電圧は、電荷をある位置 (A) から別の位置 (B) に移動させるために電場によって行われる仕事に等しい。次に、仕事は、電荷が配置される点 A と B の間の電荷の変位による、電気的位置エネルギーの変動係数と等価です。
導体の両端に電圧が印加されると、電子を駆動する電場が生成され、電子が最低電位から最高電位に移動します。この一方向への電子の動きを電流といいます。
電圧とは何ですか?
電圧は、電場の存在による電荷の移動の結果です。電場の存在下では、その領域に存在する、それを生成した電荷と同じ符号を持つ電荷は、その場を生成した電荷とその領域に存在する電荷との間の反発力によって反発されます (クーロンの法則) 。力の作用による物体の変位に関連する物理量が仕事です。
力学によれば、物体を動かす力の仕事は、物体の始点 (点 A) と終点 (点 B) の位置エネルギーの差に相当します。各点での位置エネルギーと輸送される電荷の比は、電位と呼ばれます。したがって、点Aには電位があり、点Bには電位が存在します。
したがって、電圧は点 A と B の電位の差、または単位電荷あたりの点 A と B の電位エネルギーの変化であると結論付けることができます。前述の概念によれば、電圧は、電位差 (ddp)、起電力 (EMF)、または一般に電圧と呼ばれることもあります。
電圧の計算式
電圧の式 (U) は、点 A と B での電位エネルギーの変化 (ΔE pe ) (ジュール (J) で測定) と輸送される電荷 (q) (クーロン (C) で測定）の比で表されます。 ）。
\(U=\frac{∆E_{pe}}{q}\)
エネルギーと電荷はどちらもスカラー量です。したがって、電圧も同様になり、その測定単位はアレッサンドロ・ボルタにちなんで名付けられたボルト (V) になります。点 A から点 B に電荷を輸送する仕事 (T AB ) は位置エネルギーの変化に等しいため、前の式は書き換えることができます。
\(U=\frac{T_{AB}}{q}\)
電圧は、点 A (U A ) と点 B ( UB ) の電位差 (どちらもボルト単位で測定) と考えることもできます。
\(U=\U_A-U_B\)
電圧と電場 (E) に関して、電圧は、電荷が輸送された点 A と B の間の電場と距離 (d AB ) との積に等しいことがわかります。
\(U=E·d_{AB}\)
この表記により、電場はニュートン/クーロン (N/C) またはボルト/メートル (V/m) で測定できます。
電圧の計算例
例 1: 1.2・10 -3 N/m の電界により、3μC の電荷が 0.4 m 移動します。これを実現するにはどのような作業が必要ですか?
解決
問題のあるデータを抽出する
E = 1.2・10 -3 N/m
q = 3μC = 3・10 -6 C
d AB = 0.4m
TAB = ?
まず、電圧を計算する必要があります。これは、仕事と電場の式に共通する唯一の量であるためです。
\(U=E.d_{AB}={1.2\cdot10}^{-3}·0.4=0.48\cdot10-3=4.8\cdot10-4 V\)
仕事の式で見つかった U の値を置き換えます。
\(U=\frac{T_{AB}}{q}\)
\(4.8\cdot{10}^{-4}=\frac{T_{AB}}{3\cdot{10}^{-6}}\)
\(T_{AB}=4.8\cdot{10}^{-4}\cdot3\cdot{10}^{-6}=14.4\cdot{10}^{-10}\)
\(T_{AB}=1.44\cdot{10}^{-9}\ J\)
例 2:電位 x を持つ点 A から、電位が A の電位の 3 分の 2 に等しい点 B に電荷 q が取られました。ddp が 24 V に等しいと考えてください。電位の値はいくらですか。 AとBでは？
解決
問題のあるデータを抽出する
U = 24V
U A = x = ?
U B = \(\frac{2\cdot U_A}{3}=\frac{2\cdot x}{3}\) = ?
\(U=U_A-U_B\)
\(24=x-\frac{2\cdot x}{3}\)
勘定科目の右側には、分数による減算があり、各メンバーの分母が乗算されます。結果の積を元の分母で割り、その結果に分子を掛ける必要があります。
\(24=\ \frac{x}{1}-\frac{2\cdot x}{3}=\frac{3\cdot x-2\cdot x}{3}=\frac{x}{3 }\)
\(24=\frac{x}{3}\)
\(\frac{x}{3}=24\)
\(x=24\cdot3=72\ V\)
\(U_A=72\ V\)
\(U_B=\frac{2\cdot U_A}{3}=\frac{2\cdot72}{3}=48\ V\)
電圧×電流
金属は電子を失いやすいという特徴があります。したがって、金属ワイヤを使用すると、金属結合により、自由に移動するいくつかの自由電子で結晶格子が形成されます。この自由電子は電子の海または電子雲と呼ばれます。
両端に異なる電位を接続すると、導線内に電界が発生し、図のように不規則だった電子の動きが最低電位から最高電位の方向に規則的に動きます。次の図。
両端が異なる電位に接続された導体は閉回路を形成し、この回路内の電子の規則正しい流れにより、一定時間内に電流が生じます。導体の電圧が大きいほど、生成される電流も大きくなります。
ソケットから電圧が得られる場合、各穴は電位を持ち、つまり電圧源となります。したがって、電子機器内の電流は、従来の電流の方向に従って、マイナス電位からプラス電位に流れます。電圧源の他の例としては、あらゆる種類のバッテリー、バッテリー、発電機などがあります。