Che cos'è esattamente la tensione?

Un po 'una domanda strana, ma che cos'è? Il mio insegnante di fisica ha detto che era un po 'come una "spinta" che spinge gli elettroni attorno al circuito. Posso avere una spiegazione più complessa? Ogni aiuto è molto apprezzato.

Il tuo insegnante aveva ragione.

La corrente è cariche elettriche (generalmente elettroni) in movimento. Non lo fanno da soli per nessun motivo, non più di quanto un carrello della spesa si muova da solo sul pavimento di un negozio. In fisica, chiamiamo la forza che spinge carica la forza elettromotrice , o "EMF". È quasi sempre espresso in unità di volt, quindi di solito prendiamo poca scorciatoia e diciamo "tensione" per la maggior parte del tempo. Tecnicamente EMF è la quantità fisica e volt è un'unità in cui può essere quantificata.

EMF può essere generato in diversi modi:

1. Elettromagnetico. Quando un conduttore (come un filo) viene spostato lateralmente attraverso un campo magnetico, si genererà una tensione lungo la lunghezza del filo. Generatori elettrici come nelle centrali elettriche e l'alternatore nella tua auto lavorano su questo principio.

2. Elettrochimico. Una reazione chimica può causare una differenza di tensione. Le batterie funzionano su questo principio.

3. Fotovoltaico. Schiaccia i fotoni in un diodo a semiconduttore nel posto giusto e ottieni una tensione. Ecco come funzionano le celle solari.

4. Elettrostatica. Strofina insieme due dei materiali giusti e uno sposta elettroni sull'altro. Due materiali che mostrano bene questo fenomeno sono un pettine di plastica e un gatto. Questo è ciò che accade quando ti muovi sul giusto tipo di tappeto e poi fai uno zapping quando tocchi un oggetto metallico. Sfregare un palloncino contro la maglietta fa questo, che quindi consente al palloncino di "attaccarsi" a qualcos'altro. In tal caso, l'EMF non può far muovere gli elettroni, ma li attira ancora, che a loro volta tirano sul baloon su cui sono bloccati.

   Questo effetto può essere aumentato per variare le alte tensioni ed è la base per il funzionamento dei generatori Van de Graaff .

5. Termoelettrico. Un gradiente di temperatura lungo la maggior parte dei conduttori provoca una tensione. Questo si chiama effetto Siebeck . Sfortunatamente non puoi sfruttarlo perché per usare questa tensione alla fine c'è un circuito chiuso. Qualsiasi tensione acquisita da un aumento di temperatura in una parte del circuito viene quindi compensata da una diminuzione della temperatura in un'altra parte del circuito. Il trucco consiste nell'utilizzare due materiali diversi che presentano una tensione diversa a causa dello stesso gradiente di temperatura (diverso coefficiente Siebeck). Usa un materiale che esce da una fonte di calore e un diverso ritorno, e ottieni una tensione netta che puoi usare alla stessa temperatura.

   La tensione totale che si ottiene da uno in avanti e indietro, anche con una differenza di temperatura elevata, è piuttosto piccola. Mettendo insieme molte di queste combinazioni avanti e indietro, puoi ottenere una tensione utile. Un singolo ritorno è chiamato termocoppia e può essere utilizzato per rilevare la temperatura. Molti insieme sono un generatore di termocoppie. Sì, quelli effettivamente esistono. Ci sono stati veicoli spaziali alimentati su questo principio con la fonte di calore proveniente dal decadimento di un radio-isotopo.

6. Termoionica . Se riscaldi qualcosa di abbastanza alto (100s di ° C), gli elettroni sulla sua superficie si muovono così velocemente che a volte volano via. Se hanno un posto dove atterrare che è più freddo (quindi non voleranno di nuovo via da lì), hai un generatore termoionico. Questo può sembrare inverosimile, ma ci sono stati anche veicoli spaziali alimentati da questo principio con la fonte di calore di nuovo in decadimento radio-isotopico.

   I tubi elettronici usano questo principio in parte. Invece di riscaldare qualcosa in modo che gli elettroni volino via da soli, puoi riscaldarlo fino a quasi quel punto in modo che volino via quando viene applicata una piccola tensione aggiuntiva. Questa è la base del diodo per tubi a vuoto e importante per la maggior parte dei tubi a vuoto. Questo è il motivo per cui questi tubi avevano i riscaldatori e si potevano vedere brillare. Ci vogliono temperature incandescenti per arrivare dove l'effetto termoionico è significativo.

7. Piezoelettrico. Alcuni materiali (ad esempio il cristallo di quarzo) generano una tensione quando li si schiaccia. Alcuni microfoni funzionano su questo principio. Le diverse onde di pressione nell'aria che chiamiamo suono schiacciano e schiacciano alternativamente un cristallo di quarzo, il che provoca di conseguenza piccole onde di tensione. Possiamo amplificarli per creare eventualmente segnali che è possibile registrare, guidare altoparlanti in modo da poterli sentire, ecc.

   Questo principio viene utilizzato anche in molti accenditori per barbecue. Un meccanismo a molla colpisce un cristallo di quarzo piuttosto duramente in modo da creare una tensione sufficiente a provocare una scintilla.

