究竟什么是电压?

电器工程 电压
2022-01-27 06:10:05

我今年 15 岁,最近开始接触电子产品,但我无法理解电压。

我读了很多文章,看了很多关于电压的视频,他们都给出了不同的答案。他们中的一些人说电压就像压力,其他人说电压就像重力势能,然后有人说它是电场强度的量度。如您所见,我不知道该怎么想。

有人可以向我解释一下吗,因为我已经尝试寻找答案 2 个月了,这有点让我发疯:)

此外,如果电压就像引力势能,那么电压越高意味着电流越大呢?

4个回答

我怀疑我只会进一步混淆你,但这里有:

他们中的一些人说电压就像压力,其他人说电压就像重力势能,然后有人说它是电场强度的量度。

我们说电压就像压力,或者引力势能,因为我们试图将你可以看到或感觉到的事物进行类比(因为你可以将一块石头放在你的脚趾上,或者感觉到气球中的压力)你把它炸了)。

什么电压抽象的(因此类比)。如果你在电场中有一个电子,它上面就有一个力,所以它想要移动。如果你有一把神奇的镊子,可以让你抓住那个电子并将它从一个点移动到另一个点,你就必须对它施加力——将能量输入系统——否则它会对你施加力—— - 从系统中取出能量并将其提供给您。

伏特不是电场的量度。伏特是电场的结果,但电场的单位是伏特每米。伏特每单位电荷可用能量的表达因此,如果您有 1 库仑电荷,并且让该电荷流过下降 1 伏特的东西,那么该电荷将为下降 1 伏特的任何东西提供 1 焦耳的能量。

此外,如果电压就像引力势能,那么电压越高意味着电流越大呢?

在这里,我们很好的类比被打破了。从这个意义上说,电压更像是水管中的压力。

对于所有物理事物,如果你在它们之间施加电压,电流就会流动——可能很多,也可能很小,但电流几乎总是会流动。对于大多数事情(有一些例外),你施加的电压越高,流过的电流就越多。

因此,在这方面,电压就像水管中的压力——压力越大,流量越大,就像电阻上的电压越高,电阻的电流越大。但这只是一个比喻最终,你只需要用你的大脑来对抗物理,直到一切都变得直观,就像你了解到,当你放开某些东西时,它每次都会掉下来。不同的是,你在一岁之前就学会了丢东西。电压课是在以后的生活中出现的,所以你必须有意识地让你的大脑灵活起来。

简单来说,电压是与电场中的两个点相关的每单位电荷能量的量度。但是为什么任何两点都有能量呢?

为了回答这个问题,我们需要描绘一个电场及其对测试电荷的影响。

我们可以将电场想象为将一个小箭头与空间中的每个点相关联。电场中的每个箭头都代表一个单位的电荷如果放置在该特定点上会感受到的力。

由于同电荷排斥,箭头指向远离正电荷(因为它排斥我们的测试电荷): 电荷周围的电场

当测试电荷穿过电场时,它会被推动并获得或失去能量。如果它与场中小箭头的方向相同,则对粒子做功,并获得能量。如果它与磁场相反,它反而会失去能量。

想象一下,它就像一个已经远离你的秋千,而不是当它向你袭来时推动同一个秋千。在第一种情况下,它被推动与运动方向对齐,加速它。在第二种情况下,它被推向与运动方向相反的方向,使其减速。在某种程度上,您必须将整个路径上小箭头的所有贡献相加,以计算摆动/测试电荷的最终能量。

这种箭头的添加称为线积分,它涉及在每个点计算位移矢量和场指向同一方向的程度

10V 电池是一种产生电场的电池,使得从正极到负极的所有小箭头相加会导致电路中每个单位电荷的净功为 10 焦耳。

对于到处都有均匀电阻的导线,电场看起来像这样:

电池E场

理想情况下,如果没有电阻,在每个循环中,我们的测试充电将在每个循环中获得 10 焦耳并永远加速,但实际上,随着电流的增加,能量会越来越多地以热量的形式消散。

测试电荷也可能对其他东西起作用:在 LED 中,这种电能被转换为发光形式,在电机中,在机械形式中,等等。

需要考虑的一个重要细节是,从一个点到另一个点可能有多条路径。为什么能量差异不取决于两点之间的特定路径?

