В данной статье мы рассмотрим основные понятия и свойства электрического напряжения, его происхождение и применение в электрических цепях, а также важные меры безопасности при работе с ним.
Электрическое напряжение: определение, свойства и применение в электротехнике обновлено: 10 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Помощь в написании работы
В электротехнике одним из основных понятий является электрическое напряжение. Это явление играет важную роль в понимании работы электрических цепей и устройств. В данной статье мы рассмотрим определение и свойства электрического напряжения, его физическую природу и происхождение, а также его применение и меры безопасности при работе с ним. Погрузимся в мир электрических сил и разберемся, как они влияют на нашу повседневную жизнь.
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Напряжение – что это такое, единица измерения, от чего зависит
С точки зрения научной терминологии, напряжением называется работа электрического поля по заданному перемещению заряженных частиц на определенном участке электропроводящего материала. Если явление представить с физической стороны, то получится следующее:
- В обычном состоянии атомы вещества находится в нейтральном состоянии – так как количество протонов равно числу электронов.
- Если некоторую часть электронов оторвать, возникнет положительно заряженная область в одной точке, и отрицательный заряд из электронов – в другом.
- Таким образом, между участками образуется разность «+» и «-» – потенциал.
- При соединении областей проводников возникнет ток – электроны потекут туда, где их не хватает, от места, где их избыточно.
Сила, действующая между разноименными зарядами, называется электродвижущей – она же разность потенциалов, или напряжение.
Движение свободных электронов создает электрический ток в проводнике
Источник bazliter.ru
Чтобы было более понятно, представим водонапорную башню до верха заполненную водой. Давление, создаваемое между верхней и нижней точкой, это и есть разность потенциалов. Пока вентиль закрыт, течения нет, но потенциал есть – а как только его открыть, сразу же появится напор.
Аналогичным образом создается ток в электропроводнике. Ток возникает, когда замыкаются разнозаряженные участки. При этом направленность всегда одна – от плюсового контакта к минусовому.
Единица измерения, зависимость от других параметров
Измеряется напряжение электрического тока в вольтах (В), а также его больших или меньших производных – 1000 вольт или 1 киловольт (кВ), 0,001 В или 1 милливольт (мВ) и т. д. Официально обозначается символом – U. При этом согласно научному определению, величина 1 В задается как работа в 1 Дж, затрачиваемая на перемещение заряда в 1 кулон.
Помимо напряжения, в электротехнике часто используются следующие зависимые друг от друга величины:
Связаны эти параметры закономерностью Ома:
I – сила электротока, в амперах,
R – сопротивление, в омах.
Зависимость напряжения, силы тока и сопротивления друг от друга выражается законом Ома
Источник kpcdn.net
Мощность потребления (Р) определяется как произведение электронапряжения и силы тока:
Измеряется ее величина в ваттах.
На заметку!
Как напряжение, так и сопротивление – величины, обозначающие физические явления между двумя точками цепи или на конкретном участке. Поэтому и обозначаются они соответствующим образом.
Определение электрического напряжения
То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии. То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.
То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:
где U — напряжение, A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.
Напряжение на полюсах источника тока
Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.
В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются
связанными : электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются
вблизи узлов кристаллической решётки.
Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов
. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств
проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,
не распростаняется на диэлектрики.
1. Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю.
2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.
3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.
4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о
«потенциале диэлектрика» не приходится.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
- Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема. Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры. Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью 
, направленное против внешнего поля с напряжённостью 
. В результате напряжённость поля 
внутри диэлектрика будет выражаться равенством: 
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
- Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
- Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 −13 с, без потерь.
- Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
- Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
- Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
- Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
- Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2 )
- Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
- Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.
Калькулятор напряжения – расчет по току, сопротивлению, мощности
Расчет электрического напряжения по току, сопротивлению, мощности с помощью калькулятора – рассчитайте напряжение онлайн и по формулам.
Все калькуляторы
Также можно рассчитать
- Конфигурация
- Расчёт
- Сохранить
- Справка
- Партнерские скидки
- Виджет на сайт
- Комментарии
Запуск приложения
Выберите способ сохранения
Скачать PDF
Скачать расчёт с выбранными параметрами в формате PDF — чертежи + данные.
Поделиться
Поделиться ссылкой на расчёт в Facebook, ВКонтакте, Google+ и т.д.
Сканировать QR-код
Получить ссылку на расчет с параметрами через сканирование QR-кода
Разместите калькулятор у себя на сайте БЕСПЛАТНО
Используйте калькулятор напряжения для расчета вольтажа сети по известным значениям силы тока, сопротивления, мощности. Алгоритм программы выполняет подсчеты по формулам закона Ома для участка цепи. Чтобы получить результат, выберите необходимый тип операции, заполните поля и нажмите кнопку «Рассчитать».
Смежные нормативные документы:
- СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа»
- СП 31-110-2003 «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий»
- СП 76.13330.2016 «Электротехнические устройства»
- ГОСТ 31565-2012 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности»
- ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные электрические. Классификация»
- ГОСТ Р 50571.1-93 «Электроустановки зданий»
Формулы расчета напряжения
Электрическое напряжение (U) — это скалярная физическая величина, которая равна работе электрического поля по перемещению заряда из одной точки цепи к другой. Международная единица измерения — Вольт (В / V).
— Напряжение по току и сопротивлению: U = I × R
— Напряжение по току и мощности: U = P / I
— Напряжение по мощности и сопротивлению: U = √(P × R)
- I – сила тока, А;
- R – сопротивление, Ом;
- P – мощность, Вт.
Основные формулы электротехники.
В таблице представлены основные расчетные формулы по электротехнике для расчета тока, напряжения, сопротивления, мощности и других парметров электрических схем.
Измеряемые величины
Формулы
Обозначение и единицы измерения
Сопротивление проводника омическое (при постоянном токе)
— омическое сопротивление, Ом;
— удельное сопротивление, Ом
— длина, м;
Активное сопротивление при переменном токе
r — активное сопротивление, Ом;
k — коэффициент, учитывающий поверхностный эффект, а в магнитных проводниках — также явление намагничивания
Зависимость омического сопротивления проводника от температуры
, 
— сопротивление проводника в омах соответственно при температуре 
и 
°C
Индуктивное (реактивное) сопротивление
— индуктивное
— угловая скорость; при частоте/= 50 Гц; = 314;
— емкостное сопротивление, Ом;
L — коэффициент самоиндукции (индуктивность), Гц;
Z — полное сопротивление, Ом
Емкостное (реактивное) сопротивление
Полное реактивное сопротивление
Полное сопротивление переменному току
или 
Емкость пластинчатого конденсатора
S — площадь между двумя
n — число пластин;
— диэлектрическая постоянная изоляции;
b — толщина слоя диэлектрика, см
Общая емкость цепи:
а) при последовательном соединении емкостей
б) при параллельном соединении емкостей
, 
, 
— отдельные емкости, Ф
Закон Ома; цепь переменного тока с реактивным сопротивлением
или 
I — ток в цепи, А;
U — напряжение цепи, В;
1-й закон Кирхгофа (для узла)
— токи в отдельных ответвлениях, сходящихся в одной
Е — ЭДС, действующая в контуре, В;
r — сопротивление отдельных
— ток первой ветви, А;
— ток второй ветви А;
— сопротивление первой ветви, Ом;
— сопротивление второй ветви, Ом
2-й закон Кирхгофа (для замкнутого контура)
Распределение тока в двух параллельных ветвях цепи переменного тока
Закон электромагнитного индукции для синусоидального тока
— наведенная ЭДС, В;
w — число витков обмотки;
В — индукция магнитного поля в стали, Тс;
S — сечение магнитопровода, см2
Электродинамический эффект тока для двух параллельных проводников
F — сила, действующая на 1 (см) длины проводника, кГ;
, 
— амплитудные значения токов в параллельных проводниках, А;
а — расстояние между проводниками, си;
—длина проводника, см
Подъемная сила электромагнита
Р — подъемная сила, кГ;
В3 — индукция в воздушном
зазоре; В3 = 1000 Гс (электромагниты для подъема стружки и мелких деталей); В3 = 8000 — 10 000 Гс (электромагниты для подъема крупных деталей)
S — сечение стального сердечника, см2
Тепловой эффект тока
или 
— количество выделяемого
t— время протекания тока, сек;
r — сопротивление, Ом;
А — количество вещества, от-
ложившегося на электроде, мг;
α — электрохимический эквивалент вещества
Химический эффект тока
Зависимости в цепи переменного тока при частоте 50 Гц:
а) период изменения тока
б) угловая скорость
[радиан] или 360°
Т — период изменения тока, сек;
— угловая скорость
Зависимости токов и напряжений в цепи переменного тока:
б) напряжение в цепи
I — полный ток в цепи, А;
— активная составляющая
— реактивная составляющая тока, А;
— угол сдвига (град) во времени между током и напряжением в цепи;
U— напряжение в цепи, В;
— активная составляющая
— реактивная составляющая напряжения, В
Соотношения токов и напряжений в трехфазной системе:
а) соединение в звезду
б) соединение в треугольник
— ток линейный, А;
— ток фазный, А;
— напряжение линейное, В;
— напряжение фазное, В
Р — активная мощность, Вт;
Q — реактивная мощность, нар;
S —полная мощность, B*А;
r — активное сопротивление,
z — полное сопротивление, Ом
Мощность в цепи постоянного тока
Мощность в цепи переменного тока:
а) цепь однофазно тока
б) цепь трехфазного тока
Энергия в цепи постоянного тока
— активная энергия, Вт*ч;
— реактивная энергия, вар*ч;
Энергия в цепи переменного тока:
а) цепь однофазного тока
б) цепь трехфазного тока
Определение напряжения в физике
Определение 1
Электрическим током в физике считают направленное перемещение заряженных частиц, создаваемое электрополем, совершающим при этом определенную работу.
Работа создающего ток электрического поля называется работой тока ($A$). Она может на разных участках цепи отличаться, однако при этом окажется пропорциональной проходящему через него заряду.
Физической величиной работы тока на конкретном участке при перемещении по нему заряда 1 Кл выступает электрическое напряжение ($U$). Напряжение электрического тока в различных участках цепи будет разным. Напряжение на участке пустого провода окажется совсем незначительным, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо больше, так как на величину напряжения влияет величина работы, произведенной током.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Для определения напряжения на отдельно взятом участке существует следующая формула:
- $A$ — работа тока,
- $q$ — прошедший по участку заряд.
Замечание 1
Для обеспечения движения частиц в проводнике, потребуется совершить определенную работу. Ее совершает источник. Работу источника будет характеризовать напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет светить лампочка в цепи.
Напряжение на полюсах источника тока характеризует потенциальная величина энергии, которую источник придает току. Это аналогично давлению воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.
Для измерения напряжения между полюсами источника тока применяется прибор – вольтметр. Его подключают непосредственно к источнику тока. Можно измерять напряжение для каждого элемента цепи. Отличием от амперметра является подключение вольтметра не произвольным образом (в любом месте цепи), а параллельно нагрузке.
Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
Вольтметр в таком случае будет показывать величину приложенного к нагрузке напряжения. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора. При включении в цепь вольтметра, важным условием является соблюдение полярности:
- провод, идущий от источника тока (+), нужно подсоединить к клемме вольтметра (+);
- провод, идущий от минусового полюса источника тока, присоединяется к клемме вольтметра (-).
