¿Cómo debo pensar acerca de voltaje y potencia?

Question

He estado muy confundido acerca de cómo exactamente a pensar acerca de voltaje (y el poder) cuando se trata de análisis de circuitos. En física, el voltaje es descrito como la energía requerida para mover una unidad de carga a una distancia específica a través de un campo eléctrico, pero que parece estar en el espacio libre, y mi profesor de física, en realidad no se aplican a un circuito. Para un circuito, lo describe como una diferencia en la energía potencial eléctrica por unidad de carga entre dos puntos, que "empuja" a los cargos. Estoy un poco confundido en cuanto a por qué el aumento de la diferencia en la energía potencial por unidad de carga se las arregla para empujar más actual. Si yo soy el dumping de una botella de agua en un fregadero, moviendo la botella de agua arriba y abajo como yo soy el dumping no va a hacer que el agua sale de la botella más rápido o más lento, aunque yo no soy técnicamente cambiando su potencial gravitatoria.

Yo también estoy confundido cuando hablamos de poder. El poder es descrito como $P = VI$, pero si tenemos un circuito con tres resistencias, y, sin cambiar el voltaje de la fuente, tiene 1 resistencia con la resistencia equivalente, es obvio que se disipa más energía en forma de calor, a pesar de la constante de la corriente a través del circuito. Pero, ¿por qué? ¿Por qué el potencial de energía por carga entre dos puntos de traducir a la térmica de la energía? Pensé que si la tensión fue un empate, el potencial de la energía simplemente se convierte en energía cinética de los electrones, así que, ¿dónde la energía térmica?

Así que, ¿cuál es la mejor manera que se me debe conceptualizar ¿qué está pasando aquí? Puedo analizar un circuito y hacer KVL y KCL y la ley de Ohm y todo eso, pero quiero saber en realidad lo que estoy haciendo yo cuando hago eso, así que por favor alguien puede darme una buena manera de pensar acerca de todo?

Answer 1

Admiro su determinación a entender, y su línea de interrogatorio. Voy a tratar de la dirección de uno o dos de sus puntos.

Primero de todo, la diferencia de potencial en el espacio libre en un campo eléctrico. Prefiero definir la ep entre dos puntos, P y Q, como el trabajo realizado por el campo eléctrico sobre una carga, por unidad de carga, ya que va de P a Q. Para una mayor ep entre los puntos implica más trabajo por hacer en el cargo lo que va de P a Q, lo cual solo puede significar una mayor intensidad de campo eléctrico, que es un mayor de la fuerza que actúa sobre la carga. [Trabajo = Fuerza x distancia en la dirección de la fuerza, y estamos considerando la distancia fija entre P y Q.]

Así que si usted aplica un ep entre los extremos de un conductor, los electrones libres en el alambre de la experiencia de las fuerzas, instándoles a que viaje a través del alambre. Debido a las colisiones entre los electrones y el entramado de iones (esto es simplificado) los electrones no acelerar continuamente bajo la fuerza del campo eléctrico, pero llegar a una constante de velocidad media (llamada la velocidad de deriva). Si aumenta el ep de aumentar la fuerza en cada uno de los electrones y la fluctuación de la velocidad aumenta. Esto significa que más electrones pasan a través de cualquier sección transversal del alambre por segundo, que es la corriente aumenta.

Saltando ahora hasta el final de su pregunta: "¿por Qué la energía POTENCIAL por carga entre dos puntos de traducir la energía TÉRMICA? Pensé que si la tensión fue un empate, el potencial de la energía simplemente se convierte en energía cinética de los electrones, así que, ¿dónde la energía térmica?"

(1) Tensión no es un "esfuerzo"; sus unidades son joules por coulomb! Pero, como he tratado de explicar anteriormente, está relacionado con el empuje (la fuerza) que los cargos de conseguir en un campo eléctrico.

(2) La energía térmica proviene de las colisiones con los electrones, impulsados por el campo eléctrico y perder el potencial eléctrico de la energía, que con el entramado de los iones. Esto aumenta la vibración aleatoria de energía de los iones. [Extra cinética de la energía que los electrones adquieren debido a la tensión aplicada es bastante insignificante. Para una corriente de un par de ampère en un ordinario de alambre, la deriva de la velocidad es del orden de un milímetro por segundo.]

Answer 2

En realidad, el potencial eléctrico no empuje de los cargos. La fuerza sobre un electrón es debido a que el gradiente del potencial eléctrico: es la cantidad que el potencial de los cambios por unidad de distancia. En un campo eléctrico uniforme, los posibles cambios de manera uniforme a lo largo de la dirección del vector del campo eléctrico. Por ejemplo, en el interior de una carga hueca de metal de la esfera el potencial eléctrico puede ser muy alto, pero un electrón sentiría ninguna fuerza en absoluto, porque el potencial eléctrico sería el mismo en todas partes dentro de la esfera.

Su botella de agua analogía es interesante, y muy perspicaz, pero no muy fácil relacionarse con el potencial eléctrico y la corriente. La velocidad a la que el agua sale de la botella depende del tamaño de la apertura, las propiedades del agua, la fuerza de la gravedad, y la distancia desde la boca de la botella a la parte superior del agua en la botella. Sólo el potencial gravitacional gradiente entre la parte superior del agua y de la boca de la botella está disponible para "empujar" el agua a través de la botella de la boca. Si usted llena la botella y abrir su boca después de criar a diferentes alturas, no va a cambiar el gradiente de potencial gravitacional. Por otro lado, si usted acelerar la botella hacia arriba mientras sale el agua, usted encontrará que el agua sale de la botella más rápidamente, debido a la aceleración y la gravedad actúa exactamente de la misma manera en el agua, la efectiva gravitacional de la diferencia de potencial entre la parte superior del agua y la botella de la boca es mayor. Deja que la botella se cae por lo que no experimenta gravedad efectiva, y el agua no se derramará.

Una mejor analogía sería una tubería vertical lleno de grava, con un depósito de agua en la parte superior. El agua se filtre a través de la arena a una velocidad determinada por el gradiente de presión. Si la tubería es vertical, la caída de presión desde la parte superior a la inferior es máxima, y el agua se filtra a través de a la velocidad máxima. La inclinación de la tubería de 45 grados hacia un lado, y la caída de presión se reduce debido a que la altura efectiva de la tubería se reduce. El gradiente de presión es directamente relacionado con el potencial gravitacional de gradiente. Es decir, el potencial gravitacional diferencia entre la parte superior y la parte inferior de la tubería se reduce. Pero lo que empuja el agua no es la diferencia de potencial, es el gradiente de potencial. Aumentar la diferencia de potencial y el gradiente de potencial de los cambios en el tubo; pero es posible establecer una situación en la que el potencial gravitacional diferencia es grande, pero no hay ninguna fuerza gravitacional: por ejemplo, en el interior de un hueco de cáscara esférica de la materia.

Answer 3

si tenemos un circuito con tres resistencias, y, sin cambiar la voltaje de la fuente, tiene 1 resistencia con la resistencia equivalente, es obvio que disipa más energía en forma de calor.

Más poder que lo que? Se disipa el mismo poder que las tres resistencias más pequeñas combinado.

Puesto que la resistencia es la misma, la corriente es la misma. Si la corriente y el voltaje son los mismos, entonces la potencia disipada es el mismo. Se acaba de hacer en una resistencia en lugar de tres.