電圧とは正確には何ですか？

ちょっと奇妙な質問ですが、それは何ですか？私の物理の先生は、それが電子を回路の周りに押す「プッシュ」のようなものだと言いました。もっと複雑な説明ができますか？どんな助けも大歓迎です。

あなたの先生は正しかった。

電流とは、電荷（通常は電子）が移動することです。彼らはそれを理由なく自分でやるのではなく、ショッピングカートがそれ自体で店の床を横切って動くのと同じです。物理学では、電荷を押す力を起電力、または「EMF」と呼びます。ほとんどの場合、ボルト単位で表されるため、ほとんどの場合、ほとんどのショートカットを「電圧」と言います。技術的には、EMFは物理量であり、ボルトは数量化できる1単位です。

EMFはいくつかの方法で生成できます。

1. 電磁。 導線（ワイヤなど）が磁場を通って横に移動すると、ワイヤの長さに沿って電圧が生成されます。発電所や自動車のオルタネーターなどの発電機は、この原理に基づいて機能します。

2. 電気化学。 化学反応は電圧差を引き起こす可能性があります。バッテリーはこの原理に基づいています。

3. 太陽光発電。 光子が適切な場所で半導体ダイオードに衝突すると、電圧が得られます。これが太陽電池の仕組みです。

4. 静電気。 適切な種類の材料を2つ一緒にこすると、一方が他方に電子を放出します。この現象をよく示す2つの素材は、プラスチック製の櫛と猫です。これは、適切な種類のカーペットをシャッフルし、金属オブジェクトに触れるとザップを取得すると発生します。バルーンをシャツに擦ると、バルーンが他の何かに「くっつく」ことができます。その場合、EMFは電子を移動させることはできませんが、それでも電子を引っ張り、それが次に風船を引っ張ります。

   この効果は、さまざまな高電圧を生成するためにスケールアップでき、Van de Graaff発電機の動作の基礎となります。

5. サーモエレクトリック。 ほとんどの導体に沿った温度勾配により、電圧が発生します。これは、シーベック効果と呼ばれます。残念ながら、この電圧を使用するには最終的に閉ループになるため、それを利用できません。ループの一部の温度上昇によって得られた電圧は、ループの別の部分の温度低下によって相殺されます。トリックは、同じ温度勾配（異なるシーベック係数）の結果として異なる電圧を示す2つの異なる材料を使用することです。ある材料を熱源に送り、別の材料を使用して戻ってくると、同じ温度で使用できる正味電圧が得られます。

   温度差が大きい場合でも、1回の出力と出力からの合計電圧は非常に小さくなります。これらの多くの組み合わせを組み合わせることにより、有用な電圧を得ることができます。シングルアウトおよびバックは熱電対と呼ばれ、温度を検知するために使用できます。多くは一緒に熱電対発電機です。はい、それらは実際に存在します。熱源が放射性同位体の崩壊から来るこの原理に基づいた宇宙船がありました。

6. 熱電子。十分に高いもの（100℃）を加熱すると、表面の電子が非常に速く移動するため、飛び散ることがあります。彼らがより寒い着陸場所を持っている場合（したがって、彼らはそこから再び飛ぶことはありません）、あなたは熱電子発生器を持っています。これは大げさに聞こえるかもしれませんが、熱源が再び放射性同位体の崩壊であるこの原理を動力源とする宇宙船もありました。

   電子管はこの原理を部分的に使用しています。電子が自力で飛び散るように何かを加熱する代わりに、少し余分な電圧をかけると飛び出すように、ほぼその点まで加熱することができます。これが真空管ダイオードの基礎であり、ほとんどの真空管にとって重要です。これがこれらのチューブにヒーターが付いていて、それらが光るのを見ることができる理由です。熱イオン効果が著しい場所に到達するには、輝く温度が必要です。

7. 圧電。 特定の材料（たとえば水晶振動子）は、それらを絞ると電圧が発生します。一部のマイクはこの原理で動作します。空気中のさまざまな圧力波は、音を鳴らし、水晶を交互に押しつぶします。これにより、結果として小さな電圧波が発生します。それらを増幅して、最終的に録音できる信号を作成したり、スピーカーを駆動したりして、それらを聞くことができます。

   この原理は、多くのバーベキューグリル点火装置でも使用されています。ばね機構は、スパークを引き起こすのに十分な電圧になるように、水晶をかなり強く叩きます。

流体のアナロジーを使用すると、電圧は圧力、電流は流量です。

「電圧」は派生した量です。それが由来する量を理解せずにその物理的な意味を理解することは困難です。

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

私たちは、作るいくつかの他の電磁効果を無視するために、ゼロにアプローチします。あまり混乱させないでください。これは、「1電荷あたりの力を生成できるオーラ」のようなものです。その方向は、生成する力の方向と同じであり、その大きさは力の大きさに比例します。$q_1$

ここで、定義したこれらの量が、他の既知の物理量と非常に類似していることがわかります。たとえば、上記の力は、地球と月のような宇宙物体との間の力に非常に似ています。そして、フィールドは地球の重力フィールドに非常に似ています。$\bar{E}$

次に、地球に対する宇宙物体の電位に似た電位を定義するというアイデアが生まれます。地球の周りの空間のある点のポテンシャルは、物体（単位質量を持つ）を無限からその点まで移動させるための単位質量あたりのエネルギーです。Electrostaticsで定義すると、ポイント電位は次のようになります。$P_2$

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

次いで、二つの独立した点（電位差と内空間）（によって引き起こされるフィールド）です。$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

電場はカールフリーであることに注意してください。これは、常にスカラー場の勾配として表現できることを意味します（）。これらの線積分は、パスに依存しません。$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

したがって、これは潜在的なフィールドの定義です。ポイントには、チャージがなくても常にポテンシャルがあります。「無限からそこに単位電荷をもたらすために必要なエネルギー」と考えてください。2点間の電位差は似ています。ある地点から別の地点に単位電荷を運ぶのに必要なエネルギーです。または、天体のようなより具体的な例で考えてください。地球の表面から100kmの高さと200kmの高さの電位差は、与えられた高さでの2つの1kgの物体間の潜在的なエネルギーの差に他なりません。

現実の世界に来るとき、ポイントのポテンシャルは、周囲の電荷によって引き起こされるすべての個々のポテンシャルの一部です（重ね合わせの理論が適用されます）。

電荷の不均衡（電子）がある場合は常に電圧が表示されます。同様の電荷が反発し、反対の電荷が引き付けるため、帯電した粒子の集まりは、互いに何らかの力を生み出します。負から正への不均衡がある場合、一種の「圧力」または「プッシュ」が形成されます。導電性材料では、電子は原子内に固定されるのではなく、材料内を自由に流れるため、最小の「圧力」まで流れます。

複雑な考慮事項：

• 電気と化学は密接に関連しています。たとえば、バッテリーでは、化学的な不均衡により、荷電粒子が片側に強制されることにより、端子間で電気的な不均衡（電圧）が発生します。化学は、他の方法で電気条件にも影響します。
• 電流（I）は電子の流れですが、電子は（負であるため）「電流」の反対方向に流れます。電流は、実際の流れが負であるが、逆方向の場合でも、正電荷の概念的な流れです。これは、負の「プッシュ」が正の「プル」とまったく同じであることを示しています。

私が聞いた定義は次のとおりです。

電圧は、仕事をするための（充電のための）ポテンシャルです。

言い換えると、電圧は電荷の単位に与えられるエネルギーです。つまり、で、はエネルギー、は電荷です。 E$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

早急な、最初の近似、経験則：電圧は電気圧力です。

しかし、それに拡大：電圧がない圧力ではなく、まったく同じ。代わりに、「ポテンシャル」と呼ばれる数学/物理学の概念です。電圧は重力場の高度に似ており、各電子または陽子はボルダーのようなものです。高度は、圧力、重量、または力ではありません。ボルダーが丘の頂上にある場合、ボルダーはポテンシャルの高い場所にあります。これは、ボルダーがポテンシャルエネルギー（PE）を蓄積していることを意味し、下り坂（低電位の場所への移動）が許可されている場合、このエネルギーを運動エネルギー（KE）として放出します。 PEが高くなります。

より正確には、電圧は電位です。それは力ではありません（ボルダーのダウンフォースや重さのようなものでも、電場での電荷に対する力の量のようなものでもありません。）ボルダーを取り除いた場合、電圧はポテンシャルエネルギーではありません。その後、重力、高度、およびポテンシャルがまだ存在しています。ポテンシャルはフィールド自体の一部です。電圧のパターンは、空きスペースでハングする可能性があります。

電圧は、電界を記述/視覚化/測定する方法です。

電場を記述するために、反対の電荷間に磁束線を引くことができます。または、代わりに、電圧のパターン、等電位面を描画し、それらを磁束線に垂直に描画できます。電気力線が見つかると、電圧も見つかります。

電圧とは何ですか？ 典型的な誤解とは何ですか？ここに大きなものがあります：「電圧は一種のポテンシャルエネルギーです。」いいえ、間違っています。代わりに、電圧は数学概念の「ポテンシャル」であり、エネルギーではなく、「何かをする可能性」でもありません。もう1つの誤りは、「電圧は単位充電あたりのポテンシャルエネルギー」です。いいえ、間違っています。これは、ボルト単位の物理的定義にすぎず、ジュール単位とクーロン単位にリンクしています。実際には逆になります。エネルギー量（特定の電圧差を越えて電荷を移動する際に行われる作業量）は、電荷に電圧の変化を掛けることで求められます！電気エネルギーは電圧によって決まります！しかし、電圧は空の空間で電界を記述する方法であるため、電圧自体に移動電荷やポテンシャルエネルギーを保存する必要はありません。電圧を記述するために使用されるテスト電荷は、虚数の微小電荷です。もう1つのミス：「電圧がワイヤの表面に現れる」。間違って、実際には電圧がワイヤの周りの空間に広がっています。9Vバッテリー端子の中間にある4.5Vの電位は、空いているスペースに一人でぶら下がっています。しかし、典型的な電圧計では、無限のZ（inp）または少なくとも数百ギガオームの電圧計が必要なので、空間電圧を検出しません。通常の10Meg DMM電圧計には大きな電流が流れ、純粋な電界が短絡するため、電圧を測定するには導体表面に触れる必要があります。空きスペースに一人でぶら下がっている4.5Vの可能性を見つけましょう！しかし、典型的な電圧計では、無限のZ（inp）または少なくとも数百ギガオームの電圧計が必要なので、空間電圧を検出しません。通常の10Meg DMM電圧計には大きな電流が流れ、純粋な電界が短絡するため、電圧を測定するには導体表面に触れる必要があります。空きスペースに一人でぶら下がっている4.5Vの可能性を見つけましょう！しかし、典型的な電圧計では、無限のZ（inp）または少なくとも数百ギガオームの電圧計が必要なので、空間電圧を検出しません。通常の10Meg DMM電圧計には大きな電流が流れ、純粋な電界が短絡するため、電圧を測定するには導体表面に触れる必要があります。

電圧とは何ですか？それは、帯電したコンデンサプレート間のスペースを埋める目に見えない膜の積み重ねです。電圧は、帯電した物体を囲む同心円状のオニオン層のパターンで、オニオン層は電界の磁束線に垂直に走っています。したがって、「電圧層のスタック」は、電界を記述する1つの方法です。もう1つのより身近な方法は、「力線」を使用することです。

実際にはできません。

静電力は電位勾配に比例しますが、電位に直接比例しません。1クーロンの電荷にかかる力は、電位勾配に比例します。

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

実際、1 Vは、1ジュールの電気エネルギーがある場合、+ 1クーロンの電荷で機械エネルギーに変換されることを意味します[したがって、加速または1/2 JV ^ 2を1 J増加します]。実際にはエネルギーに似ています。

ガニッシュが言ったことに加えて：

ポイントAの電圧は、正電荷を0V（通常はAから無限に遠い、またはグラウンドとして定義される）からAにプッシュする場合に文字通り消費する仕事の測定値です。

電子機器では電圧が重要です。ポイントAで正の電荷から始めると、同じ量の作業を0Vに到達させることができます（たとえば、プロセスでLEDをオンにする）。

選挙を推進しているのは、重力によって地球に押し出されたり引っ張られたりする方法によく似たポテンシャルエネルギーの違いです。これはおそらく、電子が別の方向に一方向に移動するのに好ましい結果を生みます。これは、電子がワイヤ内を「ランダムに」移動する理由も部分的に説明します。