Usando un'analogia fluida, la tensione è pressione, la corrente è portata.

"Tensione" è una quantità derivata. È difficile comprenderne il significato fisico senza comprendere le quantità da cui deriva.

Tutto inizia con la forza tra due cariche di punti. Lascia che le cariche dei punti e siano e . Lascia che la distanza tra loro sia . Il teorema fondamentale dice che la forza tra queste due cariche è proporzionale alla quantità di cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche. Questo è:$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

Lascia che la posizione e l'addebito di siano fissi. Ora la forza dipende dalla posizione e dalla carica di . Quindi definiamo un campo vettoriale chiamato "Campo elettrostatico". La direzione del campo vettoriale è la stessa della direzione del campo della forza tra e quando è una carica unitaria positiva. E l'entità del campo è la forza per carica quando è una carica positiva unitaria. Questo è:$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Facciamo avvicinarsi a zero per trascurare alcuni altri effetti elettromagnetici; non lasciarti confondere così tanto. È qualcosa come "un'aura che è in grado di generare una forza per carica elettrica unitaria". La sua direzione è uguale alla direzione della forza che genera e la sua grandezza è proporzionale alla grandezza della forza.$q_1$

Ora arriviamo a vedere che queste quantità che abbiamo definito sono molto simili ad altre quantità fisiche che conosciamo. Ad esempio, la forza sopra è molto simile alla forza tra la Terra e un oggetto spaziale, come la Luna. E il campo è molto simile al campo gravitazionale della Terra.$\bar{E}$

Quindi nasce l'idea di definire il potenziale elettrico che è simile al potenziale di un oggetto spaziale rispetto alla Terra. Il potenziale di un punto nello spazio attorno alla Terra è l'energia per unità di massa per portare un oggetto (che ha una massa unitaria) dall'infinito a quel punto. Quando lo definiamo in Elettrostatica, il potenziale del punto diventa:$P_2$

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Quindi, la differenza potenziale tra due punti indipendenti ( e ) nello spazio all'interno del campo (causato da ) è:$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Si noti che il campo elettrico è privo di ricci, il che significa che può sempre essere rappresentato come gradiente di un campo scalare ( ). Questi integrali di linea sono indipendenti dal percorso.$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Quindi, questa è la definizione del campo potenziale. Un punto avrà sempre un potenziale anche se non vi è alcun addebito su di esso. Pensalo come "l'energia necessaria per portare un'unità carica lì dall'infinito". La differenza potenziale tra due punti è simile; è l'energia necessaria per trasportare una carica unitaria da un punto all'altro. O pensalo su un esempio più concreto come per i corpi celesti. La differenza potenziale tra 100 km di altezza e 200 km di altezza sopra la superficie terrestre non è altro che differenze di energie potenziali tra due oggetti da 1 kg a determinate altezze.

Quando arriviamo al mondo reale, il potenziale di un punto è alcuni di tutti i potenziali individuali causati dalle cariche intorno (si applica la teoria della sovrapposizione).

Una tensione appare ogni volta che c'è uno squilibrio della carica elettrica (cioè elettroni). Poiché le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono, qualsiasi raccolta di particelle cariche elettricamente crea una sorta di forza reciproca. Se c'è uno squilibrio da negativo a positivo, si forma una sorta di "pressione" o "spinta". Nel condurre materiali, gli elettroni sono liberi di fluire attraverso il materiale, invece di essere fissati in atomi, e quindi fluiranno fino al punto di minima "pressione".

Alcune considerazioni complicate:

• Elettricità e chimica sono strettamente connesse. In una batteria, ad esempio, uno squilibrio chimico crea uno squilibrio elettrico (tensione) attraverso i terminali, forzando le particelle cariche su un lato. La chimica influenza anche le condizioni elettriche in altri modi.
• La corrente (I) è il flusso di elettroni, tuttavia, gli elettroni (poiché sono negativi) scorrono nella direzione opposta alla "corrente". La corrente è quindi il flusso concettuale di carica positiva, anche se il flusso effettivo è negativo, ma nella direzione opposta. Ciò dimostra che una "spinta" negativa è esattamente la stessa di una "spinta" positiva.

Una definizione che ho sentito è:

La tensione è il potenziale (per la carica) per funzionare.

In altre parole, la tensione è l'energia data a un'unità di carica, cioè , dove è energia e è carica. E$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

La risposta rapida, prima approssimazione, regola empirica: la tensione è la pressione elettrica.

Ma espandendoci su questo: la tensione non è come la pressione, non esattamente. Invece, è un concetto di matematica / fisica chiamato "potenziali". La tensione è più simile all'altitudine in un campo di gravità, dove ogni elettrone o protone è come un masso. L'altitudine non è pressione, peso o forza. Se un masso si trova in cima a una collina, il masso in una posizione ad alto potenziale. Ciò significa che il masso sta immagazzinando energia potenziale (PE) e rilascerà questa energia come energia cinetica (KE) se è consentito spostarsi in discesa (spostarsi in una posizione a basso potenziale.) Sollevato alla stessa tensione (altitudine) massi più grandi avrebbe un PE più alto.

