전압 및 전류

이전에 언급했듯이, 연속적인 전하 흐름이 일어나기 전에 우리는 연속적인 경로(즉, 회로) 이상이 필요합니다. 또한 이러한 전하 캐리어를 회로 주위로 밀어넣는 수단이 필요합니다. 튜브의 구슬이나 파이프의 물처럼 흐름을 시작하려면 일종의 영향을 미치는 힘이 필요합니다. 전자의 경우 이 힘은 정전기에서 작용하는 힘과 동일합니다. 즉, 전하의 불균형에 의해 생성되는 힘입니다. 함께 문질러진 왁스와 양모의 예를 들면, 왁스의 잉여 전자(음전하)와 양모의 전자 부족(양전하)으로 인해 전하의 불균형이 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 이 불균형은 두 물체 사이의 인력으로 나타납니다.

전도성 와이어가 대전된 왁스와 양모 사이에 위치하면 전자가 이를 통해 흐를 것입니다. 왁스에 있는 과잉 전자 중 일부가 와이어를 통과하여 양모로 돌아가서 부족한 전자를 채우기 때문입니다.

왁스의 원자와 양모의 원자 사이의 전자 불균형은 두 재료 사이에 힘을 생성합니다. 전자가 왁스에서 양모로 흐를 경로가 없기 때문에 이 힘이 할 수 있는 일은 두 물체를 함께 끌어당기는 것뿐입니다. 그러나 이제 도체가 절연 간격을 연결하므로 그 영역의 전하가 중화되고 왁스와 양모 사이의 힘이 감소할 때까지 그 힘은 전자가 와이어를 통해 균일한 방향으로 흐르게 합니다. 이 두 물질을 문지름으로써 이 두 물질 사이에 형성되는 전하는 일정량의 에너지를 저장하는 역할을 합니다. 이 에너지는 낮은 수준의 연못에서 펌핑된 높은 저수지에 저장된 에너지와 다르지 않습니다.

저수지의 물에 대한 중력의 영향은 물을 다시 낮은 수위로 이동시키려는 힘을 생성합니다. 적절한 파이프가 저수지에서 연못으로 다시 연결되면 물은 중력의 영향을 받아 저수지에서 파이프를 통해 아래로 흐를 것입니다.

낮은 수준의 연못에서 높은 수준의 저수지로 물을 펌핑하는 데 에너지가 필요하며 배관을 통해 원래 수준으로 다시 내려가는 물의 이동은 이전 펌핑에서 저장된 에너지의 방출을 구성합니다. 물이 더 높은 수준으로 펌핑되면 더 많은 에너지가 필요하므로 더 많은 에너지가 저장되고 물이 파이프를 통해 다시 아래로 흐르도록 허용하면 더 많은 에너지가 방출됩니다.

전자도 크게 다르지 않습니다. 우리가 왁스와 양모를 함께 문지르면 전자가 이전 위치(및 양모 내 균형을 재확립하려고 할 때 밀랍과 양모 사이에 힘이 존재하는 상태를 생성)에서 전자를 정상 "수준"에서 "펌핑"합니다. 각각의 원자). 전자를 원자의 양의 핵 주위에서 원래 위치로 다시 끌어당기는 힘은 중력이 저수지의 물에 가하는 힘과 유사하여 이전 수준으로 끌어내리려고 합니다. 물을 더 높은 수준으로 펌핑하면 에너지가 저장되는 것처럼 전하 불균형을 생성하기 위해 전자를 "펌핑"하면 해당 불균형에 일정량의 에너지가 저장됩니다. 그리고 물이 저수지의 높이에서 다시 아래로 흘러내리는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출되는 것처럼 전자가 원래 "수준"으로 다시 흐르는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출됩니다. 전하 운반체가 그 정적 상태(물이 고요한 상태, 저수지의 높은 곳에 있는 것처럼)에 있을 때 거기에 저장된 에너지를 위치 에너지라고 합니다. , 아직 완전히 실현되지 않은 출시 가능성(잠재적)이 있기 때문입니다.

전압의 개념 이해

전하 운반체가 그 정적 상태에 있을 때(물이 고여 있는 것처럼, 저수지에 높은 곳에 있는 것처럼) 거기에 저장된 에너지를 위치 에너지라고 합니다. 왜냐하면 아직 완전히 실현되지 않은 방출 가능성(잠재)이 있기 때문입니다. 건조한 날에 고무 밑창이 있는 신발을 천 카펫에 문지르면 자신과 카펫 사이에 전하 불균형이 발생합니다. 발을 문지르는 동작은 원래 위치에서 강제되는 전하의 불균형 형태로 에너지를 저장합니다. 이 전하(정전기)는 고정되어 있고 에너지가 전혀 저장되고 있다는 사실을 깨닫지 못할 것입니다. 그러나 일단 금속 문 손잡이에 손을 대면(전하를 중화시키기 위해 많은 전자 이동성이 있음) 저장된 에너지가 손을 통해 갑작스러운 전하 흐름의 형태로 방출되며, 이를 전기 충격! 전하 불균형의 형태로 저장되고 전도체를 통해 전하 캐리어를 촉발할 수 있는 이 위치 에너지는 기술적으로 단위 전하당 위치 에너지 또는 물리학자가 측정하는 전압이라는 용어로 표현될 수 있습니다. 특정 위치 에너지를 호출합니다.

