2.4: Енергія та напруга

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33852

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Енергія визначається як здатність виконувати роботу. Він позначається буквою\(W\). Базовою одиницею є джоуль, хоча іноді використовуються інші одиниці (наприклад, калорійність або кіловат-годину, кВт-год).

Рисунок Template:index: Визначення напруги як роботи для переміщення заряду.

Якби ми переміщали заряд з однієї точки в іншу (наприклад, відокремлюючи електрон від атома), нам довелося б витратити енергію для цього. Це показано на малюнку Template:index. На цьому малюнку ми б сказали, що\(B\) має більший електричний потенціал, ніж\(A\). Іншими словами, існує різниця потенціалів між\(B\) і\(A\). Ми називаємо цю зміну напругою. Він позначається буквою\(V\) (або іноді\(E\) ¹) і має одиниці вольт, в честь Алессандро Вольта. Один вольт визначається як один джоуль на кулон.

\[1 \text{ volt } \equiv 1 \text{ joule } / 1 \text{ coulomb } \label{2.3} \]

Як ви могли здогадатися, чим більше заряд, який потрібно переміщати, тим більше енергії потрібно. Виражається у вигляді формули,

\[V = W / Q \label{2.4} \]

Де

\(V\)це напруга в вольтах,

\(W\)це енергія в джоулі,

\(Q\)це заряд в кулоні.

На відміну від струму, напруга завжди має на увазі дві точки для вимірювання, оскільки воно передбачає різницю. Часто однією з точок є загальним орієнтиром, таким як заземлення або заземлення ланцюга (тобто заземлення шасі). Іноді люди будуть називати точку в ланцюзі як має певну напругу, як у «точці\(X\) 12 вольт». Хоча поширене у використанні, це дещо неохайно і не суворо правильно. Важливо завжди пам'ятати, що це значення відносно якоїсь точки відліку. Як правило, напруга буде позначатися, використовуючи дві точки в якості індексів, наприклад\(V_{AB}\), тобто напруга в точці\(A\) щодо точки\(B\). Якщо використовується тільки єдиний індекс, як в\(V_A\), то друга, або контрольна, точка приймається загальною або землею системи. У цьому випадку ми маємо на увазі напругу в точці\(A\) щодо загальної точки системи. Нарешті, за визначенням\(V_{AB} = V_A − V_B\), оскільки вони мають однакове посилання.

Приклад Template:index

100 джоулів витрачаються на переміщення 20 кулонових зарядів від точки\(A\) до точки\(B\). Визначте результуюче напруга.

\[V_{BA} = \frac{W}{Q} \nonumber \]

\[V_{BA} = \frac{100 J}{20C} \nonumber \]

\[V_{BA} = 5 V \nonumber \]

Зверніть увагу, що можливо, щоб напруга була негативною. Це просто означає, що потенціал в цікавій точці менше, ніж у контрольної точки. У прикладі Template:index ми виявили,\(B\) що точка на п'ять вольт вище точки\(A\). Ми могли б так само легко сказати,\(A\) що точка на п'ять вольт нижче точки\(B\), або\(V_{AB} = −5\) V. Крім того, ми можемо констатувати різницю з точки зору окремих напруг, орієнтованих на землю, або\(V_{BA} = V_B − V_A\).

Статична електрика та ESD

Хоча очевидно, що більш високі напруги передбачають вищі пов'язані енергії (заряд тримається постійним), неправда, що особливо висока напруга обов'язково смертельна. Це пояснюється тим, що дуже високої напруги можна досягти, перемістивши невеликий заряд з лише скромним споживанням енергії. Хорошим прикладом цього є статична електрика, так називається тому, що воно не пов'язане з рухомим струмом.

Статична електрика зазвичай генерується за допомогою трибоелектричного ефекту, який передбачає передачу електронів з одного матеріалу в інший за допомогою фізичного контакту, такого як тертя або вишкрібання. Якщо зазначені матеріали є хорошими електричними ізоляторами, заряди залишаться на матеріалах і можуть будуватися до дуже високих рівнів, створюючи велику напругу. Багато пластмаси, такі як полістирол і поліестер, є хорошими кандидатами. Ефект можна помітити з певними тканинами, особливо при низькій вологості. Наприклад, зняття пуловера або куртки з поліестеру з флісу може видавати певний тріск звуку. Ковзання флісу нарощує заряд і в кінцевому підсумку напруга стане настільки великим, що воно буде дугою по повітрю до навколишніх предметів, які мають меншу напругу. Це відбувається швидко над багатьма частинами одягу, кожна тріск є індивідуальною дугою. Насправді, якщо спробувати в темряві, то можна побачити каскад дрібних іскор. Це те саме явище, яке викликає іскру при дотику до автомобіля після зісковзування з сидіння в холодний і сухий зимовий день, або невеликий шок при дотику до предмета (або іншої людини) після прогулянки по килиму в сухій бібліотеці.

