Arus konstan dalam suatu rangkaian?

8

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Baterai memompa elektron dengan menciptakan medan listrik dan mengubah energi potensial listrik menjadi kinetik. Dekat terminal positif, elektron memiliki lebih banyak energi kinetik, jadi bukankah arusnya lebih tinggi?

Sebuah analogi mungkin memperjelas pertanyaan saya: Jika Anda menjatuhkan bola dari sebuah bangunan, bola akan mempercepat ketika mencapai tanah karena lebih banyak energi potensial telah dikonversi menjadi energi kinetik. Demikian pula, bukankah seharusnya elektron bergerak lebih cepat ketika mereka mendekati terminal positif, karena mereka memiliki lebih banyak energi kinetik? Dan akibatnya bukankah seharusnya arus lebih tinggi?

electromagnetism physics dfg
sumber

1

analogi Anda benar-benar tidak aktif. Realitas lebih seperti buaian Newton. Dalam analogi Anda, hanya ada 1 molekul (bola). Pada kenyataannya, segera setelah Anda menjatuhkan satu elektron, ia akan bertabrakan dengan elektron lain.

hassan789

5

Di sirkuit listrik kecepatannya hampir sama dengan arus (Coulombs / dtk). Energi kinetik sebanding dengan kuadrat kecepatan (1/2 * m * v ^ 2), itu berarti bahwa jika Anda memiliki arus konstan, Anda memiliki rata-rata energi kinetik yang konstan.

Karena itu, karena seluruh kawat diisi dengan elektron (hampir tanpa celah); semua elektron harus memiliki kecepatan yang sama (arus yang sama), sehingga energi kinetiknya sama di setiap tempat.

Analogi, di mana molekul air = elektron. Anda dapat melihat bahwa molekul pada awal pompa tidak memiliki kecepatan (arus) yang lebih besar. masukkan deskripsi gambar di sini

Analogi lain yang lebih lemah adalah kereta api. Bayangkan mesin (baterai) sebagai mekanisme yang menerapkan gaya (tegangan / ggl) ke seluruh gerobak (elektron). Semua kereta di kereta akan memiliki kecepatan yang sama.

hassan789
sumber

1

Energi kinetik tidak sebanding dengan kecepatan. Momentum sebanding dengan kecepatan (dengan asumsi Newton - mekanika non-relativisme sedang bermain)

Spehro Pefhany

Ini sebanding dengan

v^{2}

$v^2$ , tidak

v

$v$ . Dalam contoh yang saya kutip, yang membuat oh, sekitar 8 urutan perbedaan besarnya, dan penting untuk memahami mengapa energi kinetik dari elektron memiliki efek yang dapat diabaikan.

Spehro Pefhany

maaf, kamu benar, V ^ 2. Namun, dengan asumsi V konstan, begitu juga KE.

hassan789

3

Ada beberapa jawaban yang bagus, secara teori terdengar di sini. Biarkan saya mencoba menjelaskan dari sudut pandang yang berbeda:

Saya cenderung tidak memikirkan elektron yang mengalir melalui kabel, karena ini menyiratkan bahwa massa dan momentum mereka adalah apa yang menyebabkan perpindahan kekuasaan. Anda sering mendengar bahwa Anda harus membayangkan tabung bola ping-pong. Tapi ini juga bisa menyesatkan! Sebagai gantinya, bayangkan sebuah pipa berdiameter 8 kaki yang dikemas dengan pasir. Anda memaksakan sedikit pasir di satu ujung, dan beberapa akan keluar di ujung lainnya, tetapi kecepatan, massa, dan momentum tidak terlalu berperan.

Transfer energi terjadi karena muka gelombang dari elektron tereksitasi mendorong (melalui medan listrik) semua elektron lain di sekitarnya. Bukan karena massa elektron yang memberikan momentum Newton. Penyimpangan elektron yang sebenarnya dalam konduktor tembaga setebal 1 mm berada di urutan satu milimeter per detik!

Bahkan, itulah salah satu tempat besar yang analogi airnya rusak. Tidak ada momentum listrik berdasarkan massa! (Itu pernyataan yang kuat, dan tidak sepenuhnya benar, tetapi itu akan membantu Anda dengan baik)

Jika Anda ingin "menambahkan" momentum ke sirkuit Anda, Anda akan menggunakan induktor. Ini membuat analogi air bermanfaat lagi :)

Ada contoh yang sangat baik dari analog ini. Lihat Youtube Ram Pump ini: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . Ini adalah teknologi kuno yang rapi yang belum pernah dilihat banyak orang. Ternyata persis sama dengan boost converter! Jika Anda belum melihat konverter boost, Anda akan segera melakukannya. Mereka digunakan di semua tempat di sirkuit listrik.

Pompa Ram bekerja berdasarkan momentum. Untuk membuatnya berfungsi dalam elektronik, Anda menggunakan induktor untuk memberikan momentum analog! Itu mengagumkan! Gunakan dioda untuk katup satu arah, dan kapasitor untuk ruang bertekanan.

Anda memulai petualangan yang menyenangkan, semua teknik / fisika ini :)

Semoga berhasil.

bitmack
sumber

2

Mengapa konstan saat ini di mana-mana?

Yah, sebenarnya tidak. Inilah yang hilang dalam analogi Anda: jika perbedaan dalam potensi gravitasi dari atas ke bawah bangunan dianalogikan dengan perbedaan dalam potensial listrik (tegangan) baterai, dan bola mewakili muatan listrik (katakanlah, elektron) , apa yang Anda lewatkan adalah semua muatan lainnya di kawat.

Semua konduktor penuh muatan listrik bergerak, seperti pipa penuh air. Jika Anda mengisi daya di satu ujung, Anda membuat "tekanan" yang lebih tinggi di ujung itu. Kemudian gelombang kekuatan merambat melalui fluida dengan hasil akhirnya menyamakan tekanan di mana-mana. Di air, gelombang ini bergerak dengan kecepatan suara. Dalam sebuah kawat, mereka bergerak dengan kecepatan cahaya. ¹

Karena gelombang ini pada akhirnya akan merambat ke seluruh rangkaian, jika tegangan baterai Anda tidak berubah, akhirnya akan mencapai keseimbangan dan arus akan sama di mana-mana. Ketika ukuran sirkuit kecil, cahaya sangat cepat sehingga merupakan asumsi penyederhanaan yang masuk akal bahwa gelombang ini merambat "secara instan", dan arusnya sama di mana-mana dalam loop.

Ketika ini tidak terjadi, dan waktu yang dibutuhkan perubahan untuk menyebar menjadi signifikan, rangkaian kemungkinan akan dimodelkan dengan saluran transmisi dan Anda mungkin memasuki disiplin teknik RF .

Anda mungkin juga tidak boleh berpikir tentang elektron yang bergerak dari terminal negatif ke terminal positif. Anda akan membingungkan diri sendiri karena semuanya akan mundur (karena elektron adalah muatan negatif ), dan Anda juga akan melupakan sekitar setengah muatan di alam semesta: proton, dan muatan positif lainnya . Jarang gerakan elektron individu relevan, dan di banyak sirkuit (dan tentu saja sirkuit apa pun dengan baterai), elektron bukan satu-satunya pembawa muatan. Biasanya kami peduli dengan kekuatan yang ditransmisikan oleh operator muatan, bukan pembawa muatan. Lihat:

Dalam kasus khusus Anda, ketika baterai terhubung pertama kali, elektron tertarik ke terminal positif, dan ditolak dari terminal negatif. Arus mulai mengalir di kedua terminal baterai, dan kemudian gelombang gaya merambat melalui kawat sampai arus mengalir di mana-mana dan sirkuit mencapai kesetimbangan.

Anda mungkin juga akan menemukan pencerahan ini: Bagaimana arus tahu berapa banyak yang mengalir, sebelum melihat resistor?

^{1: Kecepatan cahaya pada bahan tertentu berbeda, sama seperti kecepatan suara. Lihat faktor kecepatan dan radiasi Cherenkov yang sangat keren , seperti analog cahaya dari ledakan sonik.}

Phil Frost
sumber

1

Energi kinetik dari penyimpangan elektron minimal. Kita dapat melihat efeknya di sirkuit superkonduktor, dan pada frekuensi mendekati siang hari, di mana ia muncul sebagai semacam induktansi , tetapi itu tidak signifikan di sirkuit biasa.

Elektron dalam kawat melayang sangat lambat, meter per jam. Itu mewakili arus besar karena ada banyak dari mereka.

Ingatlah bahwa arus adalah aliran muatan (dikuantisasi sebagai muatan per elektron) per unit waktu, tidak ada hubungannya dengan energi kinetik, hanya berapa banyak elektron yang melewati 'pembagi' per detik.

