Spanning en stroom

Zoals eerder vermeld, hebben we meer nodig dan alleen een continu pad (d.w.z. een circuit) voordat een continue stroom van lading zal plaatsvinden:we hebben ook middelen nodig om deze ladingsdragers rond het circuit te duwen. Net als knikkers in een buis of water in een pijp, is er een soort beïnvloedende kracht nodig om de stroming op gang te brengen. Bij elektronen is deze kracht dezelfde kracht die aan het werk is in statische elektriciteit:de kracht die wordt geproduceerd door een onbalans van elektrische lading. Als we de voorbeelden nemen van was en wol die tegen elkaar zijn gewreven, zien we dat het overschot aan elektronen in de was (negatieve lading) en het tekort aan elektronen in de wol (positieve lading) een onbalans in de lading tussen beide veroorzaakt. Deze onbalans manifesteert zich als een aantrekkingskracht tussen de twee objecten:

Als er een geleidende draad tussen de geladen was en wol wordt geplaatst, zullen er elektronen doorheen stromen, aangezien een deel van de overtollige elektronen in de was door de draad snelt om terug bij de wol te komen, waardoor het tekort aan elektronen daar wordt opgevuld:

De onbalans van elektronen tussen de atomen in de was en de atomen in de wol creëert een kracht tussen de twee materialen. Zonder pad voor elektronen om van de was naar de wol te stromen, kan deze kracht alleen de twee objecten naar elkaar toe trekken. Nu een geleider de isolatiespleet overbrugt, zal de kracht er echter toe leiden dat elektronen in een uniforme richting door de draad stromen, al is het maar voor even, totdat de lading in dat gebied neutraliseert en de kracht tussen de was en de wol afneemt. De elektrische lading die tussen deze twee materialen wordt gevormd door ze tegen elkaar te wrijven, dient om een ​​bepaalde hoeveelheid energie op te slaan. Deze energie is niet anders dan de energie die is opgeslagen in een hoog waterreservoir dat uit een lager gelegen vijver is opgepompt:

Door de invloed van de zwaartekracht op het water in het reservoir ontstaat een kracht die het water weer naar het lagere niveau probeert te verplaatsen. Als er vanuit het reservoir een geschikte leiding naar de vijver wordt geleid, zal het water onder invloed van de zwaartekracht vanuit het reservoir naar beneden stromen, door de leiding:

Het kost energie om dat water van de laaggelegen vijver naar het hooggelegen reservoir te pompen, en de beweging van water door de leidingen terug naar het oorspronkelijke niveau vormt het vrijkomen van energie die is opgeslagen bij het vorige pompen. Als het water naar een nog hoger niveau wordt gepompt, kost het nog meer energie om dat te doen, dus wordt er meer energie opgeslagen en komt er meer energie vrij als het water door een leiding weer naar beneden mag stromen:

Elektronen zijn niet veel anders. Als we was en wol tegen elkaar wrijven, "pompen" we elektronen weg van hun normale "niveaus", waardoor een toestand ontstaat waarin er een kracht bestaat tussen de was en de wol, terwijl de elektronen hun vroegere posities proberen te herstellen (en evenwicht binnen hun respectievelijke atomen). De kracht die elektronen terugtrekt naar hun oorspronkelijke posities rond de positieve kernen van hun atomen is analoog aan de kracht die de zwaartekracht uitoefent op water in het reservoir, in een poging het naar zijn vroegere niveau te trekken. Net zoals het pompen van water naar een hoger niveau resulteert in het opslaan van energie, resulteert het "pompen" van elektronen om een ​​onbalans in de elektrische lading te creëren in een bepaalde hoeveelheid energie die wordt opgeslagen in die onbalans. En net zoals het verschaffen van een manier voor water om terug naar beneden te stromen vanuit de hoogten van het reservoir, resulteert in het vrijkomen van die opgeslagen energie, en het verschaffen van een manier voor elektronen om terug te stromen naar hun oorspronkelijke "niveaus", resulteert in het vrijkomen van opgeslagen energie. Wanneer de ladingsdragers in die statische toestand in evenwicht zijn (net als water dat stilstaat, hoog in een reservoir), wordt de daar opgeslagen energie potentiële energie genoemd. , omdat het de mogelijkheid (potentieel) van vrijgave heeft die nog niet volledig is gerealiseerd.

Het concept van spanning begrijpen

Wanneer de ladingsdragers in die statische toestand in evenwicht zijn (net als stilstaand water, hoog in een reservoir), wordt de daar opgeslagen energie potentiële energie genoemd, omdat het de mogelijkheid (potentieel) van vrijgave heeft die nog niet volledig is gerealiseerd. Wanneer u op een droge dag uw schoenen met rubberen zolen tegen een stoffen tapijt schuurt, creëert u een onbalans in de elektrische lading tussen uzelf en het tapijt. De actie van het schuren van je voeten slaat energie op in de vorm van een onbalans van ladingen die van hun oorspronkelijke locatie worden geforceerd. Deze lading (statische elektriciteit) is stationair en je hebt niet door dat er überhaupt energie wordt opgeslagen. Als u uw hand echter tegen een metalen deurknop plaatst (met veel elektronenmobiliteit om uw elektrische lading te neutraliseren), komt die opgeslagen energie vrij in de vorm van een plotselinge stroom van lading door uw hand, en u zult het als een elektrische schok! Deze potentiële energie, opgeslagen in de vorm van een elektrische ladingsonbalans en in staat om ladingsdragers door een geleider te laten stromen, kan worden uitgedrukt als een term die spanning wordt genoemd, wat technisch gezien een maat is voor potentiële energie per eenheid lading of iets wat een natuurkundige zou doen specifieke potentiële energie noemen.

De definitie van spanning

Gedefinieerd in de context van statische elektriciteit, is spanning de maatstaf voor de arbeid die nodig is om een ​​eenheidslading van de ene locatie naar de andere te verplaatsen, tegen de kracht in die elektrische ladingen in evenwicht probeert te houden. In de context van elektrische energiebronnen is spanning de hoeveelheid potentiële energie die beschikbaar is (werk dat nog gedaan moet worden) per eenheidslading om ladingen door een geleider te verplaatsen. Omdat spanning een uitdrukking is van potentiële energie, die de mogelijkheid of het potentieel voor het vrijkomen van energie vertegenwoordigt als de lading van het ene "niveau" naar het andere gaat, wordt er altijd naar verwezen tussen twee punten. Overweeg de analogie van het waterreservoir:

Door het verschil in hoogte van de val kan er veel meer energie vrijkomen uit het reservoir via de leidingen naar locatie 2 dan naar locatie 1. Het principe is intuïtief te begrijpen bij het laten vallen van een steen:wat resulteert in een meer gewelddadige impact, een steen die van een hoogte van één voet is gevallen, of dezelfde steen die van een hoogte van één mijl is gevallen? Het is duidelijk dat de daling van grotere hoogte resulteert in meer energie die vrijkomt (een meer gewelddadige impact). We kunnen de hoeveelheid opgeslagen energie in een waterreservoir niet beoordelen door simpelweg het watervolume te meten, net zo min als we de ernst van de impact van een vallend gesteente kunnen voorspellen door simpelweg het gewicht van het gesteente te kennen:in beide gevallen moeten we ook overwegen hoe ver deze massa's zullen van hun oorspronkelijke hoogte vallen. De hoeveelheid energie die vrijkomt bij het laten vallen van een massa is relatief aan de afstand tussen zijn begin- en eindpunt. Evenzo is de potentiële energie die beschikbaar is voor het verplaatsen van ladingsdragers van het ene punt naar het andere relatief ten opzichte van die twee punten. Daarom wordt spanning altijd uitgedrukt als een hoeveelheid tussen twee punten. Interessant genoeg is de analogie van een massa die mogelijk van de ene hoogte naar de andere "valt" zo'n geschikt model dat spanning tussen twee punten soms een spanningsval wordt genoemd .