Вольтметры существуют в виде приборов постоянного и переменного тока. В первом варианте на циферблате прибора изображается прямая линия, а во втором – волнистая.
Безопасным для человека напряжением считается показатель в 42 В (при нормальных условиях) и 12 В (в условиях повышенной опасности, то есть при высокой температуре, сырости и пр.).
Сила электрического тока
Электрический ток определяется проходящими сквозь проводник электронами. Эти электроны несут отрицательный заряд. Силу тока (количество электричества) характеризует именно объем этого заряда. Она будет одинаковой во всех участках цепи:
Замечание 2
Электроны не способны просто исчезнуть. Это объясняет возможность их измеримости на любом участке электрической цепи. При прохождении по проводам ток нагревает их лишь слегка, при этом он не совершает большую работу.
При прохождении через спираль электрической лампы, ток не ограничивается ее простым нагреванием. Так, он раскаляет ее до такой степени, что она начинает светиться. В этом случае током совершается механическая работа и при этом достаточно трудоемкая, с затратами собственной энергии. Электроны продолжают двигаться дальше в том же количестве, при этом энергии у них становится меньше.
Понятия и определения
Для определения состояния электрической цепи с потребителями принято учитывать ряд базовых параметров из электротехники. Правила, регламентирующие устройство электросетей и установок (СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа» и СП 31-110-2003 «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий») основаны именно на этих параметрах и законах для электроцепей.
Базовые понятия
- Напряжение U (В, Вольт) отражает работу, которая должна быть совершена, чтобы переместить заряд между точками электрической цепи.
- Сила тока I (А, Ампер) указывает, какой заряд протекает через проводник за определенное время.
- Электрическое сопротивление R (Ом) показывает, какое противодействие оказывает проводник протеканию тока при подаче напряжения на начало и конец цепи.
- Мощность Р (Вт, Ватт) указывает, какую работу совершает электрический ток при протекании по цепи с сопротивлением.
Базовые представления
Напряжение — это условие, при котором в проводнике может возникнуть электрический ток. Если нам нужно получить поток воды в трубе, мы приподнимем один ее конец или присоединим к нему насос. Чтобы свободные электроны в проводнике начали движение (электрический ток), мы создаем напряжение. Полезная работа в электрической цепи совершается только при наличии тока, который зависит от напряжения, но при этом ему мешает сопротивление. З акон Ома ( I = U/R ) отражает э ту зависимость.
Электроустановка — так принято называть действующую электрическую цепь с потребителями и устройствами защиты и управления. Ваша квартира и частный дом, ваша мастерская является электроустановкой, системой электрических цепей. Каждый потребитель создает сопротивление току, чтобы его преодолеть, нужно определенное напряжение. Именно этот расчет позволяет сделать наш онлайн-калькулятор.
Напряжение на практике
Стандартным значением напряжения считается 220 В с отклонением плюс/минус 10 % при измерении между фазой и нулем (нейтралью). Между двумя фазовыми проводами величина должна составлять 380 В для схемы присоединения «звезда». Фактический однофазный интервал допустимых значений составляет 198 — 233 В, трехфазный — 342 — 401 В. На практике большинство сетей соответствуют этим требованиям, но в некоторые моменты, например, при пиковых нагрузках, напряжение в сети может снижаться. При падении условия прохождения тока меняются, приборы перестают работать, некоторые значительно теряют мощность. Например, энергосберегающая лампа в таком случае просто погаснет, а лампа накаливания заметно снизит излучение света.
При переменном токе параметр определяется по пикам частоты (50 Гц) и называется амплитудным. Средний действующий показатель отражает именно то напряжение, которое указано в стандартах и документации к приборам. Все «нормальные» бытовые розетки рассчитаны на 220 В, только точки присоединения электроплит и котлов могут быть трехфазными — на 380 В. Для них предусматривается отдельный ввод, который иногда приходится запрашивать у поставщика электроэнергии.
