Пробовали ли вы когда-нибудь надувать воздушные шарики на время? Один надувает быстро, а другой за это же время надувает гораздо меньше. Без сомнения, первый совершает большую работу, чем второй.
Рис. (1). Надувание шара
С источниками напряжения происходит точно так же. Чтобы обеспечить движение частиц в проводнике, надо совершить работу. И эту работу совершает источник. Работу источника характеризует напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет гореть лампочка в цепи (при других одинаковых условиях).
Рис. (2). Лампа в цепи
Напряжение равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда
к величине перемещаемого заряда на участке цепи.
U=Aq
, где (U) — напряжение, (A) — работа электрического поля, (q) — заряд.
Обрати внимание!
Единица измерения напряжения в системе СИ — [(U)] = (1) B (вольт).
(1) вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, равного (1) Кл, совершается работа, равная (1) Дж: (1) В (= 1) Дж/1 Кл.
Все видели надпись на домашних бытовых приборах «(220) В». Она означает, что на участке цепи совершается работа (220) Дж по перемещению заряда (1) Кл.
Кроме вольта, применяют дольные и кратные ему единицы — милливольт и киловольт.
(1) мВ (= 0,001) В, (1) кВ (= 1000) В или (1) В (= 1000) мВ, (1) В (= 0,001) кВ.
Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр.
Обозначаются все вольтметры латинской буквой (V), которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.
Рис. (3). Обозначение вольтметра
В школьных условиях используются вольтметры, изображённые на рисунке:
Рис. (4). Вольтметры
Основными элементами вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный — плюс, черный (синий) — минус. Сделано это с той целью, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключённым к источнику.
Обрати внимание!
В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.
Рис. (5). Электроцепь с подключенным вольтметром и амперметром
Включая вольтметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность.
Сборку электрической цепи лучше начинать со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в самом конце.
Вольтметры делятся на приборы постоянного тока и переменного тока.
Если прибор предназначен для цепей переменного тока, то на циферблате принято изображать волнистую линию. Если прибор предназначен для цепей постоянного тока, то линия будет прямой.
Таблица (1). Вольтметры
|
Рис. (6). Вольтметр постоянного тока |
Рис. (7). Вольтметр переменного тока |
|
|
|
|
|
|
Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («(+)» и «(-)»), то это прибор для измерения постоянного напряжения.
Иногда используют буквы (AC/DC). В переводе с английского (AC) (alternating current) — переменный ток, а (DC) (direct current) — постоянный ток.
В цепь переменного тока включается вольтметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.
Рис. (8). Электроцепь с переменным источником тока
Обрати внимание!
Для измерения напряжения можно использовать и мультиметр.
Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.
Рис. (9). Мультиметр
Следует помнить, что высокое напряжение опасно.
Что будет с человеком, который окажется рядом с упавшим оголённым кабелем, находящимся под высоким напряжением?
Так как земля является проводником электрического тока, вокруг упавшего оголённого кабеля, находящегося под напряжением, может возникнуть опасное для человека шаговое напряжение.
При попадании под шаговое напряжение даже небольшого значения возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног. Обычно человеку удаётся в такой ситуации своевременно выйти из опасной зоны.
Обрати внимание!
Однако нельзя выбегать оттуда огромными шагами, шаговое напряжение при этом только увеличится! Выходить надо обязательно быстро, но очень мелкими шагами или скачками на одной ноге!
Существует много знаков, предупреждающих о высоком напряжении. Вот некоторые из них.
Рис. (10). Предупреждающие об опасности знаки
Источники:
Рис. 5. Электроцепь с подключенным вольтметром и амперметром. © ЯКласс.
Рис. 8. Электроцепь с переменным источником тока. © ЯКласс.
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.
От чего зависит работа тока?
Логично предположить, что работа тока будет зависеть от того, какой заряд протекает по цепи за определенное время. То есть, работа тока будет зависеть от силы тока.
Проверим это на простом опыте. Соберем цепь, состоящую из ключа, источника тока, амперметра и подключенной к проводам натянутой никелевой проволоки (рисунок 1).
Используя один источник тока, в цепи была определенная сила тока. Проволока нагрелась.
Если же мы заменим источник тока, который даст нам большую силу тока, чем предыдущий, то заметим определенные изменения. Наша проволока нагревается намного сильнее. Вот вам наглядное доказательство того, что тепловое действие (а значит, и работа тока) проявляется сильнее с увеличением силы тока в цепи.
Но дело в том, что сила тока — не единственная характеристика, от которой зависит работа тока. Другая (и не менее важная) величина называется электрическим напряжением или просто напряжением.
Электрическое напряжение
Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле.
Обозначается электрическое напряжение буквой $U$.
Давайте рассмотрим опыт, который наглядно нам покажет, как же эта величина может описать нам электрическое поле.
Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, источника тока, электрической лампы и амперметра. За источник тока возьмем небольшую батарейку (гальванический элемент), а электрическую лампу возьмем от карманного фонарика (рисунок 2).
А теперь соберем похожую цепь. Заменим лампочку от фонарика большой лампой для освещения помещений. Батарейку тоже заменим. Теперь источником тока у нас является городская осветительная сеть (рисунок 3).
Взгляните на показания амперметров в этих двух цепях. Они одинаковы!
Сила тока в цепях одинакова, но ведь большая лампа дает намного больше света и тепла, чем маленькая лампочка от фонарика. Вот здесь и появляется наша новая величина — напряжение.
Связь работы тока и напряжения
Проведенные нами опыты объясняются следующим.
При одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного $1 space Кл$, различна.
Получается, что эта работа тока и определяет нашу новую физическую величину — электрическое напряжение.
Теперь мы может объяснить до конца наши опыты. Напряжение, которое создается батарейкой в первой цепи, меньше напряжение городской осветительной сети. Поэтому лампа, подключенная к сети, дает больше света и тепла. При этом сила тока в обеих цепях одинакова. Вся причина различий — в создаваемом напряжении.
Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Формула для расчета напряжения
Если мы знаем работу тока $A$ на рассматриваемом участке цепи и весь электрический заряд $q$, который прошел по нему, то мы можем рассчитать напряжение $U$. По физическому смыслу, мы определим работу тока при перемещении единичного электрического заряда.
$U = frac{A}{q}$
Напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.
Из этой формулы мы также будем использовать два ее следствия:
$A = Uq$,
$q = frac{A}{U}$.
Это интересно: факты об электричестве и напряжении
Единица измерения напряжения
Если единица силы тока была названа в честь ученого, то и с единицей измерения напряжения у нас такая же история.
Она названа вольтом в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (рисунок 4).
Единица напряжения — это такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в $1 space Кл$ по этому проводнику равна $1 space Дж$:
$1 space В = 1 frac{Дж}{Кл}$.
Дольные и кратные единицы напряжения
Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике? Это дольные и кратные единицы вольта: милливольт ($мВ$) и киловольт ($кВ$).
$1 space мВ = 0.001 space В$,
$1 space кВ = 1000 space В$.
Значение напряжения для некоторых устройств и природных явлений
В таблице 1 представлены для ознакомления некоторые значения напряжения.
| Устройство | $U$, $В$ |
| Гальванический элемент | 1,25 |
| Городская электросеть | 220 |
| Электролампы | 20 — 250 |
| Телевизор | 100 — 600 |
| Холодильник | 150 — 600 |
| Компьютер | 400 — 750 |
| Утюг | 500 — 2000 |
| Электромоторы | 550 — 1700 |
| Обогреватель | 1000 — 2400 |
| Кондиционер | 1000 — 3000 |
| Циркулярная пила | 1800 — 2100 |
| Насос высокого давления | 2000 — 2900 |
| Линии высоковольтной электропередачи (ЛЭП) | 500 000 |
| Разряд молнии | До 1 000 000 |
Опасные и безопасные значения напряжения
Все знают, что большое (высокое) напряжение опасно для жизни. Проведем простую аналогию для лучшего понимания.
Например, напряжение между проводом высоковольтной линии передачи и землей составляет $100 space 000 space В$. Соединим этот провод с землей. Получается, что при прохождении по нему заряда всего в $1 space Кл$ совершается работа в $100 space 000 space Дж$. Такая же работа будет совершена грузом массой $1000 space кг$, если он упадет с высоты в $10 space м$. Похожие разрушения, может вызывать высокое напряжение.
Обычно безопасным считают напряжение не более $42 space В$. Такое напряжение создают, например, гальванические элементы.
Наверное, многие помнят, как в детстве родители запрещали засовывать пальцы в розетку. Да и разбирать самостоятельно лучше не стоит. Доверять такие работу лучше специалистам. Почему? Ток в такой сети идет от генераторов, и напряжение обычно составляет $220 space В$. Такое напряжение может нанести существенный вред здоровью.
Примеры задач
Задача №1
При нормальном режиме работы тостера сила тока в его электрической цепи равна $6 space А$. Напряжение в сети составляет $220 space В$. Найдите работу электрического тока в цепи за $5 space мин$.
Дано:
$t = 5 space мин$
$I = 6 space А$
$U = 220 space В$
СИ:
$t = 300 space с$
$A — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Запишем формулу для определения напряжения и выразим из нее работу:
$U = frac{A}{q}$,
$A = Uq$.
Как найти электрический заряд? Запишем формулу для расчет силы тока и выразим заряд из нее:
$I = frac{q}{t}$,
$q = It$.
Подставим это в формулу для расчета работы электрического тока:
$A = Uq = UIt$.
Рассчитаем эту величину:
$A = 220 space В cdot 6 space А cdot 300 space с = 396 space 000 space Дж = 396 space кДж$.
Ответ: $A = 396 space кДж$.
Задача №2
На рисунке 5 представлены графики зависимости работы электрического поля (тока) $A$ от перемещаемого заряда $q$ по двум проводникам. Используя график, вычислите напряжение между концами каждого проводника.
На графике выберем удобные для нас точки с точными значениями заряда и работы. Для графика $I$ выберем точку со значениями $q = 0.35 space Кл$ и $A = 70 space Дж$. Для графика $II$: $q = 0.35 space Кл$ и $A = 40 space Дж$. Запишем условие задачи и решим ее.
Дано:
$q_1 = q_2 = 0.35 space Кл$
$A_1 = 70 space Дж$
$A_2 = 40 space Дж$
$U_1 — ?$
$U_2 — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитывать напряжения для данных проводников будем по формуле $U = frac{A}{q}$.
$U_1 = frac{A_1}{q_1} = frac{70 space Дж}{0.35 space Кл} = 200 space В$.
$U_2 = frac{A_2}{q_2} = frac{40 space Дж}{0.35 space Кл} approx 114 space В$.
Ответ: $U_1 = 200 space В$, $U_2 approx 114 space В$.
Одним из самых фундаментальных терминов в электротехнике является термин «электрическое напряжение». В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.
Объяснение простыми словами
Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные — на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.
Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».
Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила для электрического заряда.
Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.
Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):
Напряжение — это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.
Сравнение с использованием модели протекания воды.
Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.
В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.
Формула
Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид
U = R * I .
Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).
Другая формула для расчета электрического напряжения такова:
U = P / I .
То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.
Единица измерения электрического напряжения
Единицей измерения электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского учёного А. Вольта).
1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.
[U] = 1 В
Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.
В электротехнике напряжение может варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10-6 В) и миливольт (1 мВ = 10-3 В), до киловольт (1 кВ = 1 * 103 В) и мегавольт (1 МВ = 106 В)
Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:
1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 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:
UQ = U1 + U2 + U3
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:
UQ = U1 = U2 = U3
Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.
Измерение электрического напряжения
Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.
Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).
Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.
Примеры типовых значений электрического напряжения
Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.
| Светодиод | 1,2 — 1,5 В |
| Зарядное устройство USB | 5 В |
| Напряжение автомобильного аккумулятора | 12, 4 — 12,8 В |
| Напряжение в розетке (среднеквадратичное или действующее значение) | 230 В |
| Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) | 60 кВ — 1 МВ |
Вы можете видеть, что на высоковольтных линиях присутствует напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для того, чтобы уменьшить потери в длинных линиях.
Решающим фактором для потребителя является мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения с помощью формулы:
P = U * I
Это означает, что электрический ток I так же важен для потребителя, как и электрическое напряжение. Согласно закону Ома, зависимость между током и напряжением имеет вид:
U = R * I .
Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, которые заполнены одинаковым количеством воды. Каждый бассейн имеет слив, который различается по сечению, т.е. в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом — очень большая.
Постоянное электрическое напряжение можно определить по тому, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Если сечение сливной трубы больше, то сопротивление меньше и, соответственно, может протекать больший ток.
Мы уже познакомились с действиями электрического тока.
При тех или иных действиях ток совершал работу, причём эта работа зависела не
только от самой силы тока, но и от электрического поля. У электрического поля
есть характеристика, которую называют электрическим напряжением.
Находясь в помещении при электрическом свете, мы иногда замечаем, что лампы
начинают тускнеть, а потом снова становятся яркими. Мы говорим, что это был
скачок напряжения. Чем объяснить то, что лампочки тускнеют? Ведь через них
проходит ток одинаковой величины, но они светят по-разному. Дело в том, что ток
совершает разную работу при разном напряжении, поэтому при понижении напряжения
лампочка отдаёт меньше энергии, т.е. светит менее ярко и от неё исходит меньше
тепла.
Итак, поскольку ток одинаковый, мы знаем, что за
одинаковое время через лампочку проходит одинаковый заряд, но совершается
различная работа. Значит, напряжение показывает, какую работу совершает
электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной
точки в другую.
Электрическое напряжение — это отношение
работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому
участку:
Напряжение измеряется в вольтах:
Напряжение можно сравнить с давлением в трубах, ток —
с течением, а заряд — с количеством воды: для подачи одного и того же
количества воды на первый и на пятый этажи требуется совершить различную
работу, т.е. давление должно быть больше, чтобы подать воду на пятый этаж.
Поэтому, когда в трубах нет давления, вода не течет, так же как и ток не будет
течь в электрической цепи без напряжения.
Упражнения.
Задача 1. При
перемещении заряда, равного 5 Кл, током была совершена работа 300 Дж. Каково
напряжение на данном участке цепи?
Задача 2. В
цепи, находящейся под напряжением 220 В, электрический ток совершил работу 8 кДж
за 3 мин. Какова сила тока в этой цепи?
Задача 3. Известно,
что цепь построена так, что электрический ток совершает одинаковую работу в
каждый момент времени. Как изменится напряжение, если ток увеличить вдвое?
Электрическое напряжение. Единицы напряжения. Измерение напряжения.
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем, а оно при этом совершает работу. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.
Работа тока зависит от силы тока, то есть от электрического заряда, протекающего по цепи в 1 с. Работа силы тока зависит также от напряжения.
Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Напряжение U равно отношению работы тока A на данном участке к электрическому заряду q, прошедшему по данному участку.
где U – напряжение, А — работа тока, q – электрический заряд.
Единица напряжения называется Вольт, обозначается В.
За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж.
1 В = 1 Дж/Кл
Используют также другие единицы напряжения: милливольт (мВ) и киловольт (кВ)
1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В
Для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи применяют прибор, называемый вольтметром.
Зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение. Такое включение прибора называется параллельным.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника: во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нем.
Конспект составлен на основании теоретического материала учебника «Физика 8 класс» А.В. Перышкин
Скачать конспект:
