Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле. Задачу по созданию и поддержанию электрического поля выполняют источники тока.
После создания электрического поля, на свободные заряженные частицы в проводнике начинают действовать электрические силы, которые и приводят их в движение.
Получается, что у нас есть силы и частицы, которые перемещаются под их действием. Значит, совершается какая-то работа. Этот же факт говорит нам о том, что электрическое поле обладает некоторой энергией.
На данном уроке мы более подробно рассмотрим, что же за работу совершает электрическое поле, от чего она зависит и придем к определению еще одной важной характеристики в электричестве — электрическому напряжению.
Работа тока
Сразу введем новое определение.
Работа тока — это работа, которую совершают силы электрического поля, создающего электрический ток.
В процессе этой работы энергия электрического тока переходит в другие различные виды энергии (механическую, внутреннюю и др.). Более подробно мы говорили об этом, когда рассматривали действия тока.
Электрическое напряжение
Электри́ческое напряже́ние между точками 1 и 2, скалярная физическая величина, численно равная суммарной работе электрических и сторонних сил при перемещении единичного положительного электрического заряда из точки 1 в точку 2 электрической цепи:
U 12 = ∫ 1 2 ( E + E ∗ ) d l = ∫ 1 2 E d l + ∫ 1 2 E ∗ d l , ( 1 ) _= int_^!(E+E^*)dl = int_^!E:dl+int_^E^*dl, quad (1) U 12 = ∫ 1 2 ( E + E ∗ ) d l = ∫ 1 2 E d l + ∫ 1 2 E ∗ d l , ( 1 ) где E E E – напряжённость электростатического поля ; E ∗ E^* E ∗ – напряжённость поля сторонних сил, численно равная сторонней силе, действующей на единичный положительный заряд; d l dl d l – вектор, модуль которого равен длине d l dl d l линии, соединяющей точки 1 и 2, направленный вдоль неё от точки 1 к точке 2. К сторонним силам относят силы, отличные от сил электростатического поля. Сторонние силы могут иметь различную физическую природу: механическую, химическую, электромагнитную и др. Так, например, в гальванических элементах , батареях и аккумуляторах – это химические силы – силы молекулярного взаимодействия. К сторонним силам относятся и силы, действующие со стороны вихревого электрического поля (описывается уравнениями Максвелла ).
Так как электростатическое поле потенциально, то первый интеграл в формуле (1) не зависит от пути интегрирования, соединяющего точки 1 и 2; он равен разности потенциалов в точках 1 и 2: Второй интеграл в формуле (1) называют электродвижущей силой (эдс) ε 12 ε_ ε 12 на участке 1–2: ε 12 = ∫ 1 2 E ∗ d l . varepsilon_=int_^E^*dl . ε 12 = ∫ 1 2 E ∗ d l . Значение эдс зависит от пути интегрирования между точками 1 и 2. Таким образом, электрическое напряжение равно:
НАПРЯЖЕНИЕ — САМОЕ ПРОСТОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ В АНИМАЦИИ.
U 12 = φ 1 − φ 2 + ε 12 ( 2 ) U_=varphi_1-varphi_2+varepsilon_quad (2) U 12 = φ 1 − φ 2 + ε 12 ( 2 ) и в общем случае также зависит от пути интегрирования между точками 1 и 2. Как видно из формулы (2), для участков электрической цепи, не содержащих эдс, электрическое напряжение равно разности потенциалов в точках 1 и 2. Если на участке электрической цепи от точки 1 к точке 2 протекает электрический ток силой I I I , то электрическое напряжение определяется по закону Ома : U 12 = I R U_=IR U 12 = I R , где R R R – электрическое сопротивление участка электрической цепи между точками 1 и 2. Под электрическим напряжением на зажимах гальванического элемента, батареи или аккумулятора понимают не величину U 12 U_ U 12 , определяемую формулами (1) или (2), а модуль разности потенциалов ∣ φ 1 − φ 2 ∣ |φ_1-φ_2| ∣ φ 1 − φ 2 ∣ (он равен эдс ε 12 ε_ ε 12 в случае, когда сила тока равна нулю – цепь разомкнута).
Термин «электрическое напряжение» применяют при описании процессов в электрических цепях не только постоянного , но и переменного тока. В случае переменного тока электрическое напряжение характеризуется действующим (эффективным) значением
U эфф = U 12 2 ( t ) ‾ , U_ = sqrt<overline(t)>>, U эфф = U 12 2 ( t )
, где черта сверху означает усреднение по периоду колебаний .
Электрическое напряжение измеряют с помощью вольтметров постоянного и переменного тока. Единица измерения электрического напряжения в Международной системе единиц СИ (SI) – вольт (В).
Опубликовано 13 июня 2023 г. в 16:45 (GMT+3). Последнее обновление 13 июня 2023 г. в 16:45 (GMT+3). Связаться с редакцией
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.
Методы расчета
На практике редко приходилось именно вычислять величину напряжения цепи – чаще всего она просто замеряется вольтметров или универсальным измерительным прибором. Но иногда все же приходится делать некоторые расчеты. Тогда применяется известная формула Ома.
Например, представим ситуацию:
- В цепи есть светильник сопротивлением 10 Ом.
- Известно, что сила тока в сети составляет 3 А.
- Требуется рассчитать потенциал батареи, от которой питается лампа.
- Подставив значения в формулу, получим = 10 × 3 = 30 В.
Аналогичным образом можно определить любой из 3-х параметров, зная 2 других.
Электрическое напряжение в цепи
Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.
Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (UQ). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу.
Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.
Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.
Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении
У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.
При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.
Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:
то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.
В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.
Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:
Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.
Определение электрического напряжения
Работа A, совершенная электрическим полем по перемещению электрического заряда q, равна:
где величина U называется электрическим напряжением. Если электрический заряд равняется 1 Кл (кулону), то согласно формулы (1) напряжение будет в точности равно работе по перемещению единичного заряда.
Единица измерения напряжения
Единица напряжения называется вольт. Эта физическая величина получила свое название в честь выдающегося итальянского физика Алессандро Вольта, изучавшего природу электрических явлений.
Алессандро Вольта первым придумал и изготовил источник постоянного тока, прототип сегодняшних “батареек”, которыми люди повсеместно пользуются в быту и на производстве. Источником зарядов были химические реакции. Свое изобретение Вольта назвал гальваническим элементом в честь своего коллеги, замечательного ученого Луиджи Гальвани.
В международной интернациональной системе единиц СИ вольт обозначается заглавной латинской буквой V, а в нашей стране для этого используется буква русского алфавита В.
Воспользовавшись формулой (1) и размерностями величин для работы (Джоуль) и заряда (Кулон), получим размерность для единицы напряжения:
На практике, для удобства, кроме вольта часто используются кратные единицы, когда напряжение либо много меньше одного вольта, либо много больше:
- Микровольт: 1 мкВ=0,000001 В;
- Милливольт: 1 мВ=0,001 В;
- Киловольт: 1 кВ=1000 В.
Свойства напряжения
Напряжение в электрической цепи обладает несколькими важными свойствами, которые помогают нам понять его роль и применение в технике. Рассмотрим некоторые из этих свойств:
Напряжение создает электрическое поле
Когда в электрической цепи есть напряжение, оно создает электрическое поле вокруг проводников. Электрическое поле является областью, где действуют электрические силы на заряды. Это свойство напряжения позволяет нам управлять движением зарядов в цепи и использовать его для передачи энергии и информации.
Напряжение вызывает ток
Напряжение в электрической цепи вызывает ток – движение зарядов. Когда в цепи есть разность потенциалов (напряжение), заряды начинают двигаться от области с более высоким потенциалом к области с более низким потенциалом. Это свойство напряжения позволяет нам использовать электрическую энергию для работы устройств и систем.
Напряжение может быть постоянным или переменным
Напряжение может быть постоянным (DC) или переменным (AC). Постоянное напряжение имеет постоянную величину и направление, в то время как переменное напряжение меняется со временем и имеет периодическую форму. Это свойство напряжения определяет его применение в различных устройствах и системах.
Напряжение можно измерить в вольтах
Единицей измерения напряжения является вольт (В). Вольт – это единица измерения электрического потенциала или разности потенциалов. Измерение напряжения позволяет нам определить, сколько энергии может быть передано или использовано в электрической цепи.
Напряжение может быть увеличено или уменьшено с помощью трансформаторов
Трансформаторы – это устройства, которые позволяют увеличивать или уменьшать напряжение в электрической цепи. Они работают на основе принципа электромагнитной индукции и позволяют нам адаптировать напряжение к требуемым значениям в различных устройствах и системах.
Эти свойства напряжения являются основой для понимания его роли и применения в электрической технике. Понимание этих свойств помогает нам эффективно использовать напряжение для работы устройств, передачи энергии и выполнения различных задач в технических системах.
Виды напряжения
В электротехнике существует несколько видов напряжения, которые отличаются своими характеристиками и применением. Рассмотрим некоторые из них:
Постоянное напряжение (DC)
Постоянное напряжение (DC) имеет постоянную величину и направление. Оно не меняется со временем и обычно используется в устройствах, которым требуется стабильное и постоянное электрическое питание. Примером постоянного напряжения является напряжение от батареи или аккумулятора.
Переменное напряжение (AC)
Переменное напряжение (AC) меняется со временем и имеет периодическую форму. Оно используется в электрической сети для передачи энергии на большие расстояния. Переменное напряжение имеет частоту, которая измеряется в герцах (Гц). В большинстве стран частота сети составляет 50 или 60 Гц.
Пульсирующее напряжение
Пульсирующее напряжение имеет форму пульсаций или импульсов, которые повторяются с определенной частотой. Этот тип напряжения часто встречается в электронных устройствах, таких как источники питания или блоки питания. Пульсирующее напряжение может быть постоянным или переменным в зависимости от конкретного устройства.
Высокое напряжение (HV)
Высокое напряжение (HV) обычно используется в электроэнергетике и электротехнике для передачи энергии на большие расстояния. Оно имеет очень высокую величину, обычно в диапазоне от нескольких киловольт до нескольких мегавольт. Высокое напряжение позволяет уменьшить потери энергии при передаче и обеспечить эффективную работу системы.
Низкое напряжение (LV)
Низкое напряжение (LV) обычно используется в домашних и коммерческих электрических системах. Оно имеет низкую величину, обычно не превышающую несколько сотен вольт. Низкое напряжение безопасно для использования и позволяет подключать различные устройства и электронику в домашней среде.
Это лишь некоторые из видов напряжения, которые используются в электротехнике. Каждый вид напряжения имеет свои особенности и применение в различных устройствах и системах. Понимание этих видов напряжения помогает нам выбирать правильное напряжение для конкретных задач и обеспечивать эффективную работу электрических систем.
Как измеряется
Для измерения напряжения используется вольтметр. Его принцип работы заключается в том, что ток, который появляется при подключении к источнику питания, вертит стрелку прибора. То, насколько сильно стрелка будет перемещаться, зависит от величины напряжения. Если она не двигается, значит, оно отсутствует.
Обозначение на схемах
Источники напряжения обозначаются на схемах одним из знаков, изображенных на рисунке ниже.
Обозначение источников на схемах
Источник всегда обладает двумя полюсами, которые обозначаются плюсом и минусом. Направление напряжения показывает стрелка, возле которой размещаются буквы UQ. Оно идет от положительного полюса к отрицательному.
Комбинацией букв UR указывается напряжение на резисторе (элементе эл. цепи). Направление стрелки возле резистора указывает на техническое направление тока, то есть, на движение положительно заряженных частиц. Напряжение холостого тока получают на выходе источника, к которому не подключен ни один прибор.
