в чем разница и что это за величины, отличие и сходство

Главная » Наука и образование

На чтение 3 мин Просмотров 1.4к. Опубликовано 26.06.2021

При покупке бытовой техники и во время работы с электроприборами важно обращать внимание на их мощность в ваттах. Часто ее путают с напряжением в вольтах из-за похожего обозначения. Это две принципиально разные физические величины. Чтобы разобраться, в чем разница между ваттом и вольтом и как они обозначаются, нужно освежить школьные знания по физике.

Содержание

Что такое вольт и ватт – определение и обозначение

Вольт обозначается русской буквой «В» или латинской «V» и означает единицу напряжения. Второй показатель обозначается двумя русскими буквами «Вт» или одной латинской буквой «W» и означает мощность постоянного или переменного тока.

Какое напряжение измеряется в вольтах и ваттах

Количество В указывает величину напряжения, возникающего на концах электропроводника. Также это единица измерения разницы потенциалов двух точек электростатического поля.

Токовые заряды движутся от проводника с меньшим потенциалом к проводнику с большим потенциалом. Такое движение можно сравнить с течением воды между низшей и высшей точкой русла реки, а разбежность между этими точками — с разницей потенциалов проводников.

Ватт показывает электрическую, тепловую и механическую мощность. В механике эта величина равняется соотношению единиц времени и работы — секунд и джоулей. При сообщении тепла или энергии со скоростью джоуль в секунду возникает движение энергии силой в 1Вт.

Отличия величин Вт и В

Характеристики, по которым мощность отличается от напряжения:

В	Вт
Показывает силу, необходимую для взаимодействия других величин	Показывает количество силы, которая вырабатывается в результате взаимодействия прочих сил
Связан только с электропроводимостью и электростатическим полем	Кроме электричества измеряет тепло и механическую силу

Вольт относится к эталонным единицам и не имеет предшественников. Ватты заменили лошадиные силы после изобретения парового двигателя.

Сходство

Величины взаимосвязаны: количество вольт показывает, какое напряжение возникает в электрической цепи при определенной силе тока в амперах и движение энергии в ваттах. По правилу физики, при сообщении одного ампера цепи с мощностью 1Вт (V) возникает напряжение, равное 1В (W).

Примеры из жизни

Для безопасной работы напряжение в электророзетке и приборе должно соответствовать. Если подключить тостер или фен с меньшим потенциалом проводника, прибор сгорит от перенапряжения.

При снижении уровня энергии в сети даже исправный холодильник будет вырабатывать меньше холода. Поэтому крупную бытовую технику оснащают стабилизаторами. Благодаря этим устройствам производительность агрегатов не снижается при перепадах энергии.

Мнение эксперта

Карнаух Екатерина Владимировна

Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

Чем больше энергии проводит устройство, тем выше его движущая сила. Например, чем интенсивнее поток энергии в электрической цепи, тем сильнее сила всасывания воздуха пылесоса.

Как перевести вольты и ватты и наоборот

Чтобы преобразовать один показатель в другой, нужно знать коэффициент полезного действия источника питания — КПД.

Расчет делают по формулам:

• Вт = В х КПД;
• В = Вт : КПД.

Стандартный диапазон коэффициента полезного действия — 0,6-0,8 процента.

Итог

Знать правильные обозначения и отличия показателей важно для безопасной работы приборов. В инструкциях к бытовой технике и техпаспортах к агрегатам показатель вольт (В) означает допустимое напряжение. Его не следует путать с мощностью или скоростью потребления электроэнергии, которую указывают как ватт (Вт).

Оцените автора

Можно ли заряжать смартфон, наушники или часы более мощной зарядкой? Вольты и амперы для «чайников»

Последнее обновление:7 месяцев назад

Оценка этой статьи по мнению читателей:

4.8

(1225)

Я часто встречаю в интернете одни и те же вопросы, связанные с зарядкой гаджетов. Звучат они примерно так:

— У меня есть телефон, с которым шла зарядка на 5 вольт и 1 ампер (5V и 1A). Можно ли заряжать его от более мощного блока питания на 5V и 3A? Не вредно ли это?

— Мои Bluetooth-наушники шли без блока питания в комплекте, а в инструкции сказано, что заряжать их нужно от USB-разъема компьютера, мощностью 5V и 0.5A. Что будет если я подключу к ним блок питания на 5V и 2A? Не сгорят ли наушники?

Если вы также задавались подобными вопросами, то, скорее всего, находили ответ, который звучал примерно так:

Устройство можно заряжать любой зарядкой на 5 вольт, вне зависимости от количества ампер. Оно не возьмет больше тока, чем ему нужно.

Несмотря на то, что это правильный ответ, многих он не удовлетворяет, так как не совсем понятно, что значит фраза «не возьмет больше ампер, чем нужно».

Значит ли это, что блок питания на 5V и 3A будет силой «заталкивать» в несчастный смартфон очень много тока, но смартфон будет сопротивляться этому, временами нагреваясь, как печка? А может всё дело в «умном» блоке питания, который вначале «спросит» устройство, сколько ампер ему нужно, а затем выдаст соответствующий ток?

Если мы выбираем первый вариант, то как-то не очень радует такая перспектива. Начинаешь прямо ощущать то давление, которое испытывает гаджет, сопротивляясь сильному току. Кажется, рано или поздно он не выдержит этого и даст сбой.

А если выбирать второй вариант, то появляется сомнение — а действительно ли моя зарядка достаточно умная и будет ли она что-то выяснять с устройством? А если она глупая или мое устройство «не говорит» на ее языке и тогда она просто начнет заталкивать силой 3 ампера тока?

На самом деле, какой бы из этих вариантов вы ни выбрали, это представление будет неверным. В реальности из блока питания в USB-кабель просто не выйдет больше тока (больше ампер), чем нужно смартфону, часам или наушникам. И дело не в умном блоке питания, а в законах природы.

Об этом, собственно, я бы и хотел рассказать подробнее, чтобы не просто дать короткий ответ и оставить сомнения, а объяснить на фундаментальном уровне, что в действительности происходит, когда мы подключаем более мощный блок питания, чем тот, на который рассчитано наше устройство.

Она просто упала и напоролась на нож. И так восемь раз подряд!

Не так давно по интернету гуляло шокирующее открытие. Оказалось, человека убивают не 220 вольт из розетки, а количество ампер! Это «открытие» сразу же напомнило мне анекдот о тёще, которая поскользнулась и упала на нож, и так 8 раз подряд…

Естественно, убивает нож (амперы). Но сам по себе нож совершенно безопасен, если только его не возьмет в руку человек, способный нанести удар. И чем сильнее будут его мышцы (вольты), тем опаснее будет нож (амперы). В слабых ручках годовалого ребенка (очень мало вольт) даже острый нож (очень много ампер) не будет представлять для человека никакой угрозы.

И чтобы продолжить разговор, нам нужно сразу же определиться с терминами. Если вы хорошо знаете, что такое вольты и амперы, а также прекрасно понимаете закон Ома, тогда не думаю, что эта статья будет вам интересна. Да и вопросов таких у вас не должно возникать. Поэтому сразу предупреждаю, фраза «для чайников» в заголовке указана неспроста.

Что такое ток?

Представьте себе обычный кусок провода. Скажите, в нем есть ток? Думаю, вы не станете проводить эксперименты, подключая этот провод к лампочке, чтобы ответить на мой вопрос. Очевидно, там нет никакого тока.

Но что вообще такое ток?

Думаю, многие знают, что ток — это движение электронов. Если по проводу потекут/поползут электроны, в нем автоматически появится и ток. Но откуда тогда берутся электроны в проводе? Их туда заталкивает блок питания или батарейка?

На самом деле, электроны, которые будут ползти по нашему проводу, уже находятся внутри него. Ведь провод, как и всё в нашем мире, состоит из атомов. И эти атомы, словно детальки конструктора, бывают разными.

Взять, к примеру, золото. Вот вы держите в руке слиток золота и всем сразу понятно, что это не кусок алюминия. Но если дробить этот кусок на более мелкие кусочки, то до каких пор вещество будет оставаться золотом? Правильный ответ — до размера одного атома! И посмотрев на два разных атома, мы без проблем определим, где из них — золото, а где — алюминий.

И дело не в том, что атом золота желтый или блестит на солнце, а атом водорода — жидкий и прозрачный. Конечно нет. Всё дело в ядре атома, а точнее, в количестве протонов, из которых это ядро состоит. Если в атоме будет 79 протонов, мы знаем, что это золото, а если — 29 протонов, то это медь. И сколько бы электронов мы ни отрывали от атома, атом всегда остается золотом или медью.

Если бы мы смогли как-то добавить 4 протона к атому меди, их бы стало 33 и этот атом уже бы не имел никакого отношения к меди, он стал бы мышьяком. К слову, эти циферки (количество протонов) и указываются в таблице Менделеева возле каждого элемента.

Ядро атома

Так вот, протоны (синие шарики на картинке выше) имеют определенный заряд, мы условно называем его положительным («плюсом»). А вокруг ядра парят электроны, также обладающие зарядом, но противоположным заряду протона. Мы называем его отрицательным («минусом»). Именно благодаря электронам атомы и могут соединяться друг с другом, создавая все предметы, вещества и материю. Эти электроны, как липучки, склеивают атомы друг с другом:

Протоны всегда притягивают к себе электроны («плюс» и «минус» всегда притягиваются). Но чем больше энергии у электрона, тем дальше он может отлетать от ядра с протонами. А чем дальше он от ядра, тем слабее с ним связь. Такой электрон может вообще оторваться от ядра и улететь с концами, ведь его отталкивают другие электроны («минус» и «минус» всегда отталкиваются).

Так вот, если мы повлияем на провод какой-то силой, электроны, расположенные дальше всего от ядра, начнут отрываться от атомов, проползать небольшое расстояние и присоединяться к другим атомам, а их электроны, соответственно, оторвутся и отлетят к следующим атомам:

Кусок провода и его атомы

Повторюсь, это движение электронов, направленное в одну сторону, и называется током.

Что такое амперы и вольты?

Ток — это движение электронов. Но как нам описывать силу тока? Можно, конечно, просто называть количество проползающих по проводу электронов за одну секунду.

Например, говорить: «Не касайся этого провода, там за секунду проплывает 12 миллионов триллионов электронов!», или писать на табличке: «Осторожно, здесь проползает за секунду 30 квинтиллионов электронов».

Согласитесь, звучит как-то странно. Мы даже не можем осознать или представить эти миллионы триллионов или квинтиллионы.

Поэтому мы решили не считать электроны по одному, а сразу учитывать их группами или «пачками». Ведь что толку нам от заряда одного электрона? Он ничтожно мал и не способен проделать никакой полезной работы.

В такую «пачку» (группу) включили 6 241 509 074 460 762 607 электронов. И суммарный заряд этих ~6 квинтиллионов электронов, проходящих по проводу за 1 секунду, решили назвать ампером:

Если мы говорим, что по проводу идет ток 2 ампера (2А), это значит, что там физически за 1 секунду проползает около 12 квинтиллионов электронов (2*6. 241).

Кстати, вы наверное заметили, что я использую разные слова для описания движения электронов: проползают, проплывают, пролетают и т.д. Делаю я это потому, что не знаю, каким словом лучше описать такое движение.

Кто-то может подумать, что электроны движутся по проводу с сумасшедшей скоростью, ведь лампочка включается моментально, как только мы прикасаемся к выключателю. На самом же деле, называть эту скорость «сумасшедшей», мягко говоря, не совсем правильно.

Когда вы включаете блок питания в розетку и подключаете по кабелю свой смартфон, то один конкретный электрон, «вылетевший» в это мгновение из блока питания в провод, попадет непосредственно в сам смартфон где-то через 33 минуты. Да, он будет продвигаться вперед не более, чем на полмиллиметра в секунду.

Но почему тогда ток моментально попадает из точки А в точку Б? Ровно по той же причине, почему вода в вашем кране начинает течь мгновенно, как только вы открываете кран, хотя в реальности она должна пройти очень длинный путь.

Электроны уже находятся в проводе и как только первый электрон «заходит» в провод, он выталкивает ближайший электрон, уже находившийся там, а тот сразу же «толкает» следующий. Получается, что ровно в тот момент, когда первый электрон «залетал» в провод, на другом конце вылетал последний (крайний) электрон.

1 ампер — это много или мало? Или поговорим о

вольтах

Блок питания на 1А мы считаем слабым, называя такую зарядку «медленной». Но на самом деле, хватит и 5% от этого тока (0,05А), чтобы убить человека. Тем не менее, даже блок питания на 5А (в 100 раз больше электронов, чем нужно для остановки сердца) для нас совершенно безопасен. Почему же так происходит?

Думаю, вы обратили внимание, что я постоянно говорил о какой-то силе, которая нужна, чтобы толкать электроны вперед по проводу. Эта сила называется напряжением и измеряется она в вольтах.

Вспомните, что одинаковые заряды отталкиваются («минус» и «минус» или два электрона). Так вот, если мы каким-то образом соберем очень много одинаковых зарядов (электронов) в одном месте, они будут пытаться оттолкнуться друг от друга. Чем больше их будет, тем сильнее будет сила, которая будет пытаться их вытолкнуть. И как только мы подключим к этому месту провод, эта сила моментально начнет выталкивать электроны, которых собралось в избытке.

Один ампер — это очень много тока. Его хватит, чтобы наверняка убить человека, но для этого нужно сначала как-то «протолкнуть» эти 6 квинтиллионов электронов внутрь тела через кожу. И не просто протолкнуть, а сделать это за одну секунду.

Потребуется толкать электроны очень усердно. Нужно напряжение не 5 вольт, а что-то ближе к 3000 вольт. И это еще сильно зависит от состояния кожи, влажности и других условий. Если же мы хотим протолкнуть за 1 секунду всего 0,05 ампер (что уже может быть опасной «дозой» электронов), то хватит и напряжения в 150 вольт.

В нескольких штатах Америки до сих пор применяется смертная казнь в виде электрического стула. Так вот, с его помощью пытаются протолкнуть в тело человека за 1 секунду 5 ампер тока. Чтобы упростить задачу, на голову осужденному кладут губку, смоченную токопроводящим раствором, чтобы электронам было легче пройти через кожу. И при всём этом требуется 2700 вольт напряжения!

Таким образом, вольты и амперы неразрывно связаны друг с другом. Амперы — это множество электронов, проходящих через точку за 1 секунду, а вольты — это сила, с которой эти электроны выталкиваются.

Можно ли заряжать смартфон или фитнес-браслет более мощной зарядкой?

Теперь, понимая что такое амперы и вольты, мы подошли к главному вопросу.

Если смартфон, наушники или фитнес-браслет выдерживают максимум 1А, тогда что произойдет с таким устройством, если мы сможем как-то заталкивать в него по 2 ампера в секунду? Естественно, такое устройство просто сгорит.

Но вся загвоздка в том, что сделать это невозможно. Как невозможно спрыгнуть с крыши дома и «ползти» вниз по воздуху со скоростью 1 сантиметр в час, так и невозможно затолкнуть в устройство больше ампер.

Чтобы осознать это, давайте на секундочку забудем о сложной технике и возьмем банальный крохотный светодиод («лампочку»). Чтобы нагляднее продемонстрировать, я придумал светодиод, который работает от 5 вольт (для реальных светодиодов нужно в среднем 2-3 вольта):

Он будет работать исправно, если через него будет проходить ток с силой около 10 мА (1 миллиампер — это одна тысячная доля ампера или 0.001А).

А теперь давайте подключим к нему блок питания мощностью 5V и 2A. Как вы думаете, что произойдет?

Логика подсказывает, что от такого блока питания нашу лампочку просто разорвет! Ведь сила тока блока питания превышает допустимый ток лампочки в 200 раз (светодиоду нужен ток 10 мА или 0.01А, а блок питания рассчитан на 2000 мА или 2А).

Но в реальности лампочка будет прекрасно работать, не ощущая никакого дискомфорта! Ведь по ней будет протекать ток 10 мА вместо ожидаемых 2000 мА! В чем же здесь подвох? Неужели блок питания настолько умный, что как-то согласовал нужный ток и вместо 2А отправил к лампочке 0. 01А!? Конечно же, нет.

Дело в том, что лампочка сопротивляется движению электронов. И всё, что нас окружает, в той или иной степени сопротивляется движению электронов.

Когда мы подключили лампочку к блоку питания на 5 вольт, он моментально со всей своей силы (с напряжением в 5 вольт) начал толкать все электроны (2 ампера) по проводу к лампочке. Первый электрон, попав в провод, ударил по второму, тот — по третьему и так до тех пор, пока не дошло дело до электронов в лампочке.

И вот тут электроны столкнулись с проблемой. Оказывается, двигаться по проводу было очень легко, настолько легко, что силы в 5 вольт хватало для проталкивания по проводу двух ампер тока. Но когда электроны начали проползать по лампочке, что-то начало им мешать. Возможно, атомы внутри расположены более плотно или они немного вибрируют и электроны чаще с ними сталкиваются, что затормаживает всё движение.

Главное — лампочка оказалась не такой «гладкой трассой» для электронов, как провод.

Чтобы лучше это понять, представьте, что вам нужно толкнуть вперед 20-килограммовый ящик, который лежит на очень гладкой поверхности (на рисунке показана синим цветом):

Вашей силы хватит только для того, чтобы передвигать этот ящик каждую секунду на полметра. Ваша сила — это и есть те самые 5 вольт блока питания, а ящик — это 2 ампера электронов. Гладкая поверхность — это провод.

Но теперь представьте, что часть поверхности стала зыбкой, как песок (показано красным цветом):

Естественно, именно на этих участках движение ящика замедлится очень сильно, ведь ваших сил хватало на то, чтобы двигать 20 кг по гладкой поверхности со скоростью полметра в секунду.

Но важно то, что скорость замедлилась не конкретно на участке с песком, а вообще вдоль дороги, так как ящик одновременно лежит и на гладкой, и на песчаной поверхности. Получается, если бы вся дорога была гладкой, вы бы за секунду передвигали ящик на полметра, теперь же эти 20 кг передвигаются за секунду на 30 см.

И связано это не с тем, что вы что-то изменили. Вы ничего не меняли, вы продолжаете толкать ящик с одинаковой силой, но теперь движение замедлилось. Если бы вы заменили 20-килограмовый ящик на 50-килограмовый, то вам бы удавалось передвигать больше груза, но скорость упала бы еще сильнее.

Точно то же происходит и в примере с лампочкой. У блока питания есть определенная сила (5 вольт) и он мог бы проталкивать 2 ампера тока, если бы по всему участку не встречалось никаких преград.

Но как только мы ставим лампочку, она сразу же замедляет всё движение тока на определенное значение. Блоку питания уже не хватает сил (5 вольт), чтобы толкать максимальное количество электронов с той же скоростью (каждую секунду — 2 ампера). Теперь, из-за сопротивления вдоль движения он будет толкать не более 0.01А (10 миллиампер) в секунду.

Смартфон, фитнес-трекер и наушники подчиняются закону Ома

Итак, закон Ома — это и есть та причина, по которой вы можете без малейшего опасения подключать к своему телефону или наушникам блок питания хоть на 5 вольт и 1000 ампер.

Вот как это работает. Сопротивление измеряется в Омах. Первая лампочка имела сопротивление току 500 Ом. Мы узнали это потому, что 5-вольтовый блок питания смог протолкнуть только 0.01 ампер тока. Разделив 5В на 0.01А, мы получили значение 500 Ом.

Делить вольты (обозначаются буквой V) на амперы (обозначаются буквой I), чтобы узнать сопротивление (обозначается буквой R) нам и подсказал тот самый закон Ома:

R=V/I

Теперь возьмем другую лампочку и представим, что ее сопротивление составляет 50 Ом. Получается, она в 10 раз меньше сопротивляется движению электронов. Как и первая лампочка, вторая также работает нормально только при силе тока в 10 мА (0,01А).

Но что произойдет, если мы подключим ее к нашему блоку питания на 5 вольт и 2 ампера? Так как сопротивление лампочки снизилось в 10 раз, логично предположить, что блок питания при той же силе (5 вольт) будет толкать больше электронов. Это как убрать песок с дороги, сделав ее более гладкой и скользкой, чтобы толкать груз быстрее.

Мы даже можем узнать, сколько именно тока (ампер) будет проходить через нашу новую лампочку. Для этого снова воспользуемся законом Ома: I=V/R. То есть, нужно напряжение (5 вольт) поделить на сопротивление (50 Ом) и получим 0.1А или 100 миллиампер.

Теперь тот же блок питания на 5V и 2A будет пропускать через лампочку уже не 10 миллиампер, а 100! Естественно, наша лампочка сразу же сгорит.

Так и было задумано!

Блок питания остался тем же, но с новой лампочкой он выдал вместо 10 целых 100 миллиампер! Если бы мы, как разработчики лампочки, предполагали, что ее подключат к блоку питания на 5 вольт, то нам нужно было заранее побеспокоиться о том, чтобы этой силы (5 вольт) никогда не хватило для протекания 100 мА.

Нужно было просто добавить к лампочке немножко материала, который бы увеличил ее сопротивление до 500 Ом. И тогда она бы никогда не пропустила ток свыше 10 мА при использовании 5-вольтового блока питания.

Когда производитель делает схему смартфона или наушников, каждая его деталь (каждый транзистор, резистор, конденсатор и пр.) оказывает какое-то сопротивление току. То есть, можете представить всю схему, как длинный маршрут с разным типом покрытия. Это покрытие придумывает разработчик на этапе проектирования.

Если устройство рассчитано на 5 вольт, сколько бы ампер ни выдавал 5-вольтовый блок питания — это не будет иметь никакого значения, так как общее сопротивление току всех деталей будет таким, что через схему будет протекать заранее известное (безопасное) количество ампер.

Мир вокруг нас

Чтобы окончательно разобраться с этим вопросом, просто посмотрите вокруг себя. Нас окружает множество электроприборов: лампочки, чайники, кофемашины, тостеры. Как вы думаете, почему они не сгорают сразу, как только вы подключаете их к сети 220 вольт? Ведь обычная розетка выдает 16 ампер и ~220 вольт!

Естественно, через лампочку на 100 Ватт и, скажем, микроволновку на 1000 Ватт должно проходить совершенно разное количество электронов (разное количество ампер). Как же розетка знает, какому прибору и сколько ампер выдать под напряжением 220 вольт?

Да никак! Просто у лампочки на 100 ватт будет гораздо выше сопротивление току и она будет при напряжении 220 вольт пропускать через себя только 0.45А (100 ватт/220 вольт), а через микроволновку на 1000 Ватт будет за секунду проходить 4.5А (1000 ватт/220 вольт).

Выходит, сопротивление у лампочки — 480 Ом (220V/0.45А), а у микроволновки — 48 Ом (220V/4.5A).

Более того, если лампочка и микроволновка — это единственные работающие электрические приборы в вашем доме, тогда несмотря на розетку в 220 вольт и 16 ампер, из нее в общем будет выходить 4.95 ампер тока в секунду (4.5А микроволновки+0.45А лампочки). Сила в 220 вольт просто не способна протолкнуть больше тока, учитывая сопротивление, которое оказывают эти два прибора (лампочка на 480 Ом и микроволновка на 48 Ом).

Ровно то же касается и смартфона, фитнес-трекера или другого гаджета. У каждого из них есть свое внутреннее сопротивление, и до тех пор, пока вы будете заталкивать в них ток под давлением в 5 вольт, из блока питания будет выходить столько ампер, сколько сможет физически протолкнуть сила (или давление) в 5 вольт.

Но проблемы начнутся в том случае, если вы вздумаете увеличить напряжение и воспользоваться блоком питания, скажем, на 12 вольт. Вот тогда его силы хватит, чтобы при том же сопротивлении устройства протолкнуть гораздо больше тока. Это как с толканием ящика. Да, поверхность осталась песчаной, но теперь ящик толкают 3 человека вместо одного.

Но мой смартфон заряжается быстрее от 2А, чем от 1А! И при этом еще греется сильнее!

Многие пользователи замечали, что при использовании более мощного блока питания (вместо 5В и 1А, например, 5В и 2А), телефон заряжается быстрее и греется сильнее.

Так действительно может быть. Но, опять-таки, лишь по одной причине — производителем был предусмотрен ток до 2 ампер. Компания разрабатывала свое устройство под напряжение 5 вольт и для этого ей необходимо было контролировать сопротивление на каждом участке схемы, чтобы «давление» в 5 вольт не вызвало выход из строя конкретного блока.

Производителю было важно лишь то, чтобы блок питания выдавал достаточное количество ампер. Верхняя планка его совершенно не волнует. И чтобы вместо одного ампера смартфон принимал 2A, нужно было изменить соответствующим образом сопротивление внутри смартфона. То есть, производитель заложил в устройство механизм снижения сопротивления, чтобы пропустить больше тока.

В противном случае, по законам нашей вселенной оно не сможет принять ни на миллиампер больше тока, какой бы блок питания вы ни подключали, хоть на миллион ампер. Естественно, это справедливо только в том случае, если напряжение не превышает 5 вольт.

И последнее. Конечно, при большем количестве ампер, устройство будет греться сильнее, так как банально через одни и те же детали за 1 секунду будет проходить больше электронов, соответственно, будет больше столкновений с атомами, больше вибраций атомов и сильнее нагрев.

Но, опять-таки, производитель посчитал это нормальным, раз позволил смартфону снизить свое внутреннее сопротивление и пропустить больше тока. Это решил производитель на этапе проектирования схемы, а не более мощный блок питания.

Алексей, глав. редактор Deep-Review

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!

 

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии…

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Напряжение и ток | Ultimate Electronics Book

Ultimate Electronics: Практические схемы и анализ

---

≡ Оглавление

«

2.2

Электроны в движении

»

2.4

Идеальные источники

Как заряды и электрические поля создают относительные напряжения. Ток через и напряжение через. 6 мин чтения

Как описано во введении к этой книге, обязательным условием является знакомство с физикой электричества и магнетизма. См. этот раздел для дальнейших ссылок.

Вот краткий концептуальный обзор:

---

Как обсуждалось в главе «Электроны в покое», есть три способа описать систему электрических зарядов в пространстве.

Чтобы быть более точным, есть три способа расчета силы пробного заряда, введенного в существующую систему зарядов:

1. Распределение зарядов: локальная плотность или точечная концентрация заряда, с учетом закона притяжения Кулона/ отталкивание от пробного заряда.
2. Электрическое поле: векторное поле полной электрической силы, которую пробный заряд будет испытывать в каждой точке пространства, →F=Q→E .
3. Электрический потенциал: скалярное поле, градиент которого (отрицательный) представляет собой электрическое поле; (положительный/отрицательный) тестовый заряд будет ощущать силу, толкающую к (более низкому/более высокому) потенциалу.

Эти три фактически эквивалентны способа описания одной и той же ситуации.

Электрический потенциал также называют напряжением .

Три описания связаны строго математически:

• Чтобы перейти от распределения зарядов к электрическому полю, просто просуммируйте векторные силы на единичный пробный заряд (qt=1 C ) расположен в (x, y, z) .
• Чтобы перейти от электрического поля к электрическому потенциалу, просто сложите (отрицательное) скалярное произведение электрического поля и длины пути.

Новички часто забывают, что потенциал, поле и распределение заряда — это три взаимозаменяемых способа осмысления одной и той же лежащей в основе физической ситуации. Хотя напряжению отводится особое место, потому что именно так большинство систем цепей анализируются как системы уравнений, часто можно получить большую интуицию, помня, что разности напряжений подразумевают электрические поля, а эти электрические поля подразумевают силы, действующие на другие заряды в системе.

Изучение электроники — это, по сути, изучение того, как заряды перемещаются в системе, и так же, как первым шагом в решении любой кинематической задачи является рассмотрение сил, действующих на каждый объект, полезным шагом в электронике является рассмотрение силы на этих зарядах. Эти силы являются просто (отрицательным) градиентом напряжения.

В механике и кинематике силы, действующие на объект, приводят к ускорению и скорости этих объектов.

В электронике силы на заряды приводят к ускорению и скорости этих зарядов, которые описываются токами. Электрический ток — это всего лишь особый способ описания средняя скорость потока электрических зарядов , описанная в книге «Электроны в движении».

---

Работа в механическом смысле означает:

Работа=→Сила⋅→Расстояние

Сила, приложенная к объекту, перемещаемому на расстояние, является работой в единицах энергии.

В области космоса, где электрическое поле →E , посчитаем, какую работу необходимо совершить, чтобы переместить заряд Q по некоторому маленькому отрезку пути →Δx :

ΔРабота=→Сила⋅→Расстояние=(Заряд⋅→Поле)⋅→Расстояние=Q→E⋅→Δx

Вместо того, чтобы смотреть на общую работу для всех зарядов Q , давайте рассмотрим работы на единицу заряда , чтобы у нас было одно удобное значение работы для рассмотрения, обсуждаем ли мы 1 электрон или 1 триллион электронов:

ΔWorkCharge=→E⋅→Δx

определение напряжения или электрического потенциала:

ΔWorkCharge=Electric Potential=Voltage

ΔV=ΔWQ=→E⋅→Δx

Вольты измеряются в единицах энергии на единицу заряда, или:

Вольт=Джоуль-Кулон

---

Напряжение равно , всегда относительно. Это означает, что он всегда определяется как разность между двумя местоположениями.

Обратите внимание, что до сих пор мы только определили уравнение для изменения потенциала: ΔV .

Не существует «абсолютной» работы: сила только толкает заряд из одного места в другое и не имеет смысла без начального и конечного положений.

Вы должны указывать оба местоположения всякий раз, когда говорите о напряжении. Например,

VAB=∫AB−→E⋅→dl=∫BA→E⋅→dl

описывает интеграл по пути между двумя точками B и A.

Как мы обсудим в следующем разделе о законе напряжения Кирхгофа и Текущий закон Кирхгофа, переменная VAB будет описываться как «напряжение в точке А по отношению к В» или «разность напряжений между В и А». Эта маркировка и ее направленность достаточно сбивают с толку, поэтому мы снова обсудим ее в разделе «Маркировка напряжений, токов и узлов».

В разделе «Земля» мы обсудим, почему иногда мы можем написать VA , но что это всего лишь сокращение для бухгалтерского учета, чтобы удобнее записывать напряжения с помощью глобально совместно используемая, подразумеваемая контрольная точка .

---

В разделе «Электроны в покое» мы описали идею о том, что электрический потенциал на самом деле не существует, если существуют изменяющиеся во времени магнитные поля.

В этом случае напряжение «от B к A» фактически зависело бы от того, какой путь мы выбрали. В неконсервативном поле мы могли бы создать замкнутый контур и, возможно, увеличить или уменьшить напряжение. Это сделало бы напряжение зависящим от пути.

Как обсуждалось в этом разделе, хотя это и правда, это сильно усложняет наш анализ, и 9В 9% случаев мы можем предположить, что электрическое поле консервативно и, следовательно, существует потенциальная функция напряжения, поэтому напряжения не зависят от пути.

Эти три утверждения:

1. Не существует изменяющихся во времени магнитных полей.
2. Электрическое поле консервативно.
3. Напряжение от B к A не зависит от того, какой путь мы выберем.

— это три одинаковых способа сформулировать одно и то же предположение . Это допущение является ключевым в модели с сосредоточенными элементами и законе напряжения Кирхгофа. Мы заставляем это неверное предположение работать на практике, моделируя поведение этих зависящих от времени магнитных полей в поведение таких компонентов, как катушки индуктивности.

---

Ток и напряжение — две основные переменные, представляющие интерес.

Все уравнения, которые мы составим для решения цепи, будут функциями, связывающими различные напряжения и токи.

С физической точки зрения, они связаны, потому что электрические поля вызывают ускорение зарядов. Направление и величина средней скорости этого движения просто называется «текущей».

Как обсуждалось в предыдущем разделе «Электроны в движении», ток определяется потоком положительного заряда. Поскольку наша частица-носитель заряда обычно представляет собой отрицательно заряженный электрон, мы должны быть осторожны со знаком тока.

---

Ток всегда измеряется от до поверхности (например, одной клеммы компонента). Представьте эту поверхность как воображаемую область, прорезающую где-то в вашей системе, подсчитывающую электрические заряды по мере их прохождения.

Напряжение всегда измеряется по двум точкам. Это всегда разность потенциальной энергии (на единицу заряда) при движении из одной точки в другую.

Разделы «Закон Кирхгофа о напряжении» и «Закон Кирхгофа о токе» исследуют, как подразумеваемые значения слов «сквозь» и «через» приводят нас к возможности записать сложную сеть в виде системы уравнений. В разделе «Маркировка напряжений, токов и узлов» рассматривается иногда сложная бухгалтерия для правильного учета положительных и отрицательных знаков.

---

В следующем разделе «Идеальные источники» мы обсудим идеализированные источники напряжения и тока, которые могут определять конкретные фиксированные разности напряжений и фиксированные токи в ответвлениях наших цепей.

≡ Оглавление

«

2. 2

Электроны в движении

»

2.4

Идеальные источники

---

Роббинс, Майкл Ф. Абсолютная электроника: проектирование и анализ практических схем. CircuitLab, Inc., 2021, Ultimateelectronicsbook.com. Доступ . (Авторское право © 2021 CircuitLab, Inc.)

Электрическая потенциальная энергия: разность потенциалов · Физика

Электрическая потенциальная энергия: разница потенциалов · Физика

• Дайте определение электрического потенциала и электрической потенциальной энергии.
• Опишите взаимосвязь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.
• Объясните электрон-вольт и его использование в субмикроскопическом процессе.
• Определить электрическую потенциальную энергию, зная разность потенциалов и величину заряда.

При бесплатном положительном заряде *q размером 12{q} {}

• ускоряется электрическим полем, как показано в [ссылка], ему придается кинетическая энергия. Этот процесс аналогичен ускорению объекта гравитационным полем. Это похоже на то, как будто заряд спускается с электрического холма, где его электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Исследуем работу заряда *q size 12{q} {}

• электрическим полем в этом процессе, так что мы можем разработать определение электрической потенциальной энергии.

Электростатическая или кулоновская сила является консервативной, что означает, что работа, выполненная на *q размером 12{q} {}

• не зависит от выбранного пути. Это в точности аналогично гравитационной силе в отсутствие диссипативных сил, таких как трение. Когда сила консервативна, можно определить потенциальную энергию, связанную с силой, и обычно легче иметь дело с потенциальной энергией (поскольку она зависит только от положения), чем напрямую вычислять работу.

Мы используем буквы PE для обозначения электрической потенциальной энергии, которая измеряется в джоулях (Дж). Изменение потенциальной энергии, ΔPE размер 12{«PE»} {}

, имеет решающее значение, поскольку работа, совершаемая консервативной силой, равна отрицательной величине изменения потенциальной энергии; то есть W =–ΔPE размер 12{W»=-«?»PE»} {}

. Например, работа W

, сделанный для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительным и является результатом потери PE или отрицательного размера ΔPE 12{?»PE»} {}

. Перед размером ΔPE 12{?»PE»} {}

должен стоять знак минус.

, чтобы сделать W

положительный. PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и рассчитав работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Потенциальная энергия

Вт =–ΔPE размер 12{W» = -«?»PE»} {}

. Например, работа W

, совершаемая для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительной и является результатом потери PE или отрицательного ΔPE.

Перед ΔPE 9 должен стоять знак минус0003

, чтобы сделать W

положительным. PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и рассчитав работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Гравитационная потенциальная энергия и электрическая потенциальная энергия совершенно аналогичны. Потенциальная энергия учитывает работу, выполняемую консервативной силой, и дает дополнительное представление об энергии и преобразовании энергии без необходимости иметь дело с силой напрямую. Например, гораздо чаще используется понятие напряжения (связанное с потенциальной электрической энергией), чем непосредственное рассмотрение кулоновской силы.

Прямой расчет работы, как правило, затруднен, поскольку W = Fdcosθ

и направление и величина F размера 12{F} {}

может быть сложным для нескольких зарядов, для объектов необычной формы и на произвольных путях. Но мы знаем это, так как F =qE size 12{F= ital «qE»} {}

, работа, а значит ΔPE

, пропорциональна испытательному заряду q. размер 12{q} {}

Чтобы иметь физическую величину, независимую от испытательного заряда, мы определяем электрический потенциал В размер 12{В} {}

(или просто потенциал, поскольку понимается электрический) – потенциальная энергия на единицу заряда:

В = экв. размер 12{V= {{«PE»} над {q} } «.» } {}

Electric Potential

Это электрическая потенциальная энергия на единицу заряда.

V = PEq размера 12{V= {{«PE»} свыше {q} } } {}

Поскольку PE пропорционально *q size 12{q} {}

не зависит от *q size 12{q} {}

*. Изменение потенциальной энергии ΔPE в размере 12{?»PE»} {}

имеет решающее значение, и поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов ΔV размер 12{?V} {}

между двумя точками, где

ΔV=VB−VA=ΔPEq. размер 12{ΔV=V rSub {размер 8{B}} — V rSub {размер 8{A}} = {{Δ»PE»} над {q}} «.» } {}

Разность потенциалов между точками A и B, VB–VA размер 12{V rSub { размер 8{B} } -V rSub { размер 8{A} } } {}

, таким образом определяется как изменение потенциальной энергии заряда *q size 12{q} {}

• перемещены из А в Б, разделены на заряд. Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

1 В = 1 Дж C размер 12{1″ V=1 » { {J} над {C} } } {}

Разность потенциалов

Разность потенциалов между точками A и B, VB-VA размер 12{V rSub { размер 8{B} } -V rSub { размер 8{A} } } {}

определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из А в В, деленное на заряд. Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

1 В = 1JC

Знакомый термин напряжение является общим названием разности потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, подразумевается разность потенциалов между двумя точками. Например, у каждой батареи есть две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. Более того, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, является произвольной. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный нуль, например, уровень моря или, возможно, пол лекционного зала.

Таким образом, связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением

.

ΔV = ΔPEq и ΔPE = qΔV. size 12{?V= { {?»PE»} over {q} } » и «D»PE=»q?V «.» } {}

Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Отношение между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением

ΔV = ΔPEq и ΔPE = qΔV. size 12{?V= { {?»PE»} over {q} } » и «D»PE=»q?V «.» } {}

Второе уравнение эквивалентно первому.

Напряжение не совпадает с энергией. Напряжение – это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), однако один из них хранит гораздо больше энергии, чем другой, поскольку ΔPE = qΔV

.

. Автомобильный аккумулятор может передавать больше заряда, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба являются аккумуляторами на 12 В.

Расчет энергии

Предположим, у вас есть мотоциклетный аккумулятор на 12,0 В, способный обеспечить заряд 5000 Кл, и автомобильный аккумулятор на 12,0 В, способный обеспечить заряд 60 000 Кл. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Если мы говорим, что у нас есть батарея на 12,0 В, это означает, что ее клеммы имеют разность потенциалов 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она проводит заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряду сообщается изменение потенциальной энергии, равное ΔPE =qΔV

.

Итак, чтобы найти выходную энергию, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумулятора мотоцикла, q=5000 C

и ΔV=12,0 В

. Полная энергия, отдаваемая аккумуляторной батареей мотоцикла, составляет

ΔPEцикл=5000 C12,0 В=5000 C12,0 Дж/Кл=6,00×104 Дж. «60», «000» «C»} {}

и

ΔPEcar=60 000 C12,0 В=7,20×105 Дж.

Обсуждение

Хотя напряжение и энергия связаны, это не одно и то же. Напряжения батарей идентичны, но энергия, выдаваемая каждой из них, совершенно разная. Учтите также, что по мере разрядки аккумулятора часть его энергии расходуется внутри, и напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за низкого заряда автомобильного аккумулятора. Энергия, поставляемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Обратите внимание, что энергии, рассчитанные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для батареи отрицательно, так как она теряет энергию. Эти батареи, как и многие электрические системы, на самом деле перемещают отрицательный заряд, в частности электроны. Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных клемм (A) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным клеммам (B), как показано на [ссылка]. Изменение потенциала ΔV=VB–VA=+12 В

и заряд q

отрицательно, так что ΔPE=qΔV

отрицательное значение, означающее, что потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда *q

• перемещен из A в B.

Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?

Стратегия

Чтобы найти количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который переместился за 1,00 с. Перемещенный заряд связан с напряжением и энергией через уравнение ΔPE= qΔV

. Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 Дж в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем ΔPE=–30,0 Дж

и, поскольку электроны перемещаются от отрицательного вывода к положительному, мы видим, что ΔV=+12,0 В

.

Решение

Чтобы найти заряд q размером 12{q} {} переместился, решим уравнение ΔPE= qΔV

:

q=ΔPEΔV.

Ввод значений для ΔPE размера 12{«PE»} {}

и ΔV

, получаем

q=–30,0 Дж+12,0 В=–30,0 Дж+12,0 Дж/C=–2,50 Кл.

Число электронов ne size 12{n rSub { size 8{e} } } {}

— это общий заряд, деленный на заряд, приходящийся на один электрон. То есть

ne = –2,50C–1,60×10–19C/e–=1,56×1019 электронов.

Обсуждение

Это очень большое число. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельных электронов, когда их так много в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих случаях были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном направлению отрицательного заряда, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или движутся ли оба.

Электрон Вольт

Энергия, приходящаяся на электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, как в предыдущем примере, — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на одну частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно для того, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и нанесли вред живым тканям. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или создать вредное рентгеновское излучение, которое также может нанести ущерб. Полезно иметь единицу энергии, связанную с субмикроскопическими эффектами. [ссылка] показывает ситуацию, связанную с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как в телевизионной трубке старой модели или в осциллографе. Электрон получает кинетическую энергию, которая затем преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что нисходящий для электрона восходящий для положительного заряда. ) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением ∆PE=q∆V,

мы можем думать о джоуле как о кулон-вольте.

{:}

В субмикроскопическом масштабе удобнее определить единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), которая представляет собой энергию, переданную фундаментальному заряду, ускоренному разностью потенциалов в 1 В. В форме уравнения

1 эВ=1,60×10–19 Кл1 В=1,60×10–19Кл1 Дж/Кл=1,60×10–19 Дж.

Электрон-Вольт

В субмикроскопическом масштабе удобнее определить единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), которая представляет собой энергию, переданную основному заряду, ускоренному за счет разности потенциалов 1 В . В виде уравнения

1 эВ=1,60×10–19 Кл1 V=1,60×10–19Кл1 Дж/Кл=1,60×10–19 Дж.

Электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1 В, получает энергию 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный через 50 В, получает энергию 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) даст электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получит энергию 200 эВ. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Соединения: Единицы энергии

Электрон-вольт (эВ) является наиболее распространенной единицей энергии для субмикроскопических процессов. Это будет особенно заметно в главах, посвященных современной физике. Энергия настолько важна для очень многих предметов, что существует тенденция определять специальную единицу измерения энергии для каждой основной темы. Есть, например, калории для пищевой энергии, киловатт-часы для электрической энергии и термы для энергии природного газа.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, ему придается энергия 30 кэВ (30 000 эВ), и он может разбить до 6000 таких молекул (30 000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул).

). Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1 000 000 эВ) на событие и, таким образом, может привести к значительным биологическим повреждениям.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия является константой.

Механическая энергия представляет собой сумму кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть KE+PE = постоянный размер 12{«KE»+»PE=constant»} {}

. Потеря PE заряженной частицы становится увеличением ее KE. Здесь РЕ — электрическая потенциальная энергия. Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

KE+PE = постоянный размер 12{«KE»+»PE=constant»} {}

или

KEi + PE i = KEf + PEf, размер 12{«KE» rSub { размер 8{i} } +»PE» rSub { размер 8{i} } «=KE» rSub { размер 8{f} } +» PE» rSub {размер 8{f}},} {}

, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз убеждались, рассмотрение энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя за счет разности потенциалов 100 В. (Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр.)

Стратегия

У нас есть система только с консервативными силами. Если предположить, что электрон ускоряется в вакууме и пренебречь силой гравитации (мы проверим это предположение позже), вся электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Мы можем определить начальную и конечную формы энергии как KEi =0, KEf=½mv2, PEi=qV и PEf=0.

Решение

Закон сохранения энергии утверждает, что

KEi+PEi = KEf+PEf.

Вводя указанные выше формы, получаем

qV = mv22. размер 12 { ital «qV» = { ​​размер 8 {1} } широкая косая черта { размер 8 {2} } ital «mv» rSup { размер 8 {2} } «. » } {}

Решаем это для размера v 12{v} {}

:

v=2qVm. size 12{v= sqrt { { {2 ital «qV»} over {m} } } «.» } {}

Ввод значений для q, V и m размера 12{q, V», и «m} {}

дает

v=2–1,60×10–19 C–100 Дж/C9,11×10–31 кг=5,93×106 м/с.

Обсуждение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как в [ссылка]. Из обсуждений в книге «Электрический заряд и электрическое поле» мы знаем, что электростатические силы на малых частицах обычно очень велики по сравнению с силой гравитации. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационной силой здесь действительно можно пренебречь. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорять электроны при малых напряжениях из-за их очень малой массы. Напряжения, намного превышающие 100 В в этой задаче, обычно используются в электронных пушках. Эти более высокие напряжения создают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать релятивистские эффекты. Вот почему в этом примере рассматривается (точно) низкое напряжение.

Резюме раздела

• Электрический потенциал – это потенциальная энергия на единицу заряда. **
• Разность потенциалов между точками А и В, VB–VA размер 12{V rSub { размер 8{B} } -V rSub { размер 8{A} } } {}

  , определяемый как изменение потенциальной энергии заряда *q размер 12{q} {}

  • , перемещенный из A в B, равен изменению потенциальной энергии, деленному на заряд, Разность потенциалов обычно называют напряжением, обозначаемым символом
  ΔV размер 12{V= {{«PE»} свыше {q} } «.» } {}

  .

  ΔV = ΔPEq и ΔPE = qΔV. size 12{?V= { {?»PE»} over {q} } » и «D»PE=»q?V «.» } {}

• Электрон-вольт — это энергия, переданная основному заряду, ускоренному разностью потенциалов в 1 В. В форме уравнения

  1 эВ=1,60×10–19 Кл1 В=1,60×10–19Кл1 Дж/Кл=1,60×10–19 Дж.

• Механическая энергия представляет собой сумму кинетической энергии и потенциальной энергии системы, т. е. КЭ+ПЭ. размер 12{«КЭ»+»ПЭ»} {}

  Эта сумма является константой.

Концептуальные вопросы

Напряжение — это обычное слово для обозначения разности потенциалов. Какой термин является более описательным, напряжение или разность потенциалов?

Если напряжение между двумя точками равно нулю, можно ли перемещать между ними пробный заряд, совершая нулевую чистую работу? Обязательно ли это можно сделать без приложения силы? Объяснять.

Какая связь между напряжением и энергией? Точнее, какова связь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией?

Напряжение всегда измеряется между двумя точками. Почему?

Как связаны между собой единицы вольт и электронвольт? Чем они отличаются?

Задачи и упражнения

Найдите отношение скоростей электрона и отрицательного иона водорода (имеющего лишний электрон), ускоренных при одинаковом напряжении, при нерелятивистских конечных скоростях. Примем массу иона водорода равной 1,67×10–27 кг. размер 12{1 «.» «67»×»10″ rSup { размер 8{-«27»} } «кг» «.» } {}

42,8

В вакуумной трубке используется ускоряющее напряжение 40 кВ для ускорения электронов, которые ударяются о медную пластину и производят рентгеновское излучение. Нерелятивистски, какова была бы максимальная скорость этих электронов?

Голое ядро ​​гелия имеет два положительных заряда и массу 6,64 × 10–27 кг. размер 12{6 «.» «64»×»10″ rSup { размер 8{-«27»} } «кг» «.» } {}

(a) Рассчитайте его кинетическую энергию в джоулях при 2,00% скорости света. б) Сколько это в электрон-вольтах? в) Какое напряжение потребуется для получения этой энергии?

Integrated Concepts

Однозарядные ионы газа разгоняются из состояния покоя напряжением 13,0 В. При какой температуре средняя кинетическая энергия молекул газа будет такой же, как у этих ионов?

1,00×105 К размер 12{1 «.» «00»×»10″ rSup {размер 8{5} } «K»} {}

Integrated Concepts

Температура вблизи центра Солнца считается равной 15 миллионам градусов Цельсия 1,5×107ºC размер 12{ влево (3 «. » 0×»10″ rSup { размер 8{7} } °C правильно )} {}

. При каком напряжении должен быть ускорен однозарядный ион, чтобы его энергия равнялась средней кинетической энергии ионов при данной температуре?

Integrated Concepts

(a) Какова средняя выходная мощность сердечного дефибриллятора, рассеивающего 400 Дж энергии за 10,0 мс? (b) Почему дефибриллятор, учитывая большую выходную мощность, не вызывает серьезных ожогов?

(a) 4×104 Вт размер 12{4×»10″ rSup { размер 8{4} } «W»} {}

(b) Дефибриллятор не вызывает серьезных ожогов, поскольку кожа хорошо проводит электричество при высокого напряжения, как те, которые используются в дефибрилляторах. Используемый гель способствует передаче энергии в тело, и кожа не поглощает энергию, а пропускает ее к сердцу.

Integrated Concepts

Удар молнии в дерево с зарядом 20,0 Кл при разности потенциалов 1,00×102 МВ

. а) Какая энергия была рассеяна? (b) Какую массу воды можно поднять с температуры 15ºC размером 12{«15″°C} {}

до температуры кипения, а затем вскипятить с помощью этой энергии? в) Обсудите ущерб, который может нанести дереву расширение кипящего пара.

Integrated Concepts

Подогреватель бутылочек 12,0 В, работающий от батареи, нагревает 50,0 г стекла, 2,50×102 г

детского питания и 2,00×102 г

алюминия от 20,0ºC

до 90,0ºC размер 12{«90» «.» 0°C} {}

. а) Какой заряд переносится батареей? б) Сколько электронов течет в секунду, если для нагревания формулы требуется 5,00 мин? (Подсказка: предположим, что удельная теплоемкость детской смеси примерно такая же, как удельная теплоемкость воды.)

(a) 7,40×103 C размер 12{7 «.» «40»×»10″ rSup { размер 8{3} } «C»} {}

(b) 1,54×1020 электронов в секунду размер 12{1 «.» «54»×»10″ rSup {размер 8{«20»} } «электроны»} {}

Integrated Concepts

Автомобиль с аккумуляторным питанием использует систему 12,0 В. Найдите заряд, который должны иметь батареи, чтобы разогнать автомобиль массой 750 кг из состояния покоя до скорости 25,0 м/с, заставить его подняться на холм высотой 2,00×102 м

, а затем заставить его двигаться с постоянной скоростью 25,0 м/с. с приложением силы 5,00×102 Н

в течение часа.

3,89×106 С

Integrated Concepts

Вероятность синтеза значительно возрастает, когда соответствующие ядра сближаются, но необходимо преодолеть взаимное кулоновское отталкивание. Это можно сделать, используя кинетическую энергию высокотемпературных ионов газа или ускоряя ядра навстречу друг другу. а) Рассчитайте потенциальную энергию двух однозарядных ядер, разнесенных на расстояние 1,00×10–12 м размером 12{1 «.» «00»×»10″ rSup {размер 8{-«12″} } » m»} {}

, найдя напряжение одного на этом расстоянии и умножив его на заряд другого. б) При какой температуре атомы газа будут иметь среднюю кинетическую энергию, равную этой необходимой электрической потенциальной энергии?

Необоснованные результаты

(a) Найдите напряжение вблизи металлической сферы диаметром 10,0 см, на которой имеется 8,00 Кл избыточного положительного заряда. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

(а) 1,44×1012 В

(b) Это напряжение очень высокое. Сфера диаметром 10,0 см никогда не сможет поддерживать такое напряжение; это разрядится.

(c) Заряд в 8,00 Кл больше заряда, чем может разумно накопиться на сфере такого размера.

Создайте свою собственную задачу

Рассмотрим аккумулятор, используемый для питания сотового телефона. Постройте задачу, в которой вы определяете энергию, которая должна быть предоставлена ​​батареей, а затем вычисляете количество заряда, которое она должна быть в состоянии переместить, чтобы обеспечить эту энергию. Среди вещей, которые следует учитывать, — потребности в энергии и напряжение батареи. Возможно, вам придется заглянуть вперед, чтобы интерпретировать характеристики батареи производителя в ампер-часах как энергию в джоулях.

Глоссарий

электрический потенциал

потенциальная энергия на единицу заряда

разность потенциалов (или напряжение)

изменение потенциальной энергии заряда, перенесенного из одной точки в другую, деленное на заряд; единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, известные как вольт

.

электрон-вольт

энергия, переданная основному заряду, ускоренному разностью потенциалов в один вольт

механическая энергия

сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; эта сумма является константой

---

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Вы также можете бесплатно скачать на http://cnx.org/contents/[email protected]

Атрибуция:

• По вопросам, касающимся этой лицензии, обращайтесь по адресу [email protected].
• Если вы используете данный учебник в качестве библиографической ссылки, то цитировать его следует следующим образом: Колледж OpenStax, физика. OpenStax CNX. http://cnx.org/contents/[email protected].
• Если вы распространяете этот учебник в печатном формате, вы должны указать на каждой физической странице следующее указание авторства: «Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.