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 и ток (Физика) — Binogi Россия
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
Электрическое напряжение
Мы знаем, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Это движение создается электрическим полем, которое при этом совершает работу.
Работу электрического поля, создающего ток, называют работой тока:
Эта работа может быть разной на разных участках цепи, но на каждом из них она пропорциональна заряду, проходящему через него. Физическая величина, показывающая, какую работу совершает на данном участке ток при перемещении по этому участку заряда 1 Кл, называется электрическим напряжением (или просто напряжением) на этом участке.
Пусть, например, при перемещении вдоль участка цепи заряда q = 2 Кл была совершена работа A = 10 Дж. Для перемещения заряда 1 Кл потребовалась бы работа, в 2 раза меньшая. Разделив 10 Дж на 2 Кл, получим 5 Дж/Кл. Это и есть напряжение на данном участке. Обозначается оно буквой U:
Итак, чтобы найти напряжение U на данном участке цепи, надо работу тока A разделить на заряд q, прошедший по этому участку.
U = A/q (11.1)
Единица электрического напряжения называется вольтом (В) в честь А. Вольты, сконструировавшего первый источник тока. 1 В — это такое напряжение, при котором электрическое поле при перемещении вдоль участка цепи заряда 1 Кл совершает работу 1 Дж. Если же, например, напряжение на каком-то участке равно 10 В, то это означает, что при перемещении по нему заряда 1 Кл совершается работа 10 Дж.
Кроме вольта, на практике применяют и другие (кратные и дольные) единицы напряжения, например киловольт и милливольт:
1 кВ= 1000 В, 1 мВ=0,001 В.
Прибор для измерения напряжения называется вольтметром. Существуют разные конструкции вольтметров. Школьный демонстрационный вольтметр изображен на рисунке 30. На этом же рисунке приведено его условное обозначение.
При включении вольтметра в цепь необходимо соблюдать следующие правила:
1) зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение (параллельно соответствующему участку цепи);
2) клемму вольтметра со знаком « + » следует соединять с той точкой участка цепи, которая соединена с положительным полюсом источника тока, а клемму со знаком «–» — с точкой, которая соединена с отрицательным полюсом источника тока.
Если требуется измерить напряжение на источнике тока, то вольтметр присоединяют непосредственно к его зажимам (рис. 31). В других случаях, например при измерении напряжения на лампе, это делают так, как показано на рисунке 32.
. 1. Что такое электрическое напряжение? Какой буквой оно обозначается? 2. По какой формуле находится напряжение? 3. Как называется единица напряжения? Как она обозначается? 4. Как называется прибор для измерения напряжения? Как он обозначается на схемах? 5. Какими правилами следует руководствоваться при включении вольтметра в цепь? 6. Как следует понимать выражение: «На концах данного участка цепи напряжение равно 3 В»?
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.
Ваш браузер не поддерживается
Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.
Установить новый браузер
- Google Chrome
Скачать
Яндекс Браузер
Скачать
Opera
Скачать
Firefox
Скачать
Microsoft Edge
Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой
Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК
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.
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.
