전압 및 전류의 이해

연속적인 전하 흐름이 발생하기 전에 연속적인 경로 (즉, 회로) 이상의 것이 필요합니다. 또한 이러한 전하 캐리어를 회로 주변으로 밀어 넣을 수 있는 수단이 필요합니다. 튜브의 구슬이나 파이프의 물과 마찬가지로 흐름을 시작하려면 일종의 영향을 미치는 힘이 필요합니다. 전자의 경우이 힘은 정전기에서 작용하는 것과 동일한 힘, 즉 전하의 불균형에 의해 생성되는 힘입니다. 함께 문지른 왁스와 양모의 예를 들어 보면, 왁스의 전자 잉여 (음전하)와 양전하의 전자 부족 (양전하)이 그들 사이에 전하의 불균형을 생성한다는 것을 알 수 있습니다. 이 불균형은 두 물체 사이의 인력으로 나타납니다.

전도성 와이어가 충전된 왁스와 양모 사이에 배치되면 왁스의 과잉 전자 중 일부가 와이어를 통해 돌진하여 양모로 돌아가 전자의 결핍을 채우면서 전자가 통과합니다.

왁스의 원자와 양모의 원자 사이의 전자 불균형은 두 물질 사이에 힘을 만듭니다. 왁스에서 양모로 전자가 흐를 수 있는 경로가 없기 때문에 이 힘이 할 수있는 것은 두 물체를 함께 끌어 당기는 것입니다. 그러나 이제 전도체가 절연 갭을 연결하기 때문에 힘은 해당 영역의 전하가 중화되고 왁스와 양모 사이의 힘이 감소 할 때까지 일시적으로만 와이어를 통해 균일 한 방향으로 전자를 흐르게 할 것입니다. 이 두 물질을 서로 문지르면서 형성되는 전하는 일정량의 에너지를 저장하는 역할을 합니다. 이 에너지는 저층 연못에서 펌핑 된 높은 저수지에 저장된 에너지와 다르지 않습니다.

저수지의 물에 대한 중력의 영향은 물을 다시 낮은 수준으로 이동시키려는 힘을 생성합니다. 적절한 파이프가 저수지에서 연못으로 돌아가면 물은 중력의 영향을 받아 저수지에서 파이프를 통해 아래로 흐릅니다.

저수위 연못에서 고수위 저수지로 물을 펌핑하는 데 에너지가 필요하며, 배관을 통해 원래 수준으로 물이 이동하면 이전 펌핑에서 저장된 에너지가 방출됩니다. 물이 더 높은 수준으로 펌핑되면 더 많은 에너지가 필요하므로 더 많은 에너지가 저장되고 물이 파이프를 통해 다시 흐르도록 허용하면 더 많은 에너지가 방출됩니다.

전자는 크게 다르지 않습니다. 왁스와 양모를 함께 문지르면 전자가 정상적인 "레벨"에서 벗어나 전자를 "펌핑"하여 전자가 이전 위치를 다시 설정하려고 할 때 왁스와 양모 사이에 힘이 존재하는 상태를 만듭니다 ( 각 원자). 전자를 원자핵 주위의 원래 위치로 다시 끌어당기는 힘은 중력이 저수지의 물에 가하는 힘과 유사하여 이전 수준으로 끌어 내리려고 합니다. 물을 더 높은 수준으로 펌핑하면 에너지가 저장되는 것처럼 전자를 "펌핑"하여 전하 불균형을 생성하면 일정량의 에너지가 해당 불균형에 저장됩니다. 그리고 저수지 높이에서 물이 다시 흘러내릴 수 있는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출되는 것처럼 전자가 원래의 "레벨"로 되돌아가는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출됩니다. 전하 캐리어가 정적 상태 (물이 저수지에 높은 곳에 있는 것처럼)에있을 때 거기에 저장된 에너지는 다음과 같습니다.에너지 , 그것은 아직 완전히 실현되지 않은 버전의 가능성 (잠재력)을 가지고 있기 때문이다.

전압의 개념 이해

전하 캐리어가 정적 상태 (물이 저수지에 높은 곳에 있는 것처럼)에있을 때, 거기에 저장된 에너지는 아직 완전히 실현되지 않은 방출 가능성 (잠재적)이 있기 때문에 위치 에너지라고 합니다. 건조한 날에 고무 밑창이 있는 신발을 패브릭 카펫에 문지르면 자신과 카펫 사이에 전하의 불균형이 발생합니다. 발을 긁는 동작은 원래 위치에서 강제로 전하의 불균형 형태로 에너지를 저장합니다. 이 전하 (정전기)는 고정되어 있으며 에너지가 저장되고 있다는 사실을 전혀 알 수 없습니다. 그러나 금속 손잡이에 손을 대면 (전하를 중화시키기 위해 많은 전자 이동성이있는), 저장된 에너지가 손을 통해 갑작스런 전하 흐름의 형태로 방출되어 감전으로 인식 될 것입니다! 전하 불균형의 형태로 저장되고 전하 캐리어가 도체를 통해 흐르도록 유도 할 수있는이 위치 에너지는 전압이라는 용어로 표현될 수 있으며, 이는 기술적으로 단위 전 하당 위치 에너지 또는 물리학자가 측정하는 것입니다. 특정 위치 에너지를 호출하십시오.

전압의 정의

정전기의 맥락에서 정의 된 전압은 전하의 균형을 유지하려는 힘에 대항하여 한 위치에서 다른 위치로 단위 전하를 이동하는 데 필요한 작업의 척도입니다. 전력 원의 맥락에서 전압은 도체를 통해 전하를 이동하기 위해 단위 전 사용할 수 있는 (수행해야 하는 작업) 잠재적 에너지의 양입니다. 전하가 한 "수준"에서 다른 "수준"으로 이동할 때 항상 두 지점 사이에서 참조됩니다. 저수지 비유를 고려하십시오.

낙하 높이의 차이로 인해 배관을 통해 위치 1보다 위치 2로 저수지에서 훨씬 더 많은 에너지가 방출될 가능성이 있습니다. 원리는 바위를 떨어뜨릴 때 직관적으로 이해할 수 있습니다. 격렬한 충격, 1 피트 높이에서 떨어진 바위, 또는 1 마일 높이에서 떨어진 동일한 바위? 분명히 높이가 더 떨어지면 더 많은 에너지가 방출됩니다 (더 격렬한 충격). 암석의 무게를 아는 것만으로도 낙석의 충격의 심각성을 예측할 수 있는 것보다 더 이상 물의 양을 측정하는 것만으로는 저수지에 저장된 에너지의 양을 평가할 수 없습니다. 두 경우 모두 얼마나 멀리 떨어져 있는지 고려해야 합니다.이 질량은 초기 높이에서 떨어집니다. 질량을 떨어 뜨려 방출되는 에너지의 양은 시작점과 끝점 사이 의 거리에 상대적입니다. 마찬가지로 전하 캐리어를 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 사용할 수 있는 위치 에너지는 이 두 지점에 상대적입니다. 따라서 전압은 항상 두 지점 사이 의 양으로 표현됩니다 . 흥미롭게도 한 높이에서 다른 높이로 잠재적으로 "떨어지는"질량의 비유는 두 지점 사이의 전압을 때때로 전압 강하 라고 하는 적절한 모델입니다 .

전압 생성

전압은 특정 유형의 재료를 서로 마찰하는 것 이외의 방법으로 생성될 수 있습니다. 화학 반응, 복사 에너지 및 도체에 대한 자기의 영향은 전압이 생성될 수 있는 몇 가지 방법입니다. 이러한 세 가지 전압 소스의 각 예는 배터리 , 태양 전지 및 발전기 (예 : 자동차 후드 아래의 "교류기"장치)입니다. 지금은 이러한 각 전압 소스가 어떻게 작동하는지 자세히 설명하지 않겠습니다. 더 중요한 것은 전압 소스를 적용하여 전기 회로에서 전하 흐름을 생성하는 방법을 이해하는 것입니다. 화학 배터리의 기호를 사용하여 단계별로 회로를 구축해 보겠습니다.