전압의 정의

정전기의 맥락에서 정의되는 전압은 전하의 균형을 유지하려는 힘에 대해 단위 전하를 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 데 필요한 작업의 척도입니다. 전원의 맥락에서 전압은 도체를 통해 전하를 이동시키기 위해 단위 전하당 사용 가능한 위치 에너지(수행해야 할 작업)의 양입니다. 전압은 에너지 방출 가능성 또는 잠재력을 나타내는 위치 에너지의 표현이기 때문입니다. 전하가 한 "수준"에서 다른 "수준"으로 이동할 때 항상 두 지점 사이에서 참조됩니다. 저수지 비유를 고려하십시오.

낙하 높이의 차이로 인해 저장소에서 배관을 통해 위치 1보다 위치 2로 더 많은 에너지가 방출될 가능성이 있습니다. 원리는 암석을 떨어뜨리는 것으로 직관적으로 이해할 수 있습니다. 격렬한 충격, 1피트 높이에서 떨어진 바위 또는 1마일 높이에서 같은 바위가 떨어졌습니까? 분명히, 높이가 더 떨어지면 더 많은 에너지가 방출됩니다(더 격렬한 충격). 단순히 암석의 무게를 아는 것으로 낙석의 충격 정도를 예측할 수 있는 것보다 단순히 물의 양을 측정하여 저수지에 저장된 에너지의 양을 평가할 수 없습니다. 두 경우 모두 멀리 이 질량은 초기 높이에서 떨어집니다. 질량을 떨어뜨림으로써 방출되는 에너지의 양은 사이의 거리에 비례합니다. 그 시작점과 끝점. 마찬가지로 전하 캐리어를 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 사용할 수 있는 위치 에너지는 두 지점에 상대적입니다. 따라서 전압은 항상 사이의 양으로 표현됩니다. 두 점. 흥미롭게도 한 높이에서 다른 높이로 잠재적으로 "떨어지는" 질량의 비유는 두 지점 사이의 전압을 때때로 전압 강하라고 하는 적절한 모델입니다. .

전압 생성

전압은 특정 유형의 재료를 서로 문지르는 것 이외의 방법으로 생성할 수 있습니다. 화학 반응, 복사 에너지 및 도체에 대한 자기의 영향은 전압이 생성될 수 있는 몇 가지 방법입니다. 이 세 가지 전압 소스의 각각의 예로는 배터리, 태양 전지 및 발전기(예:자동차 후드 아래의 "교류기" 장치)가 있습니다. 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 구성해 보겠습니다.

전압 소스는 어떻게 작동합니까?

배터리를 포함한 모든 전압 소스에는 전기 접촉을 위한 두 지점이 있습니다. 이 경우 위의 다이어그램에서 포인트 1과 포인트 2가 있습니다. 다양한 길이의 수평선은 이것이 배터리임을 나타내며, 또한 이 배터리의 전압이 회로를 통해 전하 캐리어를 밀어내려는 방향을 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 잠겨 있는 금속판을 나타냅니다. 전하를 전도할 뿐만 아니라 플레이트와 상호 작용하여 전하를 밀어내는 전압을 생성합니다. 배터리 기호 바로 왼쪽에 있는 작은 "+" 및 "-" 기호를 확인하십시오. 배터리의 음극(-) 끝은 항상 가장 짧은 대시가 있는 끝이고 배터리의 양극(+) 끝은 항상 가장 긴 대시가 있는 끝입니다. 배터리의 양극 끝은 전하 캐리어를 밖으로 밀어내려고 하는 끝입니다(전자가 음으로 충전되어 있더라도 일반적으로 전하 캐리어는 양으로 충전된 것으로 생각한다는 것을 기억하십시오). 마찬가지로 음의 끝은 전하 캐리어를 끌어들이려는 끝입니다. 배터리의 "+"와 "-" 끝이 아무 것도 연결되어 있지 않으면 두 지점 사이에 전압이 있지만 전하 캐리어가 이동할 수 있는 연속 경로가 없기 때문에 배터리를 통한 전하 흐름은 없습니다.

저수지와 펌프 비유에서도 동일한 원칙이 적용됩니다. 연못으로 되돌아가는 파이프가 없으면 저수지에 저장된 에너지가 물 흐름의 형태로 방출될 수 없습니다. 저장소가 완전히 채워지면 펌프가 생성하는 압력이 아무리 높아도 흐름이 발생할 수 없습니다. 물이 연못에서 저수지로 흐르고 연못으로 다시 흐르기 위해서는 물이 연속적으로 흐르기 위한 완전한 경로(회로)가 있어야 합니다. 배터리의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 와이어 조각을 연결하여 배터리에 이러한 경로를 제공할 수 있습니다. 와이어 루프로 회로를 형성하면 시계 방향으로 연속적인 전하 흐름이 시작됩니다.

전류의 개념 이해

배터리가 계속해서 전압을 생성하고 전기 경로의 연속성이 끊어지지 않는 한 전하 캐리어는 회로에서 계속 흐를 것입니다. 파이프를 통해 이동하는 물의 비유를 따라 회로를 통한 이 지속적이고 균일한 전하 흐름을 전류라고 합니다. . 전압 소스가 같은 방향으로 계속 "밀어내는" 한 전하 캐리어는 회로에서 계속해서 같은 방향으로 이동할 것입니다. 이 한 방향의 전류 흐름을 직류라고 합니다. , 또는 DC. 이 책 시리즈의 두 번째 권에서는 전류의 방향이 앞뒤로 전환되는 전기 회로를 탐구합니다. 교류 전류 , 또는 AC. 그러나 지금은 DC 회로에만 관심이 있습니다. 전류는 마치 구슬이 튜브를 통과하거나 물이 파이프를 통과하는 것처럼 전하 캐리어를 앞으로 이동하고 밀면서 도체를 통해 일제히 흐르는 개별 전하 캐리어로 구성되기 때문에 단일 회로 전체의 흐름량은 동일합니다. 어떤 시점에서. 단일 회로에서 전선의 단면을 모니터링하고 흐르는 전하 캐리어를 세어 보면 도체 길이나 도체에 관계없이 회로의 다른 부분에서와 같이 단위 시간당 정확히 동일한 양을 알 수 있습니다. 지름. 회로의 연속성을 언제든지 끊으면 , 전류는 전체 루프에서 중단되고 배터리에서 생성된 전체 전압은 연결되어 있던 와이어 끝 사이의 단선을 가로질러 나타납니다.

전압 강하의 극성은 무엇입니까?

회로의 중단 끝에 그려진 "+" 및 "-" 기호와 배터리 단자 옆의 "+" 및 "-" 기호에 해당하는 방법을 확인하십시오. 이 마커는 전압이 전류를 밀어내려는 방향, 일반적으로 극성이라고 하는 전위 방향을 나타냅니다. . 전압은 항상 두 지점 사이에 상대적이라는 것을 기억하십시오. 이 사실 때문에 전압 강하의 극성은 두 지점 사이에서도 상대적입니다. 회로의 한 지점이 "+" 또는 "-"로 레이블이 지정되는지 여부는 참조되는 다른 지점에 따라 다릅니다. 루프의 각 모서리에 참조용 번호가 표시된 다음 회로를 살펴보세요.

점 2와 3 사이에서 회로의 연속성이 끊어지면 점 2와 3 사이에 떨어지는 전압의 극성은 점 2의 경우 "+", 점 3의 경우 "-"입니다. 배터리의 극성(1 "+" 및 4 "-" )은 루프를 통해 전류를 시계 방향으로 1에서 2로, 3에서 4로 밀고 다시 1로 되돌리려고 합니다. 이제 점 2와 3을 다시 연결하지만 점 3과 4 사이의 회로를 끊으면 어떻게 되는지 봅시다.

3과 4 사이의 차단으로 두 지점 사이의 전압 강하 극성은 4의 경우 "-"이고 3의 경우 "+"입니다. 지점 3의 "기호"가 첫 번째 지점의 "부호"와 반대라는 사실에 특히 유의하십시오. 예를 들어 지점 2와 3 사이에 구분선이 있는 경우(여기서 지점 3은 "-"로 표시됨). 이 회로의 점 3이 항상 "+" 또는 "-"라고 말할 수는 없습니다. 극성은 전압 자체와 마찬가지로 단일 점에만 국한되지 않고 항상 두 점 사이에 상대적이기 때문입니다!

검토:

<울>

전하 캐리어는 정전기에서 나타나는 동일한 힘에 의해 전도체를 통해 흐르도록 동기를 부여할 수 있습니다.

전압은 두 위치 사이의 특정 위치 에너지(단위 전하당 위치 에너지)의 측정값입니다. 평신도의 관점에서 볼 때, 이는 충전에 동기를 부여하는 데 사용할 수 있는 "푸시"의 척도입니다.

전압은 위치 에너지의 표현으로서 항상 두 위치 또는 점 사이에 상대적입니다. 때때로 이를 전압 "강하"라고 합니다.

전압 소스가 회로에 연결되면 전압은 전류라고 하는 해당 회로를 통해 전하 캐리어의 균일한 흐름을 유발합니다. .

단일(하나의 루프) 회로에서 어느 지점의 전류량은 다른 지점의 전류량과 같습니다.

전압 소스가 포함된 회로가 파손된 경우 해당 소스의 전체 전압이 파손 지점에 걸쳐 나타납니다.

전압 강하의 +/- 방향을 극성이라고 합니다. . 또한 두 점 사이에 상대적입니다.

관련 워크시트:

<울>

전압, 전류 및 저항 워크시트