Spehro Pefhany
sumber

1

Cara yang baik untuk memvisualisasikan penyimpangan elektron adalah dengan mengemas benar-benar tabung berdiameter besar dengan bola ping pong dari atas ke bawah .. kemas dengan kencang sampai bola rata ke tepi. Jika Anda mendorong satu bola lagi di satu ujung, satu bola keluar di ujung lainnya. Itu pergeseran elektron! Tabung penuh bola ping pong seperti kawat yang penuh elektron. Meletakkan bola di salah satu ujung menyebabkan salah satunya keluar dari ujung lainnya. Meskipun bola hanya bergerak 40mm (diameter bola ping pong) pekerjaan dilakukan di ujung lain dari tabung (kawat)

Brian Onn

beberapa (tidak semua) dari alasan itu salah. Misalnya, saat ini sebenarnya berkaitan langsung dengan energi.

hassan789

0

Elektron yang bergerak dalam kawat tidak seperti bola yang dijatuhkan.

Ketika Anda menjatuhkan bola dari bangunan, itu tidak banyak menghentikannya sampai menyentuh tanah. Hanya ada udara di jalan, yang mewakili pengaruh yang sangat kecil pada bola di atas kondisi yang mungkin dibayangkan dalam eksperimen pemikiran ini.

Sirkuit listrik tidak seperti itu. Massa elektron dibandingkan dengan massa segala sesuatu yang lain (proton, neutron) dalam kawat sangat kecil. Tetapi yang lebih penting, kawat itu penuh dengan elektron. Anda tidak dapat "menjatuhkan" sebuah elektron: ia hanya akan mengenai elektron lain. Jangan pikirkan bola: pikirkan lautan bola. Bola individu tidak begitu relevan: biasanya yang kita pedulikan adalah bagaimana kita dapat mengeksploitasi "cairan" yang tak terlihat ini untuk melakukan pekerjaan.

Sirkuit yang Anda buat, omong-omong, tidak bisa eksis. Dalam suatu skema, garis-garis tersebut mewakili "kabel" ideal yang konduktif tanpa batas, yang berarti tegangannya sama di mana-mana di dalamnya. Ada banyak cara untuk menjelaskan ini, tapi ini satu: ambil hukum Ohm:

V = saya R

$V = IR$

Kawat ideal kami yang "sangat konduktif" berarti "tanpa hambatan". Begitu:

V = saya \cdot 0 Ω

$V = I \cdot 0 \Omega$

Dapat tegangan ( $V$ ) menjadi apa pun kecuali nol volt?

Baterai sementara itu mempertahankan idealnya konstan 9V antara terminal-terminalnya. Jika kita memanggil potensi di terminal positif $V_+$ dan potensi di terminal negatif $V_-$ , kemudian baterai memperkenalkan kendala:

V_{+} - V_{-} = 9 V

$V_+ - V_- = 9\mathrm V$

Kabel skematis yang menghubungkan terminal baterai juga berbagi terminal baterai yang sama, dan seperti di atas, tegangan pada kabel ini harus 0V, menurut definisi. Jadi kami memiliki sistem persamaan ini:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = saya \cdot 0 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 0\Omega \end{cases}$

Apakah ada solusi untuk sistem persamaan ini? Tidak ada. Sirkuit ini tidak ada.

Jika Anda mencoba membangun sirkuit ini dengan kawat sungguhan, kawat itu akan memiliki sedikit hambatan. Katakan saja itu $1\Omega$ . Sebagian besar kabel pendek akan kurang, tetapi ini akan membuat matematika mudah. Sekarang persamaannya adalah:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = saya \cdot 1 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 1\Omega \end{cases}$

Sekarang jelas bahwa saat ini adalah 9A.

Hal ini seharusnya membuat percobaan berpikir lebih jelas: dalam setiap nyata sirkuit, harus ada beberapa perlawanan ¹ antara terminal baterai. Jika Anda ingin membuat analogi dengan fenomena fisik yang lebih akrab, perlawanan seperti gesekan yang bekerja pada muatan listrik. Di sinilah energi dari memindahkan muatan dari potensial tinggi (terminal positif) ke potensial lebih rendah (terminal negatif) berjalan: ia dikonversi menjadi panas dalam resistor.

^{1: superkonduktor tidak memiliki hambatan, tetapi mereka memiliki induktansi. Asalkan baterai dapat terus memasok energi, tidak ada batasan seberapa tinggi arus dapat menjadi, tetapi arus tumbuh pada tingkat yang terbatas, sehingga arus yang tak terbatas akan membutuhkan sumber energi yang tak terbatas.}

Phil Frost
sumber

Terima kasih, tetapi Anda tidak menjawab pertanyaan saya! Jawaban Anda memperjelas bahwa rangkaian itu tidak ada, dan bahwa elektron itu seperti fluida, tetapi Anda tidak benar-benar menjawab pertanyaan saya. Mengapa "cairan" tidak mempercepat?

dfg

@ pdf Saya akan mencoba pendekatan berbeda dalam jawaban lain. Bersiaplah ...

Phil Frost

Arus konstan dalam suatu rangkaian?

Jawaban: