Site Loader

Содержание

Что такое Электрическое напряжение — Определение, измерение

Большинство людей в быту могут оперировать таким понятием как электрическое напряжение. Практически все знают, что бытовая розетка находится под напряжением 220В, а пальчиковая батарейка выдает напряжение всего в 1.5В. При этом далеко не каждый человек, окончивший среднюю школу или даже технический ВУЗ в состоянии ответить, что же все-таки означает термин электрическое напряжение. В этом материале мы постараемся ответить на этот вопрос, по возможности не прибегая к сложной математике.

Определение электрического напряжения

В учебниках по физике и электротехнике можно встретить разные определения электрического напряжения. Одно из них звучит следующим образом: электрическое напряжение между двумя точками пространства равно разности потенциалов электрического поля в этих точках. Математически это записывается так:

U=φ_a-φ_b (1).

Где U – электрическое напряжение, а φ_a и φ_b потенциалы электрического поля в точках A и B соответственно.

Если мы не знаем что такое потенциал электрического поля в точке, то приведенное выше определение мало проясняет вопрос, что же такое электрическое напряжение. Под потенциалом электрического поля в точке понимают работу, по перемещению единичного заряда совершаемую электрическим полем из данной точки в точку с нулевым потенциалом. На первый взгляд определение электрического потенциала кажется довольно сложным. Например, не совсем понятно, где находится точка с нулевым потенциалом.

 Для начала нужно запомнить, что электрический потенциал это работа по переносу единичного заряда. Если обратиться к формуле (1) то станет ясно, что электрическое напряжение не что иное, как разность двух работ. То есть электрическое напряжение, тоже есть работа. Отсюда мы приходим ко второму определению. Электрическое напряжение численно равно работе по переносу единичного электрического заряда из точки А в точку В. При этом φ_a и φ_b это потенциальная энергия которой обладает единичный заряд в точках А и В соответственно.

Для лучшего понимания изложенного выше можно привести следующую аналогию. Любое тело, находящееся на некотором расстоянии от Земли обладает потенциальной энергией. Для того чтобы поднять тело выше придется выполнить некоторую работу. Величина этой работы будет равна разности потенциальных энергий, которыми обладает тело на разной высоте. Похожую картину мы наблюдаем, когда мы имеем дело с электрическим полем.

Что касается точки пространства, в которой электрический заряд обладает нулевым электрическим потенциалом, то в теории электричества эту точку можно выбрать произвольно. Связанно это с тем, что электрическое поле «потенциально». Чтобы прояснить этот термин придется прибегнуть к высшей математике, а мы решили этого избежать. На практике специалисты в области электротехники в качестве точек с нулевым потенциалом часто выбирают поверхность Земли. И многие измерения выполняют относительно нее.

Электрические поля могут быть постоянными (неизменными во времени) и переменными. Переменные электрические поля могут изменяться по различным математическим законам. В технике чаще всего используются переменные электрические поля, которые изменяются по закону синуса. В случае переменного электрического поля мгновенное значение разности потенциалов между двумя точками можно вычислить по следующей формуле:

u(t)=U_m  sin⁡〖(ωt)〗 (2).

Здесь u – мгновенное значение напряжения; Um – максимальное значение напряжения; ω – частота, t – время.

Измерение электрического напряжения


Электрическое напряжение измеряют с помощью вольтметров. Для измерения напряжения (разности потенциалов) на участке электрической цепи щупы вольтметра подключают к концам этого участка и по шкале считывают показания прибора.

Существует множество типов вольтметров. Мы остановимся на аналоговых вольтметрах с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Эти механизмы довольно часто применяют в щитовых вольтметрах и многофункциональных измерительных приборах – мультиметрах. Магнитоэлектрический электрический механизм представляет собой проволочную катушку, размещенную между полюсами магнита. Катушка подвешивается на спиральных пружинах обеспечивающих высокую чувствительность прибора. С катушкой связана указательная стрелка, с помощью которой осуществляется отсчет показаний на шкале прибора. Ниже на рисунке показано устройство магнитоэлектрического механизма.


Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность. С их помощью можно измерить напряжения составляющие сотые доли вольта. Для расширения пределов измерения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные сопротивления. Схема простейшего вольтметра постоянного тока показана на рисунке.


Одним из важнейших параметром вольтметра является его внутреннее сопротивление. Чем больше значение внутреннего сопротивления вольтметра, тем меньшую погрешность можно получить в процессе измерения. Для аналоговых вольтметров внутреннее сопротивление обычно составляет 20кОм на вольт. Если необходимо получить большее значение сопротивления для измерений применяют электронные вольтметры, цифровые или аналоговые.

Для измерения переменного напряжения в конструкцию вольтметров включают выпрямители, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное. Шкалы вольтметров для измерения переменного напряжения обычно градуируют в действующих (эффективных) значениях напряжения. Действующее значение переменного тока связано с максимальным следующим соотношением.

U=1/√2 U_m=0,707U_m (3)

Действующее значение удобно применять при вычислении мощности электрической цепи. Когда мы говорим, что в электрической розетке присутствует напряжение 220В, речь идет именно о действующем значении напряжения.

В коротком материале трудно рассказать обо всех нюансах связанных с электрическим напряжением и способах его измерения. Но мы надеемся, что текст окажется полезен читателю.

9.2 Электрическое напряжение — fizikalexcras

Интерактивное изложение материала по теме

Электрическое напряжение. Измерение напряжения  Подборка заданий «Электрическое напряжение, сила электрического тока»

Слайд-шоу «Солнечные батареи»
Слайд-шоу «Электрическое напряжение в природе»
Рисунок «Вольтметр» 
Подборка заданий «Электрическое напряжение, сила электрического тока»
Слайд-шоу «Опасное напряжение»
Слайд-шоу «Подключение приборов к электрической сети»

Напряжение электрического тока

 Электрический ток – это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока. Сила тока одинакова на всех участках цепи. Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи. Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, не совершая при этом большой работы. Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться. То есть в данном случае ток совершает большую работу.

Определение электрического напряжения

Определение: 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.

Напряжение  – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле по перемещению единицы заряда на данном участке цепи.  Постоянный ток: Напряжение.

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.  Электрическое напряжение

Напряжение на полюсах источника тока


Напряжение на полюсах источника тока 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.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается  параллельно нагрузке. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

сопротивления через силу тока и напряжение

Электротехника как область науки, занимающаяся использованием электроэнергии, в том числе ее получением, распределением и учетом, оперирует значениями тока, напряжения, мощности и сопротивления. Это основные величины. Кроме этого, имеется множество других характеристик и понятий, но в рамках данной статьи будут рассматриваться именно эти основополагающие понятия.

Многообразие устройств электротехники

Электрический ток

Согласно определению, ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц в среде. Такими частицами могут быть свободные электроны или ионы, частицы вещества, в которых число протонов в ядре не равно количеству электронов, то есть имеющие определенный заряд, положительный или отрицательный. Электроток может быть постоянный или переменный.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – это разность потенциалов на противоположных участках цепи. Точное определение понятия подразумевает работу по переносу электрического заряда между участками цепи.

Сопротивление

Любой проводник в цепи препятствует прохождению через себя тока. Данная характеристика определяет такую физическую величину, как сопротивление. Исходя из величины сопротивления, все вещества относят к проводникам или изоляторам. Точная граница весьма расплывчата, поэтому при некоторых условиях некоторые вещества можно отнести как к изоляторам, так и к проводникам. Участок электросхемы может иметь элемент с определенным значением величины, который именуется резистор.

Резисторы различных типов

Мощность

Скорость преобразования, передачи и потребления электрической энергии определяется мощностью.

Взаимосвязь параметров электрической цепи

Все параметры любой электрической цепи строго взаимосвязаны, поэтому в любой момент времени можно точно определить величину любого из них, зная остальные.

К сведению. Основополагающий закон, по которому производится большинство расчетов, – закон Ома, согласно которому сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению и прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов.

Закон Ома и его основатель

Формула напряжения тока закона Ома выглядит следующим образом:

I=U/R.

Так, цепь с большим напряжением пропускает больший ток, а при одинаковом напряжении ампераж будет больше там, где меньше сопротивление.

Принятые обозначения в формуле расчета напряжения и тока понятны во всем мире:

  • I – сила тока;
  • U – напряжение;
  • R – сопротивление.

Путем простейшего математического преобразования находится формула расчета сопротивления через силу тока и напряжение.

Кроме закона Ома, используется формула расчета мощности:

P=U∙I.

Символом P здесь обозначена мощность тока.

Любая схема может содержать участки, где имеется последовательное соединение, или есть элемент, подключенный параллельно. Расчеты при этом усложняются, но базовые формулы остаются одинаковыми.

Единицы измерения в формуле

Невозможно выполнять расчеты или измерения, не зная, какими величинами оперировать. Общепринятые обозначения, согласно международной системе измерения СИ:

  • Напряжение – Вольт. Обозначается символом В или V в англоязычной литературе;
  • Сила тока – Ампер. Обозначается символом А;
  • Электрическое сопротивление – Ом. Используется обозначение Ом или Ohm;
  • Электрическая мощность – Ватт. Обозначается как Вт или W.

Как работает закон в реальной жизни

Используя совместно формулу расчета мощности и закон Ома, можно производить вычисления, не зная одной из величин. Самый простой пример – для лампы накаливания известны только ее мощность и напряжение. Применяя приведенные выше формулы, можно легко определить параметры нити накаливания и ток через нее.

Лампа накаливания

Сила тока формула через мощность:

I=P/U;

Сопротивление:

R=U/I.

Такой же результат можно найти из мощности, не прибегая к промежуточным расчетам:

R=U2/P.

Аналогично можно вычислить любую величину, зная только две из них. Для упрощения преобразований имеется мнемоническое отображение формул, позволяющее находить любые величины.

Правило для запоминания расчетов

Внимательно посмотрев на формулы, можно заметить, что, если уменьшить напряжение на лампе в два раза, ожидаемая мощность не снизится аналогично в два раза, а в четыре, согласно формуле:

P=U2/R.

Это довольно распространенная ошибка среди далеких от электротехники людей, которые неправильно соотносят мощность и напряжение, а также их действие на остальные параметры.

Кстати. Сила тока, найденная через сопротивление и напряжение, справедлива как для постоянного, так и для переменного тока, если в ней не используются такие элементы, как конденсатор или индуктивность.

Облегчить расчеты можно, используя онлайн калькулятор.

Пример с обычной водой

Существуют вещества, которые можно отнести одновременно к проводникам и изоляторам. Самый простой пример – обыкновенная вода. Дистиллированная вода является хорошим изолятором, но наличие в ней практически любых примесей делает ее проводником. Особенно это относится к солям различных металлов. При растворении в воде соли диссоциируются на ионы, их наличие – прямой повод для возникновения тока. Чем больше концентрация солей, тем меньшим сопротивлением будет обладать вода.

Зависимость сопротивления воды от содержания солей

Для наглядности можно взять дистиллированную воду для приготовления электролита для автомобильных аккумуляторных батарей.  Опустив щупы омметра в воду, можно увидеть, что его показания велики. Добавление всего нескольких кристаллов поваренной соли через некоторое время вызывает резкое уменьшение сопротивления, которое будет тем меньше, чем больше соли перейдет в раствор.

По какой формуле определяется напряжение

Использование той или иной формулы напряжения электрического тока для вычисления зависит от того, какие величины известны:

  • Ток и сопротивление – U=I∙R;
  • Ток и мощность – U=P/I;
  • Мощность и сопротивление – U=√P∙R

Различные используемые величины

Кроме основных величин: вольт, ампер, ом, ватт, используют кратные, большие или меньшие. Для обозначений применяют соответствующие приставки:

  • Кило – 1000;
  • Мега – 1000000;
  • Гига – 1000000000;
  • Милли – 0.001.

Таким образом, получается:

  • Киловольт (кВ) – тысяча вольт;
  • Мегаватт (Мвт) – миллион ватт;
  • Миллиом (мОм) – одна тысячная Ом;
  • Гигаватт (ГВт) – тысяча мегаватт или миллиард ватт.

Как найти напряжение

Формула нахождения напряжения как разности потенциалов в электрическом поле:

U=ϕA-ϕB, где ϕAи ϕB – потенциалы в точках А и В, соответственно.

Также можно записать напряжение как работу по переносу единицы заряда из точки А в точку В в электрическом поле:

U=A/q, где q – величина заряда.

Работа тем больше, чем выше напряженность электрического поля Е, то есть сила, действующая на неподвижный заряд.

Потенциальную энергию заряда в электростатическом поле называют электростатический потенциал.

Гидравлическая аналогия

Чтобы легче усвоить законы электрических цепей, можно представить себе аналогию с гидравлической системой, в которой соединение насоса и трубопроводов образует замкнутую систему. Для этого нужны следующие соответствия:

  • Источник питания – насос;
  • Проводники – трубы;
  • Электроток – движение воды.

Без особых усилий становится понятнее, что чем меньше диаметр труб, тем медленнее по ним движется вода. Чем мощнее насос, тем большее количество воды он способен перекачать. При одинаковой мощности насоса уменьшение диаметра труб приведет к снижению потока воды.

Гидравлическая аналогия

Измерительные приборы

Для измерения параметров электрических цепей служат измерительные приборы:

  • Вольтметр;
  • Амперметр;
  • Омметр.

Наиболее часто используется класс комбинированных устройств, в которых переключателем выбирается измеряемая величина – ампервольтомметры или авометры.

Один из самых распространенных авометров

Типичные напряжения

Для стандартизации и возможности использования различного оборудования в быту и технике применяются электрические сети со стандартными значениями:

  • Бытовая сеть –220В;
  • Бортовая сеть автомобиля – 12 или 24В;
  • Батареи и аккумуляторы – 1.5, 3 или 9В.

Потенциал Гальвани

В электрохимии используется понятие потенциала Гальвани, который означает разность потенциала между различными фазами вещества, например, между электродом и электролитом, между электродами из разнородных металлов.

Видео

Формула электрического напряжения для новичков

Домашний мастер, затеявший ремонт бытовой проводки или электрического прибора, должен хорошо представлять электротехнические процессы, уметь проводить сложные расчеты. 

Самая простая формула электрического напряжения, выраженная для участка цепи, позволяет быстро выполнять такие вычисления. 

Я подготовил советы и рекомендации, которые помогут лучше запомнить сложные алгоритм. Рассчитываю, что вы станете правильно применять их на практике, зарекомендуете себя грамотными специалистами в глазах окружающих. 

Содержание статьи

Что такое напряжение и как его легко представлять

Мне нравится сравнение электрических процессов с более понятными механическими явлениями. Поэтому показываю такую картинку. 

Имеем какую-то горку с высотой h относительно начального уровня. На вершине стоит груз весом Р. Он не закреплён, может скатиться под действием совсем небольшого усилия, например, дуновения ветра. 

Но его нет, а если подует, то груз упадет на высоту h3. При этом им будет совершена работа, связанная с перемещением на расстояние h2. 

Такая же аналогия, на мой взгляд, действует в электротехнике. 

Рассматриваем два отличающихся потенциала φ1 и φ2, которые накопили разные материальные тела, например, облака при движении воздушных масс с противоположными знаками зарядов q. 

Они отделены слоем воздушной атмосферы, обладающей сопротивлением R, которое препятствует перемещению заряда q. 

Точно так же воробьи сидят на фазном проводе и даже аист сплел свое гнездо на столбе воздушной линии, как показано на верхней картинке. Но с ними пока ничего не происходит: от второго потенциала они отделены большим сопротивлением. 

Однако, под действием ветра груз Р может скатиться, а облака перемещаются относительно земли и друг друга: воздушная прослойка между ними изменяется. 

В какой-то момент времени разность потенциалов φ1-φ2 между заряженными телами пробьет сопротивление R и будет совершена работа по перемещению заряда q. 

Вот и получается определение формулировки напряжения U, как разность потенциалов φ1 и φ2 или работа А, совершаемая при переносе заряда q. 

Напряжение измеряется в вольтах специальными приборами — вольтметрами. Оно появляется на всех электрических схемах, где присутствуют разные потенциалы: 

  • проводах фазы и нуля домашней проводки при поданном питании от трансформаторной подстанции;  
  • шинах вводного щитка в дом или подъезд; 
  • контактных выводах любой заряженной аккумуляторной батареи либо гальванического элемента; 
  • выходных контактах включенного блока питания, зарядного устройства; 
  • многих других местах. 

Когда груз Р уже скатился вниз или произошел разряд потенциалов φ1 и φ2 между собой, то работа по перемещению зарядов произойти не сможет. В этом случае, если φ1-φ2=0, напряжение отсутствует. 

Допускаю, что опытного электрика такое мое объяснение не устроит из-за упрощений. Что ж: пишите в комментариях. Будем приходить к общему мнению. Ведь я изложил самые начальные знания для новичков. 

Виды напряжения в квартире простыми словами

А вот здесь надо ориентироваться на то, как образуются потенциалы зарядов электрической энергии. 

Как работают источники постоянного тока для бытовых приборов

На выходных клеммах элементов солнечных батарей или гальванических элементов, сборок из них накапливаются потенциалы зарядов противоположной полярности: положительные и отрицательные. Они образуют цепи постоянного напряжения. 

На графике времени его вычерчивают горизонтальной линией U, которая не меняет свою величину. 

Хотя в принципе это довольно условно: по мере разряда от приложенной нагрузки происходит снижение разности потенциалов (ничего вечного в нашей жизни не существует) и уровень сигнала со временем все же падает. Но, этим качеством при расчетах, как правило, пренебрегают. 

Как определить уровень напряжения

Если вернуться к определению термина, основанного на разности потенциалов или совершении работы по перемещению зарядов, то мы попадем в тупик: их простыми методами оценить невозможно.  

При практической работе с цепями постоянного тока пользуются измерением или вычислением электрических величин на основе известного закона Ома для участка цепи U = i * R.

Простой онлайн калькулятор, спроектированный для этих целей, значительно облегчает такие вычисления. К тому же он построен на использовании еще одной функции: мощности потребления прибора, включенного в шпаргалку электрика. 

Воспользоваться можете любым из указанных способов. Каждая приведенная формула электрического напряжения работает правильно. 

Цепи переменного тока в квартире: откуда приходят и как формируются

Электрическая энергия в дома и квартиры поступает от трансформаторных подстанций различного напряжения по линиям электропередач 0,4 киловольта (кВ). 

Как появляется напряжение в розетке

От трансформаторной подстанции электроэнергия подводится в квартиру по: 

  • двухпроводной схеме — система заземления TN-C; 
  • или трехпроводной — система заземления TN-S либо TN-C-S. 

У них используются разные алгоритмы защит в аварийных ситуациях. 

В первом случае обеспечивается меньшая электрическая безопасность. Когда возникает пробой изоляции бытового прибора на корпус, то, случайно оказавшийся поблизости человек получает электрическую травму: через его тело проходит опасный потенциал на контур заземления подстанции. 

Трёхпроводная схема электропроводки сразу обеспечивает отвод опасного потенциала через дополнительный контур защитного РЕ проводника. 

На этой картинке допущены некоторые упрощения, которые я использовал, чтобы не усложнять понимание процессов. О них будет идти речь в других статьях. 

Если отключить от розетки потенциал фазы или нуля, то совершить работу не получится: напряжения в ней не будет — отсутствует разность потенциалов.

Формулы расчета напряжения для переменного тока, приведенные в шпаргалке электрика, остаются действующими. Но, на практике требуется учитывать многие нюансы работы электроэнергии, схемы подключения оборудования, особенности прохождения частотных сигналов. 

Важные характеристики синусоиды для выполнения расчетов

Электроэнергию производят промышленные генераторы, работающие на принципе вращения ротора с витками изолированного провода (рамки) в магнитном поле статора. 

На их выводах создается синусоидальное напряжение симметричной переменной формы с гармоничными колебаниями. 

Синусоида характеризуется следующим параметрами: 

  • амплитудой; 
  • частотой или периодом колебаний; 
  • фазой. 

При этом под фазой понимают сдвиг угла между сигналами разных синусоид или относительно начала координат. 

Что такое действующее напряжение

При измерениях и вычислениях параметров синусоиды следует учитывать то обстоятельство, что ее величина постоянно изменяется по времени от нуля до максимального значения и обратно. 

Чтобы исключить ошибки и правильно вести расчет принято обозначение действующего напряжения. 

Его величина соответствует той работе, которую может выполнить одна полуволна гармоники. Ее приравнивают к действию постоянного тока за это же время Т/2. 

Для этого определяют площадь половины гармоники интегральным исчислением за полупериод. Приравнивают ее к прямоугольнику с такой же шириной. 

Далее вычисляют высоту, поделив площадь на ширину. Получается действующее значение напряжение. Оно в √2 или 1,41 раз меньше амплитудного синусоидального U max. 

Можно использовать и другую формулу расчета действующего напряжения на основе амплитудного: умножать его на 0,707. 

Все измерительные приборы — вольтметры работают за счет определения действующей величины напряжения, а не амплитудной.

Для сравнения: привычное нам значение 220 вольт является действующим, а амплитудное составляет 310. 

Что такое “импульсное напряжение”

В своей практике надо быть готовым к тому, что в бытовую проводку может проникнуть импульс перенапряжения от аварийного режима в системе электроснабжения, например, от удара молнии в воздушную линию. 

На ВЛ установлены специальные защиты от подобных случаев: разрядники. Они гасят полученные разряды, срабатывая в несколько ступеней. 

Но все равно такой импульс, хоть и пониженной величины, проникает по проводам в бытовые приборы. Он способен повредить их внутреннюю схему.

Для защиты от него используют УЗИП (устройства защиты от импульсного перенапряжения), которые рассчитывают и выбирают под местные условия. 

Как рассчитывать трехфазное напряжение

Промышленная передача электроэнергии использует три симметрично расположенных по времени синусоиды напряжения, которые вырабатывают генераторы. 

Три обмотки их ротора разнесены между собой на 120 градусов и вращаются в магнитном поле статора, поочередно пересекая его силовые линии. Поэтому у них наводится таким же образом смещенная электродвижущая сила. 

Синусоиды сдвинуты между собой на такой же угол, как показано правее. Их векторное выражение на комплексной плоскости тоже отображается с углом 120О

При этом формируется система линейных и фазных напряжений, показанная на картинке. 

Между всеми линейными проводами образуется разность потенциалов в 380 вольт. В то же время относительно каждого этого проводника и нулем присутствует так нам привычное 220. 

Такая система постоянно работает в сбалансированном режиме: токи однофазных потребителей циркулируют по своим замкнутым цепочкам, постоянно складываясь в нулевом проводнике. Сложение это не чисто арифметическое, а векторное, учитывающее направление потока энергии. 

Поэтому при геометрическом сложении векторов происходит снижение тока в проводе нуля и его, как правило, делают тоньше, чем остальные жилы.  

Формулы электрического напряжения для линейных и фазных величин, а также токов смотрите прямо на картинке. 

Обрыв нуля: как возникает и чем опасен

Нормальная работа электрооборудования происходит в сбалансированном режиме при нормально поданном напряжении на него. Если ноль пропадет, то бытовые приборы прекращают свою работу. 

Здесь есть важные отличия при эксплуатации проводки, собранной по схеме однофазного или трехфазного питания. 

Обрыв нуля в однофазной сети: опасность возникновения

Квартирная проводка подключается для подачи напряжения по двум проводам с потенциалами фазы и нуля (контура земли). Электрический ток нагрузки, совершающий полезную работу, может протекать только по замкнутому контуру. 

Это значит, что если один потенциал от обмотки трансформаторной подстанции не будет подведен к розетке или лампочке в квартире, то на них напряжения, а, следовательно, и работы не будет. 

Однако здесь есть особенность, связанная с безопасностью жильцов. 

Обычно розеточные группы собираются шлейфом при параллельном подключении между собой. В одну из них может быть вставлена вилка шнура питания какого-то прибора: холодильника, стиральной машины, микроволновки и т п. 

В такой ситуации через внутреннюю схему этого прибора потенциал фазы пройдет на контакт нуля розетку и дальше — к концу подключенного, но оборванного провода. 

Электрики говорят по этому поводу: две фазы в розетке! Их легко заметить однофазным индикатором напряжения. Его контрольная лампочка будет светиться в обоих контактных гнездах. 

Этот режим опасен тем, что оторванный конец не изолирован. Под действие вновь образованного потенциала может попасть человек, получить электрическую травму. 

Обрыв нуля в трехфазной сети и как от него защититься

Теперь еще раз внимательно посмотрим, как работает схема трехфазного подключения к квартирной проводке, приведенная выше. Разберем случай, когда оборван ноль не в однофазной цепи, а в общей питающей.  

 В этой ситуации до места обрыва практически ничего не изменяется: сформированная система напряжений 380/220 остается прежней. А вот внутри квартир происходят ну очень нехорошие вещи.  

Потребители остаются подключенными по схеме “звезды”. Но ее средняя точка, где был подвод нулевого потенциала, отсоединен от нейтрали трансформаторной подстанции. 

В итоге создаются новые контура последовательного подключения потребителей квартир к линейному напряжению 380, как я показал на правой картинке, взяв за основу сопротивления Rа и Rв.  

Теперь представим, что жильцы квартиры А очень бережливые. Они мало потребляют энергии, экономят деньги на ее оплате. При этом владелец второй квартиры B эксплуатирует большое количество бытовой техники. У него всегда высокое потребление. 

Другими славами электрика: сопротивление Rа и его мощность потребления близки к нулю, а Rв — завышены. 

Вместе они создали последовательную цепочку Rа+Rв, через которую потечет ток, вызванный приложенной разностью потенциалов 380 вольт. Этот общий ток по закону Ома на каждом сопротивлении создаст падение напряжения. (Перемножьте составляющие формулу величины). 

Все приборы в квартире подключены параллельно. Чем больше их в работе, тем выше суммарная мощность потребления и ниже сопротивление. По оборудованию обоих квартир течет один и тот же ток. К ним прикладывается напряжение, зависящее от сопротивления.

Получим, что к одной квартире будет приложено очень мало вольт, а к другой около максимального предела 380.

Что из этого следует:

  1. у экономного владельца к приборам будет приложено очень высокое напряжение порядка 380 В;
  2. во второй квартире электрооборудование станет запитано от очень низкого напряжения. Оно станет работать на износ или отключится.

Расточительный хозяин останется без света до устранения неисправности, а у бережливого выйдут из строя работающие электродвигатели, перегорят лампочки, блоки питания электронной аппаратуры и вся подключенная дорогостоящая техника.

Обрыв нуля в трехфазной сети на стороне питания энергоснабжающей организации очень опасен для бытовых потребителей. Но, от этого аварийного режима существует простая и эффективная защита — реле РКН.

Этот модуль очень быстро, за время роста первой четверти гармоники
напряжения, вычисляет неисправность и до окончания первого периода
колебания отключает питание с квартиры, разрывая цепи подвода
электроэнергии. 

За счет этого все электрооборудование обесточивается, остается в исправном состоянии. 

Кстати, формулы расчета электрического напряжения для этого случая я привел прямо на картинке. Пользуйтесь на здоровье, делайте правильные выводы для себя. 

Я постарался очень простенько объяснить сложные процессы, связанные с электричеством. Поэтому у вас могут появиться дополнительные вопросы. Задавайте их. Будем выяснять совместно.

Напряжение и электрическое сопротивление

В описании протекающих в электрической цепи процессов активно используются такие понятия, как ток, электрическое сопротивление, напряжение. Каждое из них имеет свои индивидуальные характеристики и выполняет определенную роль в электротехнике.

Электрический ток

При рассмотрении напряжения электрической цепи первоочередным является определение такого понятия, как электрический ток. Электроток характеризует заряженные частицы, пребывающие в одном из проводников в упорядоченном движении.

Для появления электротока будет предварительно сформировано электрическое поле, определенным образом воздействующее на заряженные частицы, приводя их в движение. Появление зарядов наблюдается при этом исключительно в случае тесных контактов разных веществ между собой.

Электроток, представляющий собой упорядоченное движение свободных зарядов, будет характеризоваться силой тока, равнозначной количеству зарядов, за единицу времени проходящих сквозь поперечное сечение проводника. Если за время $dt$ будет перенесен некоторый заряд $dq=dq+dq$ по сечению провода, ток будет определяться формулой:

$i=\frac{dq}{dt}=\frac{q}{t}$

Электрозаряды, согласно характеру своих проявлений, бывают:

  • положительные;
  • отрицательные.

Ток в теле, которое наэлектризовали, будет впоследствии существовать достаточно непродолжительное время, что обусловлено постепенным угасанием электрозаряда непроизвольным образом. Чтобы продлить существования тока в проводнике нужно будет обеспечить постоянную поддержку в нем электрического поля.

Определение 1

Напряжение в электроцепи представляет собой одну из базовых характеристик электротока. Током в физике называется упорядоченное перемещение электронов (т.е. заряженных частиц). Поле, формирующее такое перемещение, будет осуществлять определенные действия. Чем большее количество таких зарядов переместится за 1 секунду в цепи, тем больше работы выполнит тогда электрическое поле.

Напряжение в электрической цепи

Замечание 1

Чтобы появилось напряжение, понадобится источник тока. В ситуации с наличием разомкнутой цепи напряжение будет присутствовать исключительно на клеммах источника. После включения источника в цепь, ее отдельные участки будут отмечены появлением напряжения и тока. Напряжение можно измерять вольтметром, включенным параллельно в электрическую цепь.

Готовые работы на аналогичную тему

Электрический потенциал $ф$ выражен в формуле отношением энергии (работы) $Э$ электрического поля к единичному заряду $q_0$ (малый заряд без искажения поля после внесения. Формула будет такой: $dф=\frac{dЭ}{dq_0}=\frac{Э}{q_0}$

Электрическое напряжение считается разностью потенциалов между двумя точками электрополя (например, 1 и 2), что выражается формулами:

$U_12=ф_1-ф_2=\frac{dЭ_1}{q_0}-\frac{dЭ_2}{q_0}=\frac{dЭ_12}{q_0}$

$U_12=\frac{Э_12}{q_0}$

$U_21=-\frac{Э_12}{q_0}$

Электрическое сопротивление в цепи

Электрическое сопротивление считается в физике определяющей величиной непосредственно для силы тока, который течет по цепи при заданном напряжении. Под электрическим сопротивлением $R$ понимают отношение напряжения, появившегося на концах проводника, к силе тока, текущей по проводнику.

$R=\frac{U}{I}$. где:

  • $R$- электрическое сопротивление проводника;
  • $U$ будет напряжением;
  • $I$ силой тока

Для расчетов напряжений и токов, проходящих через элементы электроцепи, должен быть известным показатель общего сопротивления. Существуют источники энергии таких разновидностей: постоянный ток (в виде аккумуляторов, выпрямителей, батареек) и переменный ток (в формате бытовых и промышленных сетей). ЭДС в первом случае не изменяется со временем, во втором же она будет меняться на базе синусоидального закона с определенной частотой.

Существование сопротивления нагрузки известно в двух вариантах: реактивном и активном. В случае с активным сопротивлением $R$, оно не будет зависимым от частоты сети (ток изменяется синхронно с напряжением). Реактивное сопротивление делится на индуктивное и емкостное.

В качестве отличительной черты у реактивной нагрузки отмечают факт присутствия опережения или отставания электротока от напряжения. В емкостной нагрузке ток будет опережающим для напряжения, а вот в индуктивной – наоборот, — отстающим.

На практике это больше напоминает ситуацию с разряженным конденсатором, если его подключить к источнику постоянного тока и при этом подключении фиксировать максимальный объем тока, поступающего через него. Напряжение при этом минимальное.

Со временем будет наблюдаться сокращение количества тока, а напряжение при этом возрастет до заряда конденсатора. Если конденсатор подключается к источнику переменного тока, наблюдаем его постоянную перезарядку с частотой сети. Ток при этом будет опережать напряжение по темпам своего увеличения.

Формула и определение электрического напряжения в цепи в физике

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.

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).

Напряжение равно отношению работы электрического поля по перемещению зарядак 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.

В школьных условиях используются вольтметры, изображённые на рисунке:

 

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.

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.

Вольтметр постоянного тока 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.

Обрати внимание!

Для измерения напряжения можно использовать и мультиметр.

Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.

  • 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.

   

Безопасным напряжением для человека считается напряжение (42) В в нормальных условиях и (12) В в условиях с повышенной опасностью (сырость, высокая температура, металлические полы и др.).

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://class-fizika.narod.ru/8_29.htmhttp://interneturok.ru/ru/school/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/elektricheskoe-napryazhenie

http://kamenskih3.narod.ru/untitled74.htm

Источник: https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/elektricheskie-iavleniia-12351/elektricheskoe-napriazhenie-voltmetr-12361/re-9effb98b-8fe9-4eb7-9964-54c153a18241

Электрическое напряжение: определение, формулы и как измеряется

В данной статье мы подробно разберем что такое напряжение, как просто его представить и измерить.

Определение

Напряжение — это электродвижущая сила, которая толкает свободные электроны от одного атома к другому в том же направлении.

В первые дни электричества напряжение было известно как электродвижущая сила (ЭДС). Именно поэтому в уравнениях, таких как закон Ома, напряжение представлено символом Е.

Алессандро Вольта

Единицей электрического потенциала является вольт, названный в честь Алессандро Вольта, итальянского физика, жившего между 1745 и 1827 годами.

Алессандро Вольта был одним из пионеров динамического электричества. Исследуя основные свойства электричества, он изобрел первую батарею и углубил понимание электричества.

Представление напряжения

Легче всего понять напряжении, представив давлении в трубе. При более высоком напряжении (давлении) будет течь более сильный ток. Хотя важно понимать, что напряжение (давление) может существовать без тока (потока), но ток не может существовать без напряжения (давления).

Напряжение часто называют разностью потенциалов, потому что между любыми двумя точками в цепи будет существовать разница в потенциальной энергии электронов. Когда электроны протекают через батарею, их потенциальная энергия увеличивается, но когда они протекают через лампочку, их потенциальная энергия будет уменьшаться, эта энергия покинет цепь в виде света и тепла.

Возьмите, например, обычную 1,5-вольтовую батарею AA, между двумя клеммами (+ и -) есть разность потенциалов 1,5 Вольт.

Напряжение или разность потенциалов — это просто измерение количества энергии (в джоулях) на единицу заряда (кулона). Например, в 1,5-вольтовой батарее AA каждый кулон (заряд) будет получать 1,5 вольт или джоулей энергии.

  • Напряжение = [Джоуль ÷ Кулон]
  • 1 вольт = 1 джоуль на кулон
  • 100 вольт = 100 джоулей на кулон
  • 1 кулон = 6 200 000 000 000 000 000 электронов (6,2 × 10 18 )

В чем измеряется напряжение

Мы измеряем напряжение в единицах «Вольт», которые обычно обозначаются просто буквой «V» на чертежах и технической литературе. Часто необходимо количественно определить величину напряжения, это делается в соответствии с единицами СИ, наиболее распространенные величины напряжения, которые вы увидите:

  • мегавольт (мВ)
  • киловольт (кВ)
  • вольт (В)
  • милливольт (мВ)
  • микровольт (мкВ)

Напряжение всегда измеряется в двух точках с помощью устройства, называемого вольтметром. Вольтметры являются либо цифровыми, либо аналоговыми, причем последний является наиболее точным.

Вольтметры обычно встроены в портативные цифровые мультиметровые устройства, как показано ниже, они являются распространенным и часто важным инструментом для любого электрика или инженера-электрика.

Обычно вы найдете аналоговые вольтметры на старых электрических панелях, таких как распределительные щиты и генераторы, но почти все новое оборудование будет поставляться с цифровыми счетчиками в качестве стандарта.

Портативный цифровой мультиметр с функцией вольтметра

На электрических схемах вы увидите устройства вольтметра, обозначенные буквой V внутри круга, как показано ниже:

Расчет напряжения

В электрических цепях напряжение может быть рассчитано в соответствии с треугольником Ома. Чтобы найти напряжение (V), просто умножьте ток (I) на сопротивление (R).

Напряжение (V) = ток (I) * сопротивление (R)

V = I *R

Пример

  1. Ток в цепи (I) = 10 АСопротивление цепи (R) = 2 Ом
  2. Напряжение (V) = 10 А * 2 Ом
  3. Ответ: V = 20В

Резюме

  • Напряжение — это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому
  • Напряжение также известно как разность потенциалов
  • Напряжение измеряется в единицах «вольт» (В)
  • Батареи увеличивают потенциальную энергию электронов
  • Лампочки и другие нагрузки уменьшают потенциальную энергию электронов
  • Напряжение измеряется с помощью вольтметра
  • Напряжение цепи можно рассчитать путем умножения тока и сопротивления

Источник: https://meanders.ru/naprjazhenie.shtml

Что такое Электрическое напряжение — Определение, измерение

Большинство людей в быту могут оперировать таким понятием как электрическое напряжение. Практически все знают, что бытовая розетка находится под напряжением 220В, а пальчиковая батарейка выдает напряжение всего в 1.5В.

При этом далеко не каждый человек, окончивший среднюю школу или даже технический ВУЗ в состоянии ответить, что же все-таки означает термин электрическое напряжение.

В этом материале мы постараемся ответить на этот вопрос, по возможности не прибегая к сложной математике.

Определение электрического напряжения

В учебниках по физике и электротехнике можно встретить разные определения электрического напряжения. Одно из них звучит следующим образом: электрическое напряжение между двумя точками пространства равно разности потенциалов электрического поля в этих точках. Математически это записывается так:

U=φ_a-φ_b (1).

Где U – электрическое напряжение, а φ_a и φ_b потенциалы электрического поля в точках A и B соответственно.

Если мы не знаем что такое потенциал электрического поля в точке, то приведенное выше определение мало проясняет вопрос, что же такое электрическое напряжение.

Под потенциалом электрического поля в точке понимают работу, по перемещению единичного заряда совершаемую электрическим полем из данной точки в точку с нулевым потенциалом.

На первый взгляд определение электрического потенциала кажется довольно сложным. Например, не совсем понятно, где находится точка с нулевым потенциалом.

 Для начала нужно запомнить, что электрический потенциал это работа по переносу единичного заряда. Если обратиться к формуле (1) то станет ясно, что электрическое напряжение не что иное, как разность двух работ. То есть электрическое напряжение, тоже есть работа.

Отсюда мы приходим ко второму определению. Электрическое напряжение численно равно работе по переносу единичного электрического заряда из точки А в точку В. При этом φ_a и φ_b это потенциальная энергия которой обладает единичный заряд в точках А и В соответственно.

Для лучшего понимания изложенного выше можно привести следующую аналогию. Любое тело, находящееся на некотором расстоянии от Земли обладает потенциальной энергией.

Для того чтобы поднять тело выше придется выполнить некоторую работу. Величина этой работы будет равна разности потенциальных энергий, которыми обладает тело на разной высоте.

Похожую картину мы наблюдаем, когда мы имеем дело с электрическим полем.

Что касается точки пространства, в которой электрический заряд обладает нулевым электрическим потенциалом, то в теории электричества эту точку можно выбрать произвольно. Связанно это с тем, что электрическое поле «потенциально».

Чтобы прояснить этот термин придется прибегнуть к высшей математике, а мы решили этого избежать. На практике специалисты в области электротехники в качестве точек с нулевым потенциалом часто выбирают поверхность Земли.

И многие измерения выполняют относительно нее.

Электрические поля могут быть постоянными (неизменными во времени) и переменными. Переменные электрические поля могут изменяться по различным математическим законам.

В технике чаще всего используются переменные электрические поля, которые изменяются по закону синуса.

В случае переменного электрического поля мгновенное значение разности потенциалов между двумя точками можно вычислить по следующей формуле:

u(t)=U_m  sin⁡〖(ωt)〗 (2).

Здесь u – мгновенное значение напряжения; Um – максимальное значение напряжения; ω – частота, t – время.

Измерение электрического напряжения

Электрическое напряжение измеряют с помощью вольтметров. Для измерения напряжения (разности потенциалов) на участке электрической цепи щупы вольтметра подключают к концам этого участка и по шкале считывают показания прибора.

Существует множество типов вольтметров. Мы остановимся на аналоговых вольтметрах с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Эти механизмы довольно часто применяют в щитовых вольтметрах и многофункциональных измерительных приборах – мультиметрах.

Магнитоэлектрический электрический механизм представляет собой проволочную катушку, размещенную между полюсами магнита. Катушка подвешивается на спиральных пружинах обеспечивающих высокую чувствительность прибора. С катушкой связана указательная стрелка, с помощью которой осуществляется отсчет показаний на шкале прибора.