在没有外力和场的情况下,电场是保守的,这意味着无论路径如何,电位差都会产生相同的数字。

要了解为什么会这样,请想象沿上方路径 (X) 从 A 到 B 的电位为 15V,但沿下方路径 (Y) 从 A 到 B 的电位为 5V:

两条路径

然后,如果我们的测试电荷首先通过 X 从 A 流向 B,然后通过 Y 以相反方向向后移动,则电场将做 10 焦耳的净功:15 焦耳“向下”通过电场,5 焦耳“向上” . (注意:这里我使用“向下”和“向上”来类比爬升或下降重力场)

但是由于充电恢复到原来的位置,我们免费获得了 10 焦耳!这违反了能量守恒定律,除非能量来自其他地方。如果没有任何东西提供这种能量,那么所有路径都具有相同的潜力。

类比的解释:

像电场一样,引力场也会推动事物。就像在电磁场中一样,如果你沿着引力场走下去,这个场确实会起作用,你会获得能量,而这种能量也可以通过做其他事情来用于各种目的。

在流体中,所讨论的力场是压力差,它会在压力降低的方向上加速粒子(因为指向该方向的力不平衡)

他们中的一些人说电压就像压力,其他人说电压就像重力势能,然后有人说它是电场强度的量度。

你在这里没有问过问题,但如果你理解类比的话,就像所有这些事情一样。

在引力的类比中,更准确地说,电压就像引力势能,而不是引力势能。比如你有一座10米高的小山,山底和山顶的引力势差为\$(10\ m)(g)\$. 这与将物体从山脚移动到山顶所需的能量成正比。但是你需要更多的能量来移动一个保龄球而不是移动一块鹅卵石(就像你需要更多的能量来通过电势差移动更大的电荷)。即使您没有在山上上下移动任何物体,重力势差也是一个定义的量(就像两点之间的电压可以是一个定义的量,即使这些点之间没有任何电流流动)。

如果电压就像引力势能,那么电压越高意味着电流越大?

产生更多电流的不是电压本身的更大差异。在固定距离(例如电阻器两个端子之间的距离)上,电压差异更大。

引力势的作用方式相同:溪流在陡峭的斜坡上流动得更快,而在坡度较小的地方流动得更慢。

从数学上讲,电压只是一条线上电场的积分。(你可能已经知道积分是什么。也许只是一个函数在一个区间上的积分。空间中的电场告诉空间的每个点每个电荷单位的矢量力是多少。矢量场(等等电场)可以在(曲线或直线)线上积分,就好像它是由线的参数描述的区间上的函数,其中函数由矢量场和切线矢量的点积给出线)。

从物理上讲,如果不使用任何与其他可能引起混淆并因此留在电子世界中的物理学分支进行类比,它可以是三个并且只有三个不同的东西:

  1. 每单位电流转换成热量的电能。它的测量单位为 [W/A]=[V]。这是当电流流过主要以电阻为特征的材料(例如电阻器)时观察到的现象。它也被称为电压降。

  2. 每个充电单位存储的电能。它的测量单位为 [J/C]=[V]。这是当主要以电容(例如电容器)为特征的系统充电或放电时观察到的现象。它也被称为电位差。

  3. 磁通链的时间变化率。它的测量单位为 [Wb/s]=[V]。这是当主要以电感为特征的系统(例如线圈)被磁化或去磁时观察到的现象。它也被称为电动势或电动势

当系统同时以电阻、电容和电感为特征时,您必须将所有这些贡献相加。