Più preciso: la tensione è potenziale elettrico. Non è forza (non è come la forza o il peso del masso, né la quantità di forza su una carica elettrica in un campo elettrico.) Anche la tensione non è energia potenziale, poiché se togliiamo il masso, allora la gravità, l'altitudine e il potenziale esistono ancora. I potenziali fanno parte del campo stesso. I modelli di tensione possono appendere nello spazio vuoto.

La tensione è un modo per descrivere / visualizzare / misurare i campi elettrici.

Per descrivere i campi elettronici, possiamo tracciare linee di flusso tra cariche elettriche opposte. O invece, possiamo disegnare il modello di tensione, le superfici iso-potenziali, disegnandole perpendicolari alle linee di flusso. Ovunque troviamo alcune linee di forza elettriche, troveremo anche tensione.

Cosa non è la tensione? Quali sono le idee sbagliate tipiche? Eccone uno grande: "la tensione è una specie di energia potenziale". No, sbagliato. Invece la tensione è il concetto matematico "Potenziali", che non sono energia, né sono "potenziali per fare qualcosa". Ecco un altro errore: "la tensione è l'energia potenziale per unità di carica". No, sbagliato. Questa è solo la definizione fisica dell'unità Volt, che la collega alle unità Joule e Coulomb. In realtà va diversamente: la quantità di energia (quantità di lavoro svolta per spostare una carica attraverso una certa differenza di tensione) si trova moltiplicando la carica per il cambiamento di tensione! L'energia elettrica è determinata dalla tensione! Ma la tensione stessa non ha bisogno di alcuna carica in movimento né di energia potenziale immagazzinata, poiché la tensione è un modo per descrivere un campo nello spazio vuoto. Le cariche di prova utilizzate per descrivere la tensione sono immaginarie cariche infinitesimali. Un altro errore: "la tensione appare sulla superficie dei fili". Sbagliato, la tensione in realtà si estende nello spazio attorno ai fili. A metà strada tra i terminali della batteria da 9 V troverai un potenziale da 4,5 V, sospeso da solo nello spazio vuoto! Ma i voltmetri tipici non rileveranno la tensione spaziale, poiché ciò richiede un voltmetro con Z infinita (inp), o almeno qualche centinaio di gigohm. I normali voltmetri DMM da 10Meg assorbono una corrente significativa, cortocircuitano qualsiasi campo elettronico puro, quindi devono essere toccati sulle superfici dei conduttori per misurare la tensione. Troverò un potenziale di 4,5 V, sospeso da solo nello spazio vuoto! Ma i voltmetri tipici non rileveranno la tensione spaziale, poiché ciò richiede un voltmetro con Z infinita (inp), o almeno qualche centinaio di gigohm. I normali voltmetri DMM da 10Meg assorbono una corrente significativa, cortocircuitano qualsiasi campo elettronico puro, quindi devono essere toccati sulle superfici dei conduttori per misurare la tensione. Troverò un potenziale di 4,5 V, sospeso da solo nello spazio vuoto! Ma i voltmetri tipici non rileveranno la tensione spaziale, poiché ciò richiede un voltmetro con Z infinita (inp), o almeno qualche centinaio di gigohm. I normali voltmetri DMM da 10Meg assorbono una corrente significativa, cortocircuitano qualsiasi campo elettronico puro, quindi devono essere toccati sulle superfici dei conduttori per misurare la tensione.

Cos'è la tensione? È una pila di membrane invisibili che riempiono lo spazio tra le piastre del condensatore cariche. La tensione è il modello di strati concentrici di cipolla che circondano qualsiasi oggetto carico, con gli strati di cipolla che scorrono perpendicolarmente alle linee di flusso del campo elettrico. Quindi, "pile di strati di tensione" è un modo per descrivere un campo elettrico. L'altro modo più familiare è usare le "linee di forza".

In realtà non possiamo.

La forza elettrostatica è proporzionale al gradiente potenziale, ma non direttamente al potenziale. La forza su un coulomb di carica è proporzionale al gradiente potenziale:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

In realtà, 1 V significa che se hai 1 joule di energia elettrica, verrà trasferito in energia meccanica con una carica di coulomb di +1 [quindi accelera o aumenta di 1 / 2mV ^ 2 di 1 J]. In realtà è analogo all'energia.

Aggiungendo a ciò che Gunnish ha detto:

La tensione al punto A è letteralmente una misura del lavoro che spenderesti se dovessi spingere una carica positiva da 0 V (di solito definita come infinitamente lontana da A o terra) ad A.

La tensione è importante nell'elettronica perché se iniziamo con una carica positiva nel punto A, è in grado di fare la stessa quantità di lavoro arrivando a 0 V (es. Accendendo un LED nel processo).

Ciò che sta spingendo alle elezioni è una differenza di energia potenziale, proprio come il modo in cui vieni spinto / tirato sulla terra dalla gravità. Questo genera probabilmente un vantaggio per gli elettroni che si spostano da una parte all'altra, ciò spiega anche in parte perché gli elettroni si muovono "casualmente" in un filo.