monete), la corrente è bassa nonostante la tensione sia la stessa.