Ниже на рисунке показано устройство магнитоэлектрического механизма.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность. С их помощью можно измерить напряжения составляющие сотые доли вольта. Для расширения пределов измерения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные сопротивления. Схема простейшего вольтметра постоянного тока показана на рисунке.

Одним из важнейших параметром вольтметра является его внутреннее сопротивление. Чем больше значение внутреннего сопротивления вольтметра, тем меньшую погрешность можно получить в процессе измерения.

Для аналоговых вольтметров внутреннее сопротивление обычно составляет 20кОм на вольт.

Если необходимо получить большее значение сопротивления для измерений применяют электронные вольтметры, цифровые или аналоговые.

Для измерения переменного напряжения в конструкцию вольтметров включают выпрямители, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное. Шкалы вольтметров для измерения переменного напряжения обычно градуируют в действующих (эффективных) значениях напряжения. Действующее значение переменного тока связано с максимальным следующим соотношением.

U=1/√2 U_m=0,707U_m (3)

Действующее значение удобно применять при вычислении мощности электрической цепи. Когда мы говорим, что в электрической розетке присутствует напряжение 220В, речь идет именно о действующем значении напряжения.

В коротком материале трудно рассказать обо всех нюансах связанных с электрическим напряжением и способах его измерения. Но мы надеемся, что текст окажется полезен читателю.

Источник: https://Elektrika.ru/articles/elektroprovodka/elektricheskoe_napryazhenie/

Электрическое напряжение цепи

При описании протекающих в электроцепи процессов в электротехнике применяют такие понятия, как сопротивление, напряжение и ток. Каждому из этих понятий свойственны свои специфические характеристики, и они имеют соответствующее назначение.

Обязательным для протекания зарядов требованием считается наличие цепи (замкнутого контура, обеспечивающего все необходимые условия для их передвижения). При формировании разрыва внутри движущихся частиц их направленное перемещение резко прекращается.

По такому принципу работают все типы выключателей и используемые в электрике защиты. Они осуществляют разделение между собой за счет подвижных контактов токопроводящих частей. Это действие и способствует прерыванию процесса протекания электрического тока после отключения электроприбора.

Понятие электрического напряжения в физике

Электрическим током в физике считается направленное перемещение заряженных частиц, создаваемое электрополем, совершающим при этом определенную работу.

Определение 1

Работа создающего ток электрополя называется работой тока ($A$). Такая работа может на разных участках цепи отличаться, однако при этом она будет пропорциональной проходящему через него заряду.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • Физической величиной работы тока на конкретном участке при перемещении по нему заряда 1 Кл считается электрическое напряжение ($U$).
  • Для определения напряжения на отдельно взятом участке существует следующая формула:
  • $U =frac{A}{q}$, где:
  • $A$ — работа тока,
  • $q$ — прошедший по участку заряд.

Возникновение тока в электрической цепи

Замечание 1

Электрическую цепь характеризует комплекс устройств, обеспечивающих путь для протекающего электрического тока и соединенных определенным образом. В качестве элементов электроцепи служат: нагрузка, проводники и источник тока. В составе электрической цепи могут быть и другие элементы, как, например, устройства защиты и коммутации.

Необходимым условием возникновения тока будет соединение двух точек, у одной из которых очень много электронов в отличие от другой. Иными словами, потребуется образование разности потенциалов между указанными точками. С этой целью в цепи используется источник тока. Таким источником могут служить устройства в виде генераторов, батарей, химических элементов и др.

В качестве нагрузки в электроцепи выступает абсолютно любой потребитель электроэнергии. Нагрузка способна оказывать сопротивление электрическому току. От величины такого сопротивления будет зависеть величина тока. Ток течет по проводникам от источника тока к нагрузке. Проводниками, в свою очередь, служат материалы, имеющие наименьшее сопротивление, такие, как золото, серебро, медь.

Типы соединения элементов в электрической цепи

В электротехнике, в зависимости от типа соединения элементов электроцепи, существуют такие виды электрических цепей:

  • последовательная;
  • параллельная электрическая цепь;
  • последовательно-параллельная.

В электрической цепи последовательного типа соединении все элементы соединены друг с другом последовательно. Это означает, что конец первого элемента соединяется с началом второго и т.д.

  1. Для тока такое соединение элементов дает только один путь протекания от источника к нагрузке. Общий ток цепи при этом будет равен току, который проходит через каждый элемент цепи:
  2. $I_{общ} = I_1=I_2=I_3$
  3. При падающем напряжении вдоль всей цепи оно будет равняться приложенному к рассматриваемому участку (AB) напряжению $E$ и сумме падений напряжений на всех участках электроцепи (резисторах). Это выражает следующая формула:
  4. $E=U(A-B)=U_1+U_2+U_3$
  5. Элементы в параллельной электрической цепи соединены так, что начало каждого из них соединяется в одну общую точку, а концы при этом — в другую.
  6. Для тока в этом случае существует несколько путей протекания к нагрузкам от источника. При этом общий ток цепи $I_{общ}$ получен посредством формулы:
  7. $I_{общ}=I_1+I_2+I_3$
  8. Падение напряжения на всех резисторах выражает следующая формула: $E=U_1=U_2=U_3$

Последовательно-параллельная электроцепь представляет комбинацию цепи последовательного и параллельного типа соединения. Другими словами, ее элементы могут включаться, как последовательным, так и параллельным образом.

Электрическое напряжение в цепях постоянного, переменного и трехфазного тока

Определение 2

Напряжением в цепи постоянного тока на участке между точками A и B считается совершаемая электрическим полем работа в момент переноса пробного положительного заряда из первой точки во вторую.

При описании цепей переменного тока используют такие виды напряжений: мгновенное, амплитудное, среднее, среднеквадратичное.

Мгновенное напряжение представляет разность потенциалов двух точек, которая была измерена в конкретный момент времени. Данный вид напряжения будет зависеть от времени.

Амплитудным считается максимальное по модулю значение мгновенного напряжения, взятое за весь период колебаний:

$U_M=max(u(t))$

В цепях трехфазного тока существует напряжение фазного и линейного типа. Под фазным понимается среднеквадратичное значение напряжения на каждой отдельной фазе нагрузки. Линейным считается напряжение между подводящими фазными проводами. Если нагрузка соединяется в треугольник, фазное и линейное напряжение будут равны.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/napryazhenie_elektricheskogo_toka/elektricheskoe_napryazhenie_cepi/

Напряжение электрического тока и вольтметр

Электрический ток – это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока. Мы знаем, что сила тока одинакова во всех местах цепи.

Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов и нагрузки. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи. Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Давайте разберемся.

Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, однако не совершает при этом большой работы.

Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться.

То есть в данном случае ток совершает механическую работу, и довольно приличную работу. Ток тратит свою энергию. Электроны в том же количестве продолжают бежать дальше, но энергии у них уже поменьше.

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: 

U=A/q,

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.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Сила тока: природа, формула, измерение амперметром
Следующая тема:   Сопротивление тока: притяжение ядер, проводники и непроводники

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/ehlnapryazhenie-voltmetr

Постоянный электрический ток

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: постоянный электрический ток, сила тока, напряжение

Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.

• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это — пример тока в металлах.

• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.
Это — пример прохождения тока через раствор электролита.

• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.
Это — пример электрического тока в газе.

Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.

• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.

Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток.

Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).

Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.

Направление электрического тока

Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу».

В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях.

Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?

Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.

Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).

Рис. 1. Направление тока

Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.

Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось.

Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.

Действия электрического тока

Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.

1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.

2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу.

Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит.

На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.

3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.

Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.

Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.

Сила и плотность тока

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:

(1)

Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.

Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений.

А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).

В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.

  • Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
  • (2)
  • где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:

Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.

Скорость направленного движения зарядов

Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.

Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.

Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.

Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.

1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.

2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.

Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.

Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .

Рис. 2. К выводу формулы

  1. Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?
  2. С одной стороны, разумеется,
  3. (3)
  4. С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:
  5. Следовательно, их общий заряд будет равен:
  6. (4)
  7. Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:
  8. (5)
  9. Соответственно, плотность тока оказывается равна:
  10. Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.
  11. Заряд электрона известен: Кл.

Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:

  • м
  • Положим мм . Из формулы (5) получим:
  • м/с.
  • Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.

Стационарное электрическое поле

Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?

Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.

Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.

Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток.

Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет.

Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.

То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.

Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?

Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.

Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).

Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.

В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.

Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.

А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?

Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды.

Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.

Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.

Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.

А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).

1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).

Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории.

Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2.

В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).

Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/postoyannyj-elektricheskij-tok/

Электрическое напряжение — это… Что такое Электрическое напряжение?

Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда.

При этом считается, что перенос пробного заряда не изменяет распределения зарядов на источниках поля (по определению пробного заряда).

В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд. В этом случае электрическое напряжение между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

— интеграл от проекции поля эффективной напряжённости поля (включающего сторонние поля) на расстояние между точками A и B вдоль заданной траектории, идущей из точки A в точку B. В электростатическом поле значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт.

Напряжение в цепях постоянного тока

Напряжение в цепи постоянного тока определяется так же, как и в электростатике.

Напряжение в цепях переменного тока

Для описания цепей переменного тока применяются следующие понятия:

Мгновенное напряжение

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Оно является функцией времени:

Амплитудное значение напряжения

Амплитуда напряжения есть максимальное по модулю значение мгновенного напряжения за весь период колебаний:

Для гармонических (синусоидальных) колебаний напряжения мгновенное значение напряжения выражается как:

Для сети переменного синусоидального напряжения со среднеквадратичным значением 220 В амплитудное равно приблизительно 311,127 В.

Амплитудное напряжение можно измерить с помощью осциллографа.

Среднее значение напряжения

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) определяется за весь период колебаний, как:

Для чистой синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения

Среднеквадратичное значение (устаревшее наименование: действующее, эффективное) наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу (например, лампа накаливания имеет ту же яркость свечения, нагревательный элемент выделяет столько же тепла), что и равное ему постоянное напряжение:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

В технике и быту при использовании переменного тока под термином «напряжение» имеется в виду именно эта величина, и все вольтметры проградуированы исходя из её определения.

Однако конструктивно большинство приборов фактически измеряют не среднеквадратичное, а средневыпрямленное (см.

ниже) значение напряжения, поэтому для несинусоидального сигнала их показания могут отличаться от истинного значения.

Средневыпрямленное значение напряжения

Средневыпрямленное значение есть среднее значение модуля напряжения:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

На практике используется редко, однако большинство вольтметров переменного тока (те, в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала и проградуирована по среднеквадратичным значениям.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения.

Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки, а под линейным — напряжение между подводящими фазными проводами.

При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в знаменателе которой стоит линейное напряжение, а в числителе — фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли). Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В.

Стандарты

Объект
Тип напряжения
Значение (на вводе потребителя)
Значение (на выходе источника)
Электрокардиограмма Импульсное 1-2 мВ
Телевизионная антенна Переменное высокочастотное 1-100 мВ
Батарейка AA («пальчиковая») Постоянное 1,5 В
Литиевая батарейка Постоянное 3 В — 1,8 В (в исполнении пальчиковой батарейки , на примере Varta Professional Lithium, AA)
Управляющие сигналы компьютерных компонентов Импульсное 3,5 В, 5 В
Батарейка типа 6F22 («Крона») Постоянное 9 В
Силовое питание компьютерных компонентов Постоянное 12 В
Электрооборудование автомобиля Постоянное 12/24 В
Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов Постоянное 19 В
Сеть «безопасного» пониженного напряжения для работы в опасных условиях Переменное 36-42 В
Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова Постоянное 55 В
Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке) Постоянное 60 В
Напряжение в электросети Японии Переменное трёхфазное 100/172 В
Напряжение в домашних электросетях США Переменное трёхфазное 120 В / 240 В (сплит-фаза)
Напряжение в электросети России Переменное трёхфазное 220/380 В 230/400 В
Разряд электрического ската Постоянное до 200—250 В
Контактная сеть трамвая и троллейбуса Постоянное 550 В 600 В
Разряд электрического угря Постоянное до 650 В
Контактная сеть метрополитена Постоянное 750 В 825 В
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток) Постоянное 3 кВ 3,3 кВ
Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности Переменное трёхфазное 6-20 кВ 6,6-22 кВ
Генераторы электростанций, мощные электродвигатели Переменное трёхфазное 10-35 кВ
Анод кинескопа Постоянное 7-30 кВ
Статическое электричество Постоянное 1-100 кВ
Свеча зажигания автомобиля Импульсное 10-25 кВ
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток) Переменное 25 кВ 27,5 кВ
Пробой воздуха на расстоянии 1 см 10-20 кВ
Катушка Румкорфа Импульсное до 50 кВ
Пробой трансформаторного масла на расстоянии 1 см 100-200 кВ
Воздушная линия электропередачи большой мощности Переменное трёхфазное 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ 38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ
Электрофорная машина Постоянное 50-500 кВ
Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные) Переменное трёхфазное 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ 545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ
Трансформатор Тесла Импульсное высокочастотное до нескольких МВ
Генератор Ван де Граафа Постоянное до 7 МВ
Грозовое облако Постоянное От 2 до 10 ГВ

См. также

Ссылки

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/15264

Основные расчетные электротехнические формулы

Электрическое сопротивление материала определяется по формулам:

Электрическое сопротивление, Ом, материала

R = U/I, где U — напряжение, В; I — сила тока, А.

Удельное электрическое сопротивление, Ом·м,

ρ=Rs/l. S – сечение проводника, м² ; l – длина проводника, м.

Под удельным электрическим сопротивлением материала понимают сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 м² при 20°С.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется проводимостью:

v=1/ρ.

Если вместо сечения проводника S задан его диаметр D, то сечение, м², находят по формуле

S= πD²/4, где π =3,14.

Сопротивление материала зависит от температуры. Если материал нагрет до температуры t°С, то его сопротивление, Ом, при этой температуре равно:

Rt= R0[1 + α (t – t0)],

где R0 – сопротивление при начальной температуре t0°С, Ом; α – температурный коэффициент.

Далее приводятся значения α для различных материалов.

Медь,
алюминий,
вольфрам
0,004
Сталь 0,006
Латунь 0,002

Сопротивление нескольких проводников зависит от способа их соединения. Например, при параллельном соединении сопротивление трех проводников определяется по формуле:

Rоб=R1*R2*R3/(R1R2+R2R3+R3R1)

При последовательном соединении:

Rоб=R1+R2+R3.

Постоянный ток

Постоянный ток применяют для питания устройств связи, транзисторных приборов, стартеров автомобилей, электрокар, а также, для зарядки аккумуляторов.

В качестве источников постоянного тока используют гальванические элементы, солнечные батареи, термоэлектрогенераторы, генераторы постоянного тока.

При параллельном соединении нескольких проводников с током с равными напряжениями:

Iоб = I1+I2+…+In Uоб=U1=U2=…=Un

При последовательном соединении: Iоб = Imin; – где Imin, ток наименьшего по мощности источника тока (генератора, аккумуляторной батареи).

Uоб = U1+U2+…+Un

Основные параметры цепей однофазного переменного тока

Однофазный переменный ток промышленной частоты имеет 50 периодов колебаний в секунду, или 50 Гц. Его применяют для питания небольших вентиляторов, электробытовых приборов, электроинструмента, при электросварке и для питания большинства осветительных приборов.

Частота переменного тока, Гц:

f= 1/T = np/60, где п — частота вращения генератора, мин -1; р – число пар полюсов генератора.

Мощность однофазного переменного тока:

активная, Вт, Ра = IUcosφ;

реактивная, вар, Q = IUsinφ;

кажущаяся, В А, S = IU =√ (P 2α+Q 2)

Если в цепь переменного однофазного тока включено только активное сопротивление (например, нагревательные элементы или электрические лампы), то значение силы тока и мощности в каждый момент времени определяют по закону Ома:

I=U/R; Рa = IU = I²R=U²/R.

Коэффициент мощности в цепи с индуктивной нагрузкой

Cosφ= Рa/IU= Рa/S.

Основные параметры цепей трехфазного переменного тока

Трехфазный переменный ток используют для питания большинства промышленных электроприемников. Частота трехфазного переменного тока 50 Гц.

В трехфазных системах обмотки генератора и электроприемника соединяют по схемам «звезда» или «треугольник». При соединении в звезду концы всех трех обмоток генератора (или электроприемника) объединяют в общую точку, называемую нулевой или нейтралью (рис. 5а).

При соединении в треугольник начало первой обмотки соединяют с концом второй, начало второй обмотки — с концом третьей и начало третьей — с концом первой обмотки (рис. 5б).

Если от генератора отходят только три провода, то такая система называется трехфазной трехпроводной; если от него отходит еще и четвертый нулевой провод, то систему называют трехфазной четырехпроводной.

Трехфазные трехпроводные сети используют для питания трехфазных силовых потребителей, а четырехпроводные сети – для питания преимущественно осветительных и бытовых нагрузок.

В трехфазных системах различают фазные и линейные токи и напряжения. При соединении фаз звездой линейный I и фазный Iφ токи равны:

а напряжение U =√3Uφ

При соединении треугольником

I =√3Iφ

а напряжение U = Uφ.

Мощность переменного трехфазного тока:

генератора:

  • активная, Вт, Рг =√3IUcosφ ,
  • реактивная, вар, Q=√3IUsinφ
  • полная, ВА, S = √3IU.

где φ – угол сдвига фаз между фазным напряжением генератора и током в той же фазе приемника, который равен току в линии при соединении обмоток генератора звездой.

приемника:

  • активная, Вт, Рп =3UφIcosφп=√3 IUcosφп ,
  • реактивная, вар, Q=√3 UφIsinφп=√3 UIsinφ
  • полная, ВА, S = √3UI.

где φ – угол сдвига фаз между фазным напряжением приемника и током в той же фазе приемника, который равен току линейному только при соединении звездой.

Подсчет количества теплоты, выделяемой при протекании электрического тока по проводнику.

Количество теплоты, Дж, выделяемой электрическим током в проводнике,

Q=I²Rt где t — время, с.

При определении теплового действия электрического тока учитывают, что 1 кВт·ч выделяет 864 ккал (3617 кДж).

Если у Вас остались вопросы – обращайтесь к нам, в авторизованный сервисный центр “Эл Ко-сервис” Мы всегда рады помочь Вам в решении возникших у Вас проблем.

Инженерно-технический отдел авторизованного сервисного центра “Эл Ко-сервис”

Как рассчитать выходное напряжение

Обновлено 8 декабря 2020 г.

Пол Меслер

Закон Ома — важная математическая формула, которую электрики и физики используют для определения определенных измерений в данной цепи. Формула:

В = I \ раз R

, где V — напряжение, измеренное в вольтах, I — величина тока, измеренная в амперах, а R — сопротивление, измеренное в омах. Резисторы препятствуют прохождению потока электронов в цепи и, в зависимости от материала, имеют большее сопротивление, чем другие.Напряжение в цепи — не что иное, как «источник электрического потенциала» внутри этой цепи.

Цепь в серии

    Определите общую силу тока в цепи. Если у вас была цепь, и вы обнаружили, что она пропускает полный ток 6 ампер, вы должны использовать это значение в качестве силы тока в цепи. Помните, что в цепи общая сила тока везде одинакова.

    Определите общее количество сопротивлений в цепи. Вы измеряете сопротивление в омах, которое выражается греческой буквой омега.Если вы измеряете, что в этой цепи есть резистор с сопротивлением 3 Ом, а другой — с сопротивлением 2 Ом, это означает, что общее сопротивление цепи составляет 5 Ом.

    Найдите выходное напряжение, умножив силу тока на общее количество сопротивлений в цепи. В приведенных выше примерах мы знаем, что сила тока составляет 6 ампер, а общее сопротивление — 5 Ом. Следовательно, выходное напряжение для этой схемы:

    В = I \ times R = 6 \ times 5 = 30 \ text {volts}

Параллельные цепи

    Определите общий ток в цепи.Как и в последовательной цепи, ток или сила тока везде одинаковы. Используя тот же пример, мы скажем, что общая сила тока составляет 6 ампер.

    Найдите полное сопротивление в цепи. Общее сопротивление в параллельной цепи отличается от последовательной цепи. В последовательной цепи мы получаем общее сопротивление, просто добавляя каждое отдельное сопротивление в цепи; однако в параллельной цепи нам нужно найти полное сопротивление по формуле:

    R_ {tot} = \ frac {1} {\ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} + … + \ frac {1} {R_n}}

    То есть единица, деленная на сумму обратных величин всех резисторов в параллельной цепи. Используя тот же пример, мы скажем, что резисторы имеют сопротивление 2 Ом и 3 Ом. Следовательно, полное сопротивление в этой параллельной серии составляет:

    R_ {tot} = \ frac {1} {\ frac {1} {2} + \ frac {1} {3}} = 1,2 \ text {ohms}

    Найдите напряжение так же, как вы нашли напряжение в последовательной цепи. Мы знаем, что общая сила тока для цепи составляет 6 ампер, а полное сопротивление — 1.2 Ом. Следовательно, полное выходное напряжение для этой параллельной цепи составляет:

    В = I \ times R = 6 \ times 1.2 = 7.2 \ text {volts}

Напряжение в последовательной цепи (источники, формулы и способы добавления)

Что такое последовательное напряжение?

Последовательная цепь или последовательное соединение относится к случаю, когда два или более электрических компонента соединены вместе в цепочку внутри цепи. В такой схеме есть только один способ прохождения заряда через цепь.Изменение потенциала заряда в двух точках электрической цепи известно как напряжение. В этой статье мы подробно рассмотрим напряжения в последовательной цепи.

Батарея цепи обеспечивает энергию для прохождения заряда через батарею и создания разности потенциалов между концами внешней цепи. Теперь, если мы предположим, что ячейка на 2 вольта, это создаст разность потенциалов 2 вольта во внешней цепи.

Значение электрического потенциала на положительной клемме на 2 В больше, чем на отрицательной клемме.Таким образом, когда заряд течет с положительной клеммы на отрицательную, это вызывает потерю электрического потенциала на 2 вольта.

Это называется падением напряжения. Это происходит, когда электрическая энергия заряда преобразуется в некоторые другие формы (механическую, тепловую, световую и т. Д.) При прохождении через компоненты (резисторы или нагрузку) в цепи.


Если мы рассмотрим схему с более чем одним резистором, подключенным последовательно, и питаемым от элемента 2 В, общая потеря электрического потенциала составит 2 В.То есть на каждом подключенном резисторе будет определенное падение напряжения. Но мы видим, что сумма падений напряжения всех компонентов будет 2 В, что эквивалентно номинальному напряжению источника питания.

Математически мы можем выразить это как

Используя закон Ома, отдельные падения напряжения можно рассчитать как

Теперь мы можем предположить, что последовательная цепь состоит из 3 резисторов и питается от источника энергии 9 В. Здесь мы собираемся выяснить разность потенциалов в другом месте во время прохождения тока по последовательной цепи.

На схеме ниже места отмечены красным цветом. Мы знаем, что ток проходит в направлении от положительной клеммы к отрицательной клемме источника. Отрицательный знак напряжения или разности потенциалов представляет потерю потенциала из-за резистора.

Разность электрических потенциалов в разных точках цепи может быть представлена ​​с помощью диаграммы, называемой диаграммой электрических потенциалов, которая показана ниже.

В этом примере электрический потенциал при A = 9 В, поскольку это клемма с более высоким потенциалом.Электрический потенциал при H = 0 В, поскольку это отрицательный вывод. Когда ток проходит через источник питания 9 В, заряд приобретает 9 В электрического потенциала, то есть от H до A. Пока ток проходит по внешней цепи, заряд полностью теряет эти 9 В.

Здесь это происходит в три этапа. Когда ток проходит через резисторы, будет падение напряжения, но не произойдет падения напряжения, когда проход проходит через простой провод. Итак, мы видим, что между точками AB, CD, EF и GH; нет падения напряжения.Но между точками B и C падение напряжения составляет 2 В.

То есть напряжение источника 9В становится 7В. Далее между точками D и E падение напряжения составляет 4В. В этот момент напряжение 7 В становится 3 В. Наконец, между точками F и G падение напряжения составляет 3В. В этот момент напряжение 3 В становится равным 0 В.

Участок цепи между точками G и H, нет энергии для заряда. Таким образом, он снова хочет увеличения энергии для прохождения через внешнюю цепь. Это обеспечивается источником питания по мере того, как заряд переходит от H к A.

Несколько последовательных источников напряжения можно заменить одним источником напряжения, взяв сумму всех источников напряжения. Но мы должны учитывать полярность, как показано ниже.

Источники переменного напряжения серии

В случае источников переменного напряжения серии , источники напряжения могут быть добавлены или объединены вместе для создания единого источника при условии, что угловая частота (ω) подключенных источников идентична . Если последовательно подключенные источники переменного напряжения имеют разную угловую частоту, их можно сложить, при условии, что ток через подключенные источники одинаков.


Приложение напряжения в последовательной цепи

Приложение напряжения в последовательной цепи включает:

  • Делитель напряжения.
  • Батарея пожарной сигнализации.
  • Батарейки в пульте дистанционного управления, игрушках и т. Д.
  • Осветительные приборы в поезде, рождественской елке и т. Д.

Формулы падения напряжения — журнал IAEI

Время считывания: 4 минуты

Падение напряжения упоминается только в некоторых разделах NEC в качестве информационных примечаний и его необходимо рассчитать в других разделах кода .Это 210.19 (A) Информационная записка 4, 215.2 (A) (1) Информационная записка 2 и 3, 310.15 (A) (1) Информационная записка 1, 647.4 (D), 310.60 (B) Информационная записка 2, 455.6 ( A) Информационная записка и 695.7. Допустимая или требуемая величина падения напряжения может составлять от 1,5 до 15 процентов напряжения фидера или параллельной цепи. Максимум пять процентов обычно рекомендуется для схемы. Информационные примечания не являются обязательными требованиями Code , но представляют собой пояснительный материал, предназначенный только для информационных целей [см. 90.5 (С)].

Однако инструкции производителя по установке, которые должны соблюдаться в 110.3 (B), часто требуют поддержания минимального номинального напряжения для того, чтобы конкретный тип используемого оборудования функционировал должным образом в соответствии с намерениями производителя, и чтобы быть внесенным в список признанной испытательной лабораторией электрооборудования. Для выполнения расчетов падения напряжения необходимо иметь следующую информацию: 1) коэффициент k, 2) длину фидера или ответвления цепи до нагрузки, 3) силу тока нагрузки цепи и, конечно же, 4) напряжение цепи.Коэффициент k — это множитель, представляющий сопротивление постоянному току для проводника данного размера длиной 1000 футов и работающего при 75 ° C. Исходя из этой информации, пользователь кода может найти проводник минимального размера, необходимый для выдерживания нагрузки (измеряется в круглых милах или килограммах), и / или процент падения напряжения.

Приведенные здесь формулы основаны на значениях сопротивления проводников постоянному току, приведенных в таблице 8 главы 9 документа NEC , и считаются обычно приемлемыми для расчета падения напряжения.Таблица 8 основана на 75C / 167F и дает коэффициент k, равный 12,9 для меди и 21,2 для алюминиевых проводников. — См. Примечание ниже.

Например, чтобы найти коэффициент k, , вы умножаете сопротивление проводника на фут на круговой мил проводника. Помните, что в таблице 8 указано сопротивление в омах на 1000 футов. Для расчета падения напряжения при использовании медного провода обязательно выберите значение из столбца «Медь без покрытия», так как большинство медных проводников не имеют покрытия.«Покрытие» означает наличие на медном проводе олова или другого покрытия, которое изменяет значение его сопротивления. Если проводник имеет «покрытие», используйте значение сопротивления столбца «с покрытием». Помните, что «с покрытием» не относится к установке проводника. Обратите внимание на следующие примеры.

Для медного провода используйте сопротивление постоянному току, измеренное в омах, из главы 9, таблицы 8:

Сопротивление постоянному току медного проводника 1000 тыс. См составляет 0.0129 Ом на 1000 футов.

(0,0129 Ом на 1000 футов, деленное на 1000
= 0,0000129 Ом на фут)

0,0000129 Ом на фут x 1000000 круглых милов = 12,9 k-фактор — для медного провода

Для алюминиевого провода — сопротивление постоянному току, измеренное в омах на 1000 футов проводника из главы 9, таблица 8:

.

(0,0212 Ом на 1000 футов, деленное на 1000
= 0,0000212 Ом на фут)

0,0000212 Ом на фут x 1000000 круговых милов
= 21.2 k-фактор — для алюминиевой проволоки

Примечание. Важно отметить, что для определения коэффициента k необходимо умножить сопротивление проводника на фут на круглые милы проводника. Для любого медного или алюминиевого проводника, указанного в главе 9, таблице 8, коэффициент k будет примерно равен 12,9 или очень близко к нему для меди и 21,2 или очень близко к нему для алюминия. Поэтому эти две величины выбраны в качестве постоянных значений коэффициента k для медных или алюминиевых проводников без покрытия, работающих при температуре окружающей среды 75 ° C / 167 ° F и номинальной силе тока.

Температурный класс

75 ° C / 167 ° F часто используется в современных электрических цепях, поскольку большинство новых наконечников в электрораспределительном оборудовании и оборудовании для утилизации рассчитаны на 75 ° C / 167 ° F; и проводники с номиналом 90C / 194F используются при допустимой нагрузке 75C из-за требований к заделке, установленных в 110.14 (C).

Используемая формула также обычно приемлема для проводников
60C / 140F.

Падение напряжения рассчитывается для однофазных установок с учетом того, что ток будет возвращаться от нагрузки либо от линейной нагрузки, либо от линейной к нейтрали; поэтому множитель 2 добавляется в формулу сопротивления проводника нагрузке и обратно.Это необходимо для замыкания цепи и устранения неисправности с учетом 250.122 (B), который будет обсуждаться позже.
В формуле для трехфазных установок в качестве множителя используется 1,732 вместо 2. Ток течет к нагрузке и обратно по фазным проводам.

После определения падения напряжения вольт используйте приведенную ниже формулу, чтобы определить процент падения напряжения в цепи или системе.

Пример 1: падение напряжения 7,2 В ÷ 240 В (1 фаза) = падение напряжения 3%

Пример 2: падение напряжения 24 В ÷ 480 В L-L = падение напряжения 5%

Выберите формулу в зависимости от размера используемого проводника или максимального падения напряжения, приемлемого для AHJ.(3%, 5% и т. Д.)

ФОРМУЛЫ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Вольт упало

= 2 x длина проводников для нагрузки x коэффициент k (медь или алюминий) x I (сила тока) ÷ круговые милы или kcmils используемого проводника

Формулы падения напряжения для трехфазных сетей:

Вольт упало =

1,732 x Длина проводников до нагрузки x коэффициент k (медь или алюминий) x I (сила тока) ÷ Используемые круглые милы или килокилометры проводника

Для определения размера в круглых миллиметрах требуется (однофазный) = 2 x L x K x I ÷ % падение напряжения

Для определения размера в круглых миллиметрах требуется (трехфазный) = 1.732 x L x K x I ÷ % падение напряжения

Эти формулы могут использоваться для определения максимальной длины проводника, необходимого для него диаметра в миле или падения напряжения в системе или цепи.

Формулы падения напряжения

Где
VD = фактическое падение напряжения (, а не процентов)
K = предполагаемое удельное сопротивление
L = длина пробега до нагрузки
I = нагрузка в амперах
CM = площадь провода, круглые милы

Примечание: Для трехфазных формул замените множитель 2 на 1.732.

2 x K x I x L ÷ CM = VD

2 x K x I x L ÷ VD = CM

(CM x VD) ÷ (2 x K x I) = максимальная длина

(CM x VD) ÷ (2 x K x L) = максимальный I (амперы)

Примечание: Чтобы найти коэффициент k, умножьте сопротивление на фут проводника на круглые милы.

  1. Перейти к главе 9, таблице 8
  2. Найдите 1 AWG
  3. В столбце Circular Mils для 1 AWG найдите 83690
  4. Перейти к сопротивлению постоянному току при 75 ° C (167 ° F), таблица 8
  5. Перейти к столбцу Ом / кФт.Для 1 AWG найдите 0,154 Ом / kFT
  6. (0,154 / 1000) = .000154

Пример: K для меди 1 AWG при 75 ° C = 0,000154 x 83690 = 12,9

Примечание: Глава 9 Таблица 8 Значения сопротивления постоянному току для коэффициента k и падения напряжения в цепях переменного тока используются для простоты и единообразия. Значения сопротивления для провода данного размера в таблице 8 главы 9 очень близки к значениям, приведенным в таблице 9 главы 9, независимо от того, какой метод подключения используется.

Выдержка из книги Ferm по формулам и расчетам IAEI , 2014.

Заряд, разделение пластин и напряжение

Dynamics Track
Наклонная плоскость
Импульс

Конденсатор
Пластина Sep
Пластина Sep / Volt
Диэлектрики

Цепи
Закон Ом
Серия / Параллельный

Wave Tank
Частота / длина волны
Two Pt Interf.

Оптическая скамья
Refraction
Фокусное расстояние

Конденсатор с параллельными пластинами

Заряд конденсаторов, разделение пластин и напряжение

Конденсатор используется для хранения электрического заряда.Чем большее напряжение (электрическое давление) вы прикладываете к конденсатору, тем больше заряда нагнетается в конденсатор. Кроме того, чем большей емкостью обладает конденсатор, тем больший заряд будет вызван данным напряжением. Это соотношение описывается формулой q = CV, где q — накопленный заряд, C — емкость, а V — приложенное напряжение.

Глядя на эту формулу, можно спросить, что бы произошло, если бы заряд оставался постоянным, а емкость изменялась. Ответ, разумеется, таков, что напряжение изменится! Это то, что вы будете делать в этой лаборатории.

Лабораторный конденсатор

Конденсатор с параллельными пластинами — это устройство, используемое для изучения конденсаторов. Это сводит к минимуму функцию конденсатора. Конденсаторы в реальном мире обычно скручены по спирали в небольших корпусах, поэтому конденсатор с параллельными пластинами значительно упрощает привязку функции к устройству.

Этот конденсатор работает, накапливая противоположные заряды на параллельных пластинах, когда напряжение подается с одной пластины на другую.Количество заряда, который перемещается в пластины, зависит от емкости и приложенного напряжения в соответствии с формулой Q = CV, где Q — заряд в кулонах, C — емкость в фарадах, а V — разность потенциалов между пластинами в вольт.

Конденсаторы накапливают энергию

Если напряжение подается на конденсатор, а затем отключается, заряд, накопленный в конденсаторе, сохраняется до тех пор, пока конденсатор каким-либо образом не разрядится.Между пластинами возникает электрическое поле, которое позволяет конденсатору накапливать энергию. Это один из полезных аспектов конденсаторов, способность накапливать энергию в электрическом поле, чтобы ее можно было использовать позже.

От чего зависит емкость?

Количество заряда, которое может храниться на один приложенный вольт, определяется площадью поверхности пластин и расстоянием между ними. Чем больше пластины и чем ближе они расположены, тем больше заряда может храниться на каждый вольт разности потенциалов между пластинами.Заряд, накопленный на приложенный вольт, представляет собой емкость, измеряемую в фарадах.

Может ли изменение емкости заряженного конденсатора изменить его напряжение?

Лабораторный конденсатор можно регулировать, поэтому мы можем провести интересный эксперимент с емкостью и напряжением. Если конденсатор имеет постоянный заряд, изменение емкости должно вызвать изменение напряжения. Раздвигание пластин приведет к уменьшению емкости, поэтому напряжение должно увеличиться.

Как можно математически определить емкость нашего конденсатора?
Для конденсатора с параллельными пластинами емкость определяется по следующей формуле:

С = ε 0 А / сут

Где C — емкость в Фарадах, ε 0 — постоянная диэлектрической проницаемости свободного пространства (8.85×10 -12), A — площадь пластин в квадратных метрах, а d — расстояние между пластинами в метрах.

Фарада — это очень большая величина емкости, поэтому мы будем использовать метрические префиксы для получения более удобных чисел. Емкость обычно измеряется в микрофарадах (мкФ), что составляет 1,0×10 -6F, или пикофарадах (пФ), что составляет 1,0×10 -12F. 1.0F = 1,000,000 мкФ = 1,000,000,000,000 пФ! Будьте очень внимательны с расчетами!

Этот расчет даст вам приблизительное значение емкости лабораторного конденсатора.Однако есть и другие факторы, которые вносят ошибки в реальные измерения емкости и напряжения. Вам нужно внимательно учитывать эти факторы.

Лабораторное оборудование:

Для получения хороших результатов эта лабораторная деятельность требует специального оборудования. Вам нужен хороший стабилизированный источник питания, чтобы напряжение, подаваемое на конденсатор, было одинаковым при каждом испытании.

Вам также понадобится очень точный способ измерения напряжения между пластинами без резистивной нагрузки на конденсатор.Количество накопленного заряда очень мало, поэтому обычный вольтметр не подойдет. Мельчайший заряд, накопленный в конденсаторе, просто разрядится через измеритель, делая любые измерения бесполезными. Вы будете использовать специальный прибор для измерения напряжения, называемый электрометром, который измеряет напряжение без разряда конденсатора.

Одна из проблем электрометра заключается в том, что он имеет некоторую собственную емкость. Поскольку эта емкость параллельна емкости конденсатора, встроенная емкость выводов должна быть добавлена ​​к емкости конденсатора.

Назначение:

Целью данной лабораторной работы является исследование взаимосвязи между разделением пластин и напряжением в конденсаторе с параллельными пластинами, который поддерживается постоянным зарядом.

Оснащение:

  • Конденсатор переменной емкости
  • Электрометр
  • Регулируемый источник питания
  • Поводки для перемычек
  • Провода для электрометра

Осторожно:

Это хрупкое оборудование.Все должно сочетаться с легчайшими прикосновениями. Ничего не заставляйте!

Ваша первая задача — предсказать, что произойдет с напряжением конденсатора, когда вы зарядите его источником 10 В, а затем раздвинете пластины (что уменьшит емкость). Вы сделаете это в следующем разделе.

Теоретические расчеты:

Сначала необходимо рассчитать теоретическую емкость для каждого расстояния между пластинами. Мы сделаем первое, а потом вы сможете сделать все остальное! Самая сложная часть этого — правильно настроить юниты.Проще всего поставить все в метрах для расчетов:

  1. Измерьте диаметр пластин конденсатора в сантиметрах. Ваш размер должен быть около 17,8 см
  2. Разделите диаметр на 100, чтобы получить размер в метрах. Результат — 0,178 м. Разделите это на два, чтобы получить радиус: 0,089 м
  3. Площадь пластины определяется по общей формуле A = πr 2. Подставьте числа, чтобы получить A = π (0,089) 2 = 0.0249м 2
  4. Преобразуйте расстояние между пластинами (1 мм) в метры, разделив на 1000. 1/1000 = 0,001 м.
  5. Используйте это число в формуле C = ε 0A / d, чтобы определить расчетную емкость, таким образом: C = 8,85×10 -12 (0,0249) / 0,001 = 2,20×10 -10. Это равно 220×10 -12F или 220pF
  6. Добавьте встроенную емкость электрометра (50 пФ) к теоретической емкости, чтобы получить 270 пФ.
  7. Запишите этот результат (270 пФ) в столбец «Расчетная емкость» и в строку 1 мм.
  8. Повторите этот процесс для других расстояний между пластинами. Обратите внимание, что площадь пластины одинакова для всех, поэтому все, что вам нужно сделать, это повторить шаги 5, 6 и 7, вставляя правильные значения для интервала в каждом случае.
  9. Теперь вы рассчитаете теоретическое напряжение для каждого интервала. Предположим, что для шага 1,0 мм напряжение составляет 10 В, поэтому вы можете просто указать это значение в таблице. Во-первых, вы определяете количество заряда в конденсаторе при таком расстоянии и напряжении.Используйте формулу Q = CV, чтобы определить заряд, таким образом: Q = 270×10 -12F (10V) = 2700×10 -12C. Этот заряд остается неизменным на всех расстояниях между пластинами, поэтому вы можете ввести одно и то же значение во весь столбец Расчетный заряд! Теперь используйте это значение заряда, чтобы определить расчетное напряжение на всех других расстояниях. Например, при расстоянии 5 мм используйте формулу V = Q / C, таким образом: V = 2700×10 -12C / 94,0×10 -12F = 28,7V. Введите это значение в столбец «Расчетное напряжение» в строке 5 мм.
  10. Повторите тот же расчет напряжения для оставшихся расстояний между пластинами