Wenn die Spannung zwischen zwei Punkten eines Kabels gemessen wird, ist die Spannung Null, wenn dazwischen kein Widerstand liegt?

Ich habe eine Serienschaltung. Nehmen wir an, die Batterie hat eine Potentialdifferenz von 10 Volts.

An zwei Stellen des Kabels befestige ich die Lesegeräte eines Voltmeters, bevor der Strom auf Widerstände trifft. Bedeutet dies, da es keinen Widerstand gibt und die Formel für die Spannung lautet V = IR, dass die Spannung zwischen diesen beiden Punkten Null beträgt?

Aber wie kann das sein - wir wissen, dass 10 Volt Strom durchfließen!

Das Beispiel, das mein Lehrer gibt, ist, dass Elektrizität wie ein fließender Fluss ist. Die Spannung ist die Kraft des fließenden Wassers. Stapeln Sie Steine ​​in der Mitte des Flusses und das ist der Widerstand. Wenn Sie jedoch keine Steine ​​stapeln und an zwei Punkten messen, bedeutet dies nicht, dass sich im Fluss kein Strom (Spannung) befindet.

Kann das bitte jemand klären?

Sie scheinen Spannung und Strom in Konflikt zu haben.

Spannung wird besser als elektromotorische Kraft bezeichnet . Es fließt oder überträgt an sich keine Energie.

Der Strom (normalerweise in Ampere gemessen) ist ein Maß dafür, wie viel elektrische Ladung sich pro Zeiteinheit bewegt. Strom ist an sich auch kein Energiefluss.

Der Energiefluss heißt Kraft . Um Strom zu haben, benötigen Sie sowohl Strom ( ) als auch Spannung ( E ). Die Leistung ist gleich dem Produkt der beiden:$I$$E$

Es ist hilfreich, dies in Bezug auf analoge mechanische Systeme zu betrachten, da wir mechanische Systeme direkt mit unseren Sinnen beobachten können. Mechanische Systeme haben auch eine Kraft, bei der sie gleich dem Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit sind:

Wenn Sie Kraft, aber keine Geschwindigkeit haben, haben Sie keine Kraft. Ein Beispiel wäre ein Gummiband, das zwischen zwei ortsfesten Trägern gespannt ist. Das Band übt eine Kraft auf die Stützen aus. Diese Spannung ist potentielle Energie. Aber nichts bewegt sich und nichts von dieser Energie, die im gedehnten Band gespeichert ist, wird auf irgendetwas anderes übertragen.

Wenn das Band jedoch die Stützen bewegen kann, haben wir jetzt die Geschwindigkeit. Wenn das Band die Träger bewegt, wird die im gedehnten Band gespeicherte Energie in kinetische Energie in den Trägern umgewandelt. Die Geschwindigkeit, mit der diese Energieübertragung stattfindet, ist Leistung.

Spannung ist eine Kraft, die elektrische Ladung bewegt. Strom ist die Geschwindigkeit der elektrischen Ladung. Widerstand ist, wie einfach es ist, die Stützen zu bewegen.

Hier ist ein mechanisches System, das Ihrer Schaltung ähnlicher ist:

Wir haben einen starren Ring, der an einem Motor befestigt ist, der etwas Kraft aufbringt, um ihn zu drehen. Ebenfalls am Ring befestigt haben wir eine Bremse, die dem Wenden des Rings widersteht. Damit diese Analogie richtig ist, muss es sich um eine Bremse handeln, die eine Kraft erzeugt, die proportional zur Geschwindigkeit des Rings ist, der sich durch den Ring bewegt. Stellen Sie sich vor, es ist an einen Lüfter gekoppelt. Wenn sich der Ring also schneller dreht, dreht sich der Lüfter schneller und erzeugt einen höheren Luftwiderstand .

$1kN$

Welche anderen Kräfte wirken auf den Ring? Da wir über ein idealisiertes System ohne Reibung nachdenken, gibt es keine. Wenn Sie Dehnungsmessstreifen an den Punkten A und B einfügen würden, würden Sie eine Differenz zwischen ihnen messen. B wird zusammengedrückt, während der Motor den Ring gegen seinen Widerstand in die Bremse schiebt, und A wird gedehnt, während der Motor ihn aus der Bremse saugt.

Aber was ist der Unterschied zwischen B und C? da ist gar nichts. Wenn dies nicht intuitiv offensichtlich ist, denken Sie daran, dass Sie eine Lücke in den Ring schneiden und Ihre Hand einführen müssen, damit diese Maschine ihn zertrümmern kann. Gibt es einen Punkt, an dem Sie dies vorziehen würden? Nein, Ihre Hand wird gleichermaßen zerschlagen, unabhängig davon, wo Sie sie auf der linken Seite des Rings machen.

Die von den Dehnungsmessstreifen gemessenen Kräfte sind analog zur Spannung. Wir können Spannungen nur relativ zu einer anderen Spannung messen. Aus diesem Grund verfügt Ihr Voltmeter über zwei Sonden. Überall dort, wo Sie das schwarze Kabel anschließen, ist es als "0V" definiert. Das Szenario, das Sie in Ihrer Frage präsentieren, ist wie das Messen des Unterschieds zwischen B und C: Es ist Null.

Dies scheint etwas seltsam zu sein, da wir wissen, dass auf der gesamten Seite des Rings eine Druckkraft herrscht. Es scheint, dass das für etwas gut sein sollte. Bedenken Sie jedoch Folgendes: Das Gewicht des gesamten Gases in der Erdatmosphäre führt zu einem Druck auf Meereshöhe von etwa 15 Pfund pro Quadratzoll. Bedeutet das, dass wir eine Maschine herstellen können, die angetrieben wird, nur weil sie diesem Druck ausgesetzt ist? Nein . Um die Arbeit mit diesem atmosphärischen Druck zu tun, müssen wir einen Unterschied in Druck. Ohne Unterschied können wir die Luft nicht bewegen. Betrachten Sie noch einmal die obigen Definitionen von Macht, und es sollte klar werden, wie dies wahr ist.

Ihr Voltmeter und Ihr Lehrer haben beide Recht, aber die Wasseranalogie der Elektrizität kann nur so weit gehen. Ein großer Nachteil ist, dass es im Gegensatz zu Wasser keine absolute Spannung gibt. Die Spannung ist immer relativ zwischen zwei Punkten.

"10 Volt Strom fließen umher" gibt es nicht. Die Spannung ist die Kraft, die die Ladungen antreibt, um Strom zu erzeugen. Strom sind die tatsächlich fließenden Ladungen. Es ist durchaus möglich, Spannung ohne Strom und Strom ohne (oder ohne messbare) Spannung zu haben.

Die River-Analogie Ihres Lehrers funktioniert in diesem Fall immer noch, wenn Sie sie richtig anwenden. Die Spannung ist der Druck im Fluss, der das Wasser stromabwärts drückt. In einem Fluss können Sie diesen Druck als die Höhe der Wasseroberfläche sehen. Wenn Sie Steine ​​in den Fluss stapeln, liegt die Oberfläche des Flusses höher über den Steinen als unter ihnen. Das würde sich als Druckdifferenz zeigen, wenn Sie mit einem relativen Druckmesser zwischen über und unter den Felsen messen.

Der Draht ist wie ein Fluss ohne Steine. Der Druck an einem Punkt und ein paar Fuß stromaufwärts ist im Grunde immer noch der gleiche. Das zeigt Ihnen Ihr Voltmeter. Ein Unterschied zwischen einem echten Fluss und einem Kupferdraht besteht darin, dass der Kupferdraht ein viel idealerer Fluss ist als alles, was echtes Wasser tun kann. Der Draht ist so felsfrei (kein Widerstand), dass sich für den Durchfluss nur eine sehr geringe Spannung aufbaut. Es gibt tatsächlich einen kleinen Spannungsunterschied zwischen den beiden Punkten auf dem Draht, aber der Draht ist so gut leitend, dass dieser Spannungsunterschied für ein gewöhnliches Multimeter zu klein ist, um gemessen zu werden. Wenn Sie das kurze Stück Draht durch ein paar Zehntel Meter Draht ersetzen und dann darüber messen, zeigt Ihr Multimeter möglicherweise eine geringe Spannung an.

es fließen 10 Volt Strom durch!

Die Spannung "fließt" nicht. Es ist ein Maß für das Potenzial von Elektrovoltaik und existiert daher nur über zwei Punkte.

Es ist dasselbe, als würde man versuchen, die Höhe eines Berges zu messen. Es gibt keine "absolute Höhe", es gibt nur eine Höhe relativ zu etwas anderem, z. B. den Ebenen um sie herum, dem Meeresspiegel usw.

Die Sache mit der Spannung ist, dass sie immer relativ zu etwas gemessen werden muss. Mit anderen Worten messen Meter Spannungsdifferenzen nicht einzelne Spannungsebene . Im Idealfall zeigt das Messgerät in Ihrem Beispiel Null an. Selbst Drähte weisen jedoch einen geringen Widerstand auf, sodass bei Verwendung eines Messgeräts mit Mikrovolt-Genauigkeit nur ein sehr geringer Spannungswert angezeigt wird.

Wenn man sich auf eine kleine Tangente mit der Erklärung der Spannungsdifferenz einlässt, verletzen die Spannungspegel die Menschen nicht wirklich. Es sind Spannungsunterschiede, die Menschen verletzen. So können Techniker an 500.000 Spannungsleitungen arbeiten, ohne frittiert zu werden. Sie bringen ihre Spannungspegel bis 500 kV , so dass die Spannungsdifferenz über ihren Körper Null ist.

Hier ist ein Beispiel eines meiner Physiklehrer, das uns das Verständnis dieses Konzepts erleichtern soll. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich oben auf dem Empire State Building. Diese Höhe schadet dir nicht. Wenn Sie jedoch springen würden, würde Sie der Höhenunterschied töten. Dies ist das gleiche Konzept mit Spannung.

Tatsächlich gibt es einen Spannungsabfall zwischen zwei beliebigen Punkten entlang des Drahtes - dieser ist jedoch gering, da der Widerstand des Drahtes gering ist (selbst der Draht enthält einige Kieselsteine).

Beispiel : Wenn der Widerstand des Kabels zwischen den beiden Zinken sehr gering ist (z. B. 1/1000 Ohm) und ein Strom von 1 Ampere fließt, entsteht ein Spannungsabfall von 1/1000 Volt (0,001 V) zwischen dem die Zinken Ihres Voltmeters.

Wenn Ihr Voltmeter auf einen Bereich von 10 V eingestellt ist, sehen Sie diesen Spannungsabfall nicht und das Meter zeigt Null an.

Wenn Sie mit einem Voltmeter bis in den mV- oder sogar uV-Bereich messen können, werden Sie feststellen, dass sich die Spannung ändert, wenn Sie die Zinken des Messgeräts entlang des Kabels bewegen, solange Strom durch den Stromkreis fließt.

Wenn KEIN Strom fließt (dh der Stromkreis ist unterbrochen), erhalten Sie diese Spannungsänderung nicht.

Dies liegt daran, dass ein Voltmeter die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Sonden misst. Da sich zwischen Ihren Kabeln kein Schaltungselement wie z. B. ein Widerstand befindet, durch den die Spannung abfällt, beträgt die Spannungsdifferenz null, und Sie erhalten einen Spannungswert von null. In Bezug auf Ihre Flussanalogie, da es keine Steine ​​(AKA-Widerstände) gibt, ist die Wassermenge und die Geschwindigkeit, mit der das Wasser zwischen Ihren Sonden fließt, gleich.

Wenn Spannung gemessen wird, ist die Spannung definitionsgemäß diejenige, die in der Messung angegeben ist. Wenn Sie es einfach aufgrund anderer Überlegungen wie des spezifischen Widerstands und der Entfernung des Kabels sowie der fließenden Strommenge als Null bezeichnen, wird die Messung dadurch nicht mehr berücksichtigt.