Рисунок Template:index: Трибоелектричний ефект і статична електрика: Котяче хутро зустрічається з полістиролом.

Той, хто відкрив коробку, наповнену арахісом для упаковки з полістиролу, може засвідчити клопіткий характер трибоелектричного ефекту, оскільки дуже легкий арахіс може легко прилипати до інших предметів завдяки електричному заряду, що утворюється внаслідок їх переміщення. Жодна кількість маніакального чищення або кидання шматочків не зменшить ефект і може, насправді, погіршити його. Просте рішення в деяких випадках полягає в тому, щоб розпорошити дрібний туман води на упаковці арахісу, оскільки вода забезпечить шлях провідності, стікаючи з зарядів. Звичайно, це буде доречно не у всіх ситуаціях, особливо в тій, яка показана на малюнку Template:index. У попередніх прикладах статична напруга може бути близько декількох тисяч вольт, але пов'язана енергія може становити лише кілька мікроджоулів. Незважаючи на високу напругу, цього недостатньо, щоб когось вбити. З іншого боку, така ж напруга, досягнута при набагато більшому заряді та енергії, може бути смертельним.

Окрім простих незручностей та ненавмисних можливостей котячих розваг, високий статичний потенціал може пошкодити чутливі електронні пристрої. Необхідно дотримуватися обережності, щоб запобігти випадковому накопиченню пошкоджуючих зарядів. В електронній промисловості це зазвичай називають ESD, або електростатичний розряд. Кроки щодо зменшення ESD включають контроль вологості та використання провідних пристроїв, таких як резистивні ремінці для зап'ястя, щоб технічні працівники постійно зливали заряди, запобігаючи тим самим створенню високого статичного потенціалу.

Аналогія висоти

Подібно до того, як потік води можна розглядати як аналогію для електричного струму, справна аналогія напруги передбачає тиск або висоту. Дійсно, іноді напруга називають «електричним тиском». Аналогія висоти пов'язує воєдино поняття напруги та енергії. У цій аналогії висота відповідає напрузі, а маса відповідає заряду.

Для початку відзначимо, що існує два види енергії: кінетична енергія, або енергія руху; і потенційна енергія, або енергія в силу положення. Потенційна енергія - це твір маси, сили тяжіння і висоти, або\(w = mgh\). Зберігаючи гравітацію рівною, ми бачимо, що чим більше маси щось має або чим вище, тим більше його потенційна енергія. Ми можемо думати про потенційну енергію як потенціал об'єкта, щоб завдати шкоди при звільненні.

Рисунок Template:index: Розуміння напруги: Девід Хьюм робить заголовок.

Для ілюстрації, ми закликаємо 18 століття шотландського філософа і відзначив футбольний вболівальник ², Девід Хьюм. Якщо футбольний м'яч тримається нерухомо над головою пана Юма, як показано на малюнку Template:index, м'яч має енергію в силу свого положення. Випуск м'яча з показаної позиції навряд чи буде турбувати пана Юма, оскільки мало енергії, пов'язаної з цим положенням щодо верхньої частини його noggin. Насправді, він був би жорстко притиснутий, щоб очолити м'яч іншому гравцеві. Якби, з іншого боку, м'яч тримався значно вище, його потенційна енергія була б набагато більшою. Тому вплив на голову містера Юма різко збільшився б і йому було б мало труднощів направляти м'яч вниз по полю (тобто перетворення потенційної енергії в кінетичну енергію), хоча шанси на те, що він отримає струс мозку, значно збільшуються.

Таким чином, ми зауважимо, що висота кулі дає нам деяке уявлення про його потенційну енергію, хоча ці терміни не є синонімами. Тобто, якщо замість футбольного м'яча ми використовували м'яч для пінг-понгу, навіть коли впали з екстремальної висоти, шанси на струс мозку відсутні ³. З іншого боку, якби м'яч був замінений на той, який зроблений з твердого заліза, падіння навіть зі скромної висоти могло б зробити нашого найпрекраснішого філософа серйозно мертвим. Так само і з напругою. Якщо заряд, пов'язаний з напругою, невеликий, навіть відносно висока напруга не буде смертельним (як у випадку з простим статичною електрикою на одязі), однак, якщо пов'язане з досить великим зарядом, набагато менша напруга може виявитися смертельно небезпечним

Посилання

¹\(E\) використовується для джерел напруги, таких як акумулятори. Це коротко для ЕРС, або електрорушійної сили.

² Хьюм, автор запиту щодо розуміння людини, помер у 1776 році. Сучасна гра у футбол була заснована в 1863 році. Давайте не дозволяємо, щоб це стримувало наш власний запит.

³ Побудова згаданого речення зобов'язана певною заборгованістю стилю письма пана Юма.