Spanning opwekken

Spanning kan op andere manieren worden opgewekt dan door bepaalde soorten materialen tegen elkaar aan te wrijven. Chemische reacties, stralingsenergie en de invloed van magnetisme op geleiders zijn enkele manieren waarop spanning kan worden geproduceerd. Respectieve voorbeelden van deze drie spanningsbronnen zijn batterijen, zonnecellen en generatoren (zoals de "alternator" -eenheid onder de motorkap van uw auto). Voor nu zullen we niet in detail treden over hoe elk van deze spanningsbronnen werkt - belangrijker is dat we begrijpen hoe spanningsbronnen kunnen worden toegepast om een ​​ladingsstroom in een elektrisch circuit te creëren. Laten we het symbool voor een chemische batterij nemen en stap voor stap een circuit bouwen:

Hoe werken spanningsbronnen?

Elke spanningsbron, inclusief batterijen, heeft twee punten voor elektrisch contact. In dit geval hebben we punt 1 en punt 2 in het bovenstaande diagram. De horizontale lijnen van verschillende lengte geven aan dat dit een batterij is, en ze geven verder aan in welke richting de spanning van deze batterij ladingsdragers door een circuit zal proberen te duwen. Het feit dat de horizontale lijnen in het batterijsymbool gescheiden lijken (en dus niet kunnen dienen als een pad voor de laadstroom) is geen reden tot bezorgdheid:in het echte leven vertegenwoordigen die horizontale lijnen metalen platen die zijn ondergedompeld in een vloeibaar of halfvast materiaal die niet alleen ladingen geleidt, maar ook de spanning genereert om ze voort te duwen door interactie met de platen. Let op de kleine "+" en "-" tekens direct links van het batterijsymbool. Het negatieve (-) uiteinde van de batterij is altijd het uiteinde met het kortste streepje en het positieve (+) uiteinde van de batterij is altijd het uiteinde met het langste streepje. Het positieve uiteinde van een batterij is het uiteinde dat ladingsdragers eruit probeert te duwen (onthoud dat we volgens afspraak ladingsdragers als positief geladen beschouwen, ook al zijn elektronen negatief geladen). Evenzo is het negatieve einde het einde dat de ladingsdragers probeert aan te trekken. Met de "+" en "-" uiteinden van de batterij nergens op aangesloten, zal er spanning zijn tussen die twee punten, maar er zal geen lading door de batterij stromen omdat er geen ononderbroken pad is waardoor ladingsdragers kunnen bewegen.

Hetzelfde principe geldt voor de analogie van het waterreservoir en de pomp:zonder een retourleiding naar de vijver kan de opgeslagen energie in het reservoir niet worden vrijgegeven in de vorm van waterstroom. Als het reservoir eenmaal volledig is gevuld, kan er geen stroming meer optreden, hoeveel druk de pomp ook mag genereren. Er moet een volledig pad (circuit) zijn om water van de vijver naar het reservoir en terug naar de vijver te laten stromen om een ​​continue stroom te laten plaatsvinden. We kunnen zo'n pad voor de batterij bieden door een stuk draad van het ene uiteinde van de batterij naar het andere te verbinden. Door een circuit te vormen met een draadlus, zullen we een continue stroom van lading met de klok mee initiëren:

Het concept van elektrische stroom begrijpen

Zolang de batterij spanning blijft produceren en de continuïteit van het elektrische pad niet wordt verbroken, zullen ladingsdragers in het circuit blijven stromen. In navolging van de metafoor van water dat door een pijp beweegt, wordt deze continue, uniforme stroom van lading door het circuit een stroom genoemd. . Zolang de spanningsbron in dezelfde richting blijft "duwen", zullen de ladingsdragers in dezelfde richting in het circuit blijven bewegen. Deze stroom in één richting wordt een gelijkstroom genoemd , of gelijkstroom. In het tweede deel van deze boekenreeks worden elektrische circuits onderzocht waarbij de stroomrichting heen en weer wisselt:wisselstroom , of AC. Maar voor nu houden we ons alleen bezig met DC-circuits. Omdat elektrische stroom is samengesteld uit individuele ladingsdragers die samen door een geleider stromen door mee te bewegen en op de ladingsdragers vooruit te duwen, net als knikkers door een buis of water door een pijp, zal de hoeveelheid stroom door een enkel circuit hetzelfde zijn op elk punt. Als we een doorsnede van de draad in een enkel circuit zouden bewaken, en de ladingsdragers zouden tellen die voorbij stromen, zouden we exact dezelfde hoeveelheid per tijdseenheid opmerken als in elk ander deel van het circuit, ongeacht de lengte van de geleider of de geleider. diameter. Als we de continuïteit van het circuit op enig moment , zal de elektrische stroom in de hele lus stoppen en de volledige spanning die door de batterij wordt geproduceerd, zal zich manifesteren over de breuk, tussen de draadeinden die vroeger waren aangesloten:

Wat is de polariteit van een spanningsval?

Let op de tekens "+" en "-" die aan de uiteinden van de breuk in het circuit zijn getekend en hoe ze overeenkomen met de tekens "+" en "-" naast de accupolen. Deze markeringen geven de richting aan waarin de spanning de stroom probeert te duwen, die potentiële richting die gewoonlijk wordt aangeduid als polariteit . Onthoud dat spanning altijd relatief is tussen twee punten. Vanwege dit feit is de polariteit van een spanningsval ook relatief tussen twee punten:of een punt in een circuit wordt gelabeld met een "+" of een "-" hangt af van het andere punt waarnaar het verwijst. Bekijk het volgende circuit, waar elke hoek van de lus is gemarkeerd met een nummer ter referentie:

Met de continuïteit van het circuit verbroken tussen de punten 2 en 3, is de polariteit van de spanning die tussen de punten 2 en 3 valt, "+" voor punt 2 en "-" voor punt 3. De polariteit van de batterij (1 "+" en 4 "-" ) probeert de stroom door de lus te duwen met de klok mee van 1 naar 2 naar 3 naar 4 en weer terug naar 1. Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als we de punten 2 en 3 weer met elkaar verbinden, maar een breuk plaatsen in het circuit tussen de punten 3 en 4:

Met de onderbreking tussen 3 en 4, is de polariteit van de spanningsval tussen die twee punten "-" voor 4 en "+" voor 3. Let er speciaal op dat het "teken" van punt 3 het tegenovergestelde is van dat in de eerste bijvoorbeeld waar de breuk tussen de punten 2 en 3 lag (waarbij punt 3 het label "-" had). Het is voor ons onmogelijk om te zeggen dat punt 3 in dit circuit altijd "+" of "-" zal zijn, omdat polariteit, net als spanning zelf, niet specifiek is voor een enkel punt, maar altijd relatief is tussen twee punten!

BEOORDELING:

• Ladingsdragers kunnen worden gemotiveerd om door een geleider te stromen met dezelfde kracht die zich manifesteert in statische elektriciteit.
• Spanning is de maat voor specifieke potentiële energie (potentiële energie per eenheid lading) tussen twee locaties. In termen van de leek is het de mate van "duwen" die beschikbaar is om de aanval te motiveren.
• Spanning, als uitdrukking van potentiële energie, is altijd relatief tussen twee locaties of punten. Soms wordt het een spanningsval genoemd.
• Als een spanningsbron is aangesloten op een circuit, veroorzaakt de spanning een uniforme stroom van ladingsdragers door dat circuit, een stroom genaamd .
• In een circuit met één lus (één lus) is de hoeveelheid stroom op elk punt hetzelfde als de hoeveelheid stroom op een ander punt.
• Als een circuit met een spanningsbron wordt onderbroken, verschijnt de volledige spanning van die bron over de punten van de onderbreking.
• De +/- oriëntatie van een spanningsval wordt de polariteit . genoemd . Het is ook relatief tussen twee punten.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Spanning, stroom en weerstand