전기를 이해하려면 전기력과 전기장이있을 때 전하가 어떻게되는지 이해해야합니다. 돌격은 어떤 힘을 느낄까요? 결과적으로 어떻게 움직일까요? 관련 개념은 전위이며 배터리 및 회로에 대해 이야기 할 때 특히 유용합니다.
전기 전위의 정의
중력장에 놓인 질량은 그 위치로 인해 일정량의 위치 에너지를 가지고 있음을 기억할 수 있습니다. (중력 위치 에너지는GMm / r, 감소mgh마찬가지로, 전기장에 배치 된 전하는 전기장에서의 위치로 인해 일정량의 위치 에너지를 갖게됩니다.
그만큼전위 에너지요금의큐전하에 의해 생성되는 전기장으로 인해큐다음과 같이 지정됩니다.
PE_ {elec} = \ frac {kQq} {r}
어디아르 자형전하와 쿨롱 상수 k = 8.99 × 10 사이의 거리입니다.9 Nm2/씨2.
그러나 전기로 작업 할 때는 종종 다음과 같은 양으로 작업하는 것이 더 편리합니다.전위(정전기 전위라고도 함). 간단한 말로 전위 란 무엇입니까? 음, 단위 전 하당 전위 에너지입니다. 전위V그런 다음 거리아르 자형포인트 요금에서큐is :
V = \ frac {kQ} {r}
어디케이동일한 쿨롱 상수입니다.
전위의 SI 단위는 볼트 (V)이며, 여기서 V = J / C (쿨롱 당 줄)입니다. 이러한 이유로 전위를 종종 "전압"이라고합니다. 이 장치는 최초의 전기 배터리를 발명 한 Alessandro Volta의 이름을 따서 명명되었습니다.
여러 전하의 분포로 인한 공간의 한 지점에서 전위를 결정하려면 각 개별 전하의 전위를 간단히 합산하면됩니다. 전위는 스칼라 양이므로 벡터 합계가 아니라 직접 합계입니다. 그러나 스칼라 임에도 불구하고 전위는 여전히 양의 값과 음의 값을 취할 수 있습니다.
전압계와 전압계를 병렬로 연결하여 전압계로 전위차를 측정 할 수 있습니다. (참고: 전위와 전위차는 완전히 같은 것이 아닙니다. 전자는 주어진 지점에서의 절대적인 양을, 후자는 두 지점 간의 전위차를 나타냅니다.)
팁
전위 에너지와 전위를 혼동하지 마십시오. 밀접한 관련이 있지만 같은 것은 아닙니다!전위V~와 연관되어있는전위 에너지체육일렉통하다체육일렉 = qV유료로큐.
등전위 표면 및 선
등전위 표면 또는 선은 전위가 일정한 영역입니다. 주어진 전기장에 대해 등전위 선이 그려지면 하전 입자가 보는 공간의 일종의 지형도를 만듭니다.
그리고 등전위 선은 실제로 지형도와 같은 방식으로 작동합니다. 이러한 지형을보고 공이 굴러 갈 방향을 알 수 있다고 상상할 수있는 것처럼 등전위지도에서 전하가 어느 방향으로 움직 일지 알 수 있습니다.
잠재력이 높은 지역은 언덕 꼭대기로, 잠재력이 낮은 지역은 계곡이라고 생각하십시오. 공이 내리막 길을 굴리는 것처럼 양전하가 높은 잠재력에서 낮은 잠재력으로 이동합니다. 다른 힘을 제외하고이 운동의 정확한 방향은 항상이 등전위 선에 수직입니다.
전위 및 전기장 :당신이 기억한다면, 양전하는 전기장 라인의 방향으로 이동합니다. 전기장 선이 항상 등전위 선과 수직으로 교차한다는 것은 쉽게 알 수 있습니다.
포인트 차지를 둘러싼 등전위 선은 다음과 같습니다.
그들은 충전 근처에서 더 가깝게 간격을두고 있습니다. 잠재력이 더 빨리 떨어지기 때문입니다. 기억한다면, 양의 전하 지점에 대한 관련 전기장 라인은 반경 방향 바깥쪽으로 향하고 예상대로이 라인과 수직으로 교차합니다.
다음은 쌍극자의 등전위 선을 묘사 한 것입니다.