전압 소스는 어떻게 작동합니까?

배터리를 포함한 모든 전압원에는 전기 접촉을 위한 두 지점이 있습니다. 이 경우 위의 다이어그램에 포인트 1과 포인트 2가 있습니다. 다양한 길이의 수평선은 이것이 배터리임을 나타내며,이 배터리의 전압이 회로를 통해 전하 캐리어를 밀어내는 방향을 더 나타냅니다. 배터리 기호의 수평선이 분리되어 표시된다는 사실 (따라서 충전 흐름의 경로 역할을 할 수 없음)은 문제가 되지 않습니다. 실제 생활에서 이러한 수평선은 액체 또는 반고체 물질에 잠긴 금속판을 나타냅니다. 전하를 전도 할 뿐만 아니라 플레이트와 상호 작용하여 전압을 발생시켜 전압을 발생시킵니다. 배터리 기호 바로 왼쪽에 작은 "+"및 "-"기호가 있습니다. 배터리의 음극 (-) 끝은 항상 가장 짧은 대시가 있는 끝이고 배터리의 양극 (+) 끝은 항상 가장 긴 대시가 있는 끝입니다. 배터리의 양의 끝은 전하 캐리어를 밀어 내려는 끝입니다 (전하 캐리어는 전자가 음으로 충전 되더라도 일반적으로 양으로 충전된 것으로 생각합니다). 마찬가지로 음의 끝은 전하 캐리어를 끌어들이려는 끝입니다. 배터리의 "+"및 "-"끝이 아무것도 연결되지 않은 상태에서 두 지점 사이에 전압이 있지만 전하 캐리어가 이동할 수있는 연속 경로가 없기 때문에 배터리를 통해 충전 흐름이 없습니다. 배터리의 양의 끝은 전하 캐리어를 밀어 내려는 끝입니다 (전하 캐리어는 전자가 음으로 충전 되더라도 일반적으로 양으로 충전 된 것으로 생각한다는 것을 기억하십시오). 마찬가지로 음의 끝은 전하 캐리어를 끌어들이려는 끝입니다. 배터리의 "+"및 "-"끝이 아무것도 연결되지 않은 상태에서 두 지점 사이에 전압이 있지만 전하 캐리어가 이동할 수있는 연속 경로가 없기 때문에 배터리를 통해 충전 흐름이 없습니다. 배터리의 양의 끝은 전하 캐리어를 밀어 내려는 끝입니다 (전하 캐리어는 전자가 음으로 충전 되더라도 일반적으로 양으로 충전 된 것으로 생각한다는 것을 기억하십시오). 마찬가지로 음의 끝은 전하 캐리어를 끌어들이려는 끝입니다. 배터리의 "+"및 "-"끝이 아무것도 연결되지 않은 상태에서 두 지점 사이에 전압이 있지만 전하 캐리어가 이동할 수있는 연속 경로가 없기 때문에 배터리를 통해 충전 흐름이 없습니다.

저수지와 펌프 비유의 경우에도 동일한 원리가 적용됩니다. 연못으로 돌아가는 파이프가 없으면 저수지에 저장된 에너지를 물 흐름의 형태로 방출 할 수 없습니다. 저장소가 완전히 채워지면 펌프가 아무리 많은 압력을 생성하더라도 흐름이 발생하지 않습니다. 연속적인 흐름이 일어나기 위해서는 물이 연못에서 저수지로 흐르고 다시 연못으로 흐르도록 완전한 경로 (회로)가 있어야합니다. 배터리의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 와이어를 연결하여 배터리에 이러한 경로를 제공 할 수 있습니다. 와이어 루프로 회로를 형성하면 시계 방향으로 지속적인 전하 흐름을 시작합니다.

전류의 개념 이해

배터리가 계속 전압을 생성하고 전기 경로의 연속성이 끊어지지 않는 한 전하 캐리어는 회로에서 계속 흐릅니다. 물이 파이프를 통해 이동한다는 은유에 따라 회로를 통한이 연속적이고 균일 한 전하 흐름을 전류 라고합니다 . 전압원이 같은 방향으로 계속 "밀고있는"한 전하 캐리어는 회로에서 같은 방향으로 계속 움직입니다. 현재의이 단일 방향의 흐름이라고 직류 , 또는 DC. 이 책 시리즈의 두 번째 볼륨에서는 전류의 방향이 앞뒤로 전환되는 전기 회로를 탐색합니다. 교류, 또는 AC. 그러나 지금은 DC 회로에만 관심을 기울일 것입니다. 전류는 튜브를 통과하는 구슬이나 파이프를 통과하는 물과 같이 앞쪽의 전하 캐리어를 따라 이동하고 밀면서 도체를 통해 일제히 흐르는 개별 전하 캐리어로 구성되기 때문에 단일 회로를 통과하는 흐름의 양은 동일합니다. 언제든지. 단일 회로에서 전선의 단면을 모니터링하여 흐르는 전하 캐리어를 계산하면 도체 길이 또는 도체에 관계없이 회로의 다른 부분에서와 똑같은 단위 시간당 양을 알 수 있습니다. 직경. 우리가 어느 지점에서나 회로의 연속성 을 깨면, 전류는 전체 루프에서 중단되고 배터리에 의해 생성된 전체 전압은 연결되는 데 사용 된 와이어 끝 사이의 단선을 통해 나타납니다.

전압 강하의 극성은 무엇입니까?

회로의 단선 끝에 그려진 "+"및 "-"기호와 배터리 단자 옆에 있는 "+"및 "-"기호에 어떻게 대응하는지 확인하십시오. 이러한 마커는 전압이 전류를 밀려고 시도하는 방향, 일반적으로 극성 이라고 하는 전위 방향을 나타냅니다 . 전압은 항상 두 지점간에 상대적이라는 것을 기억하십시오. 이 사실 때문에 전압 강하의 극성도 두 지점 사이에서 상대적입니다. 회로의 지점이 "+"또는 "-"로 표시되는지 여부는 참조되는 다른 지점에 따라 다릅니다. 참조를 위해 루프의 각 모서리에 숫자가 표시되어있는 다음 회로를 살펴보십시오.

지점 2와 지점 3 사이에서 회로의 연속성이 끊어지면 지점 2와 지점 3 사이에서 떨어진 전압의 극성은 지점 2의 경우 "+"이고 지점 3의 경우 "-"입니다. 배터리의 극성 (1 "+"및 4 "-" ) 루프를 통해 전류를 시계 방향으로 1에서 2에서 3에서 4로 밀고 다시 1로 되돌리려 고합니다. 이제 지점 2와 3을 다시 연결하고 지점 3과 4 사이의 회로를 중단하면 어떻게 되는지 살펴 보겠습니다.

3과 4 사이의 단선으로,이 두 지점 사이의 전압 강하 극성은 4의 경우 "-", 3의 경우 "+"입니다. 지점 3의 "기호"가 첫 번째 지점과 반대라는 사실에 유의하십시오. 예를 들어, 점 2와 3 사이에 브레이크가 있는 경우 (점 3은 "-"로 레이블이 지정됨). 전압 자체와 마찬가지로 극성은 단일 지점에 한정되지 않고 항상 두 지점 사이에 상대적이기 때문에 이 회로의 지점 3이 항상 "+"또는 "-"라고 말할 수 없습니다.