•••앱을 사용하여 만든: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html
비대칭입니다. 양전하 근처의 것은 높은 전위 값이고 음전하 근처의 것은 낮은 전위 값입니다. 근처의 어느 곳에 나 양전하를 가하면 내리막 길로 굴러가는 공이 예상하는대로 작동합니다. 잠재력이 낮은 "골짜기"로 향합니다. 그러나 음수 청구는 그 반대입니다. 그들은“오르막길!”
중력 위치 에너지가 자유 낙하시 물체의 운동 에너지로 변환되는 것처럼 전기에서 자유롭게 움직이는 전하에 대한 운동 에너지로 변환 된 전위 에너지 들. 따라서 전하 q가 전위차 V를 가로 지르면 전위 에너지의 변화 크기qV이제 운동 에너지1 / 2mv2. (이것은 또한 전하를 같은 거리로 이동시키기 위해 전기력에 의해 수행되는 일의 양과 동일합니다. 이것은 일 운동 에너지 정리와 일치합니다.)
배터리, 전류 및 회로
배터리의 전압 목록을 보는 데 익숙 할 것입니다. 이것은 두 배터리 단자 간의 전위차를 나타냅니다. 두 단자가 도선을 통해 연결되면 도체 내의 자유 전자가 이동하도록 유도됩니다.
전자는 저전 위에서 고전 위로 이동하지만 전류 흐름의 방향은 정반대 방향으로 정의됩니다. 이것은 물리학 자들이 실제로 물리적으로 움직이는 것이 음으로 하전 된 입자 인 전자라는 것을 물리학 자들이 알기 전에 양전하 흐름의 방향으로 정의 되었기 때문입니다.
그러나 대부분의 실용적인 목적에서 한 방향으로 움직이는 양전하는 음전하가 반대 방향으로 이동하는 것과 동일하게 구별됩니다. 관련이 없습니다.
전선이 배터리와 같은 전원에서 높은 전위로 빠져 나간 다음 다른 장치에 연결될 때마다 전기 회로가 생성됩니다. 회로 요소 (프로세스에서 분기 될 수 있음)가 다시 결합되어 전원의 저 전위 단자에 다시 연결됩니다. 출처.
이와 같이 연결되면 전류가 회로를 통해 이동하여 전기 에너지를 다양한 회로 요소는 에너지를 열, 빛 또는 운동으로 변환합니다. 함수.
전기 회로는 물이 흐르는 파이프와 유사하다고 생각할 수 있습니다. 배터리는 파이프의 한쪽 끝을 들어 올려 물이 아래로 흐르도록합니다. 언덕 아래에서 배터리는 물을 처음으로 다시 들어 올립니다.
전압은 방출되기 전에 물이 얼마나 높이 들어 올려지는 것과 유사합니다. 전류는 물의 흐름과 유사합니다. 그리고 다양한 장애물 (예: 물레 방아)이 길에 놓여지면 에너지가 회로 요소처럼 전달되기 때문에 물의 흐름이 느려질 것입니다.
홀 전압
양의 전류 흐름의 방향은 적용된 전위가있을 때 양의 자유 전하가 흐르는 방향으로 정의됩니다. 이 규칙은 회로에서 실제로 움직이는 전하를 알기 전에 만들어졌습니다.
이제 전류를 양전하 흐름 방향으로 정의하더라도 실제로는 전자가 반대 방향으로 흐르고 있음을 알 수 있습니다. 그러나 전류가 어느 쪽이든 같을 때 양전하가 오른쪽으로 이동하는 것과 음전하가 왼쪽으로 이동하는 것을 어떻게 구분할 수 있습니까?
이동 전하는 외부 자기장이있을 때 힘을 경험하는 것으로 밝혀졌습니다.
주어진 자기장이 존재하는 주어진 도체에 대해 양전하가 오른쪽으로 이동하면 따라서 도체의 상단에 모이고 상단과 하단 사이에 전압 강하가 발생합니다.
동일한 자기장에서 왼쪽으로 이동하는 전자도 상승하는 힘을 느끼게되므로 음전하가 도체 상단에 모이게됩니다. 이 효과를홀 효과. 측정하여홀 전압양수 또는 음수이면 어떤 입자가 실제 전하 캐리어인지 알 수 있습니다!
공부할 예
예 1 :구에는 0.75 C로 균일하게 충전 된 표면이 있습니다. 중심으로부터의 전위 8MV (메가 볼트)는 어느 정도입니까?
해결하기 위해 점 전하의 전위 방정식을 사용하여 거리 r에 대해 풀 수 있습니다.
V = \ frac {kQ} {r} \ implies r = \ frac {kQ} {V}
숫자를 연결하면 최종 결과를 얻을 수 있습니다.
r = \ frac {kQ} {V} = \ frac {(8.99 \ times10 ^ 9) (0.75)} {8.00 \ times10 ^ 6} = 843 \ text {m}
그것은 소스에서 거의 1km 떨어진 곳에서도 꽤 높은 전압입니다!
예 2 :정전기 페인트 분무기에는 25kV (킬로 볼트)의 전위에서 0.2m 직경의 금속 구가있어 접지 된 물체에 페인트 방울을 밀어냅니다. (ᄀ) 구체에는 어떤 전하가 있습니까? (b) 0.1mg의 페인트 방울이 10m / s의 속도로 물체에 도달하려면 어떤 전하가 필요합니까?
파트 (a)를 풀려면 전위 방정식을 재 배열하여 Q를 풀어야합니다.
V = \ frac {kQ} {r} \는 Q = \ frac {Vr} {k}를 의미합니다.
그런 다음 반지름이 지름의 절반이라는 점을 염두에두고 숫자를 입력합니다.
Q = \ frac {Vr} {k} = \ frac {(25 \ times 10 ^ 3) (0.1)} {8.99 \ times 10 ^ 9} = 2.78 \ times10 ^ {-7} \ text {C}
(b) 부분에서는 에너지 절약을 사용합니다. 손실 된 위치 에너지는 획득 한 운동 에너지가됩니다. 두 에너지 표현을 동일하게 설정하고큐, 당신은 얻을 :
qV = \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ implies q = \ frac {mv ^ 2} {2V}
다시 한 번 값을 연결하여 최종 답을 얻습니다.
q = \ frac {mv ^ 2} {2V} = \ frac {(0.1 \ times10 ^ {-6}) (10) ^ 2} {2 (25 \ times10 ^ 3)} = 2 \ times10 ^ {-10 } \ text {C}
예 3 :고전적인 핵 물리 실험에서 알파 입자는 금 핵을 향해 가속되었습니다. 알파 입자의 에너지가 5MeV (Mega-electronvolts)라면 금 핵에 얼마나 가까워서 편향 될 수 있습니까? (알파 입자는 +2의 전하를가집니다.이자형, 금핵은 +79의 전하를가집니다.이자형어디 기본 요금이자형 = 1.602 × 10-19 씨.)
팁
전자 볼트 (eV)는 전위의 단위가 아닙니다!이는 1 볼트 전위차를 통해 전자를 가속하는 작업에 해당하는 에너지 단위입니다. 1 전자 볼트 =이자형× 1 볼트, 여기서이자형기본 요금입니다.
이 질문을 풀기 위해 전위 에너지와 전위 사이의 관계를 사용하여 먼저 r을 구합니다.
PE_ {elec} = qV = q \ frac {kQ} {r} \ implies r = q \ frac {kQ} {PE_ {elec}}
그런 다음 단위에 대해 매우주의하면서 값을 연결하기 시작합니다.
r = q \ frac {kQ} {PE_ {elec}} = 2e \ frac {(8.99 \ times10 ^ 9 \ text {Nm} ^ 2 / \ text {C} ^ 2) (79e)} {5 \ times10 ^ 6 \ text {eV}}
이제 1 전자 볼트 =이자형× 1 볼트를 추가로 단순화하고 나머지 숫자를 연결하여 최종 답을 얻습니다.
r = 2e \ frac {(8.99 \ times10 ^ 9 \ text {Nm} ^ 2 / \ text {C} ^ 2) (79 \ cancel {e})} {5 \ times10 ^ 6 \ cancel {\ text {eV }} \ text {V}} \\ \ text { } \\ = 2 (1.602 \ times 10 ^ {-19} \ text {C}) \ frac {(8.99 \ times10 ^ 9 \ text {Nm} ^ 2 / \ text {C} ^ 2) (79)} {5 \ times10 ^ 6 \ text {V}} \\ \ text { } \\ = 4.55 \ times10 ^ {-14} \ text {m}
비교를 위해 금핵의 직경은 약 1.4 × 10입니다.-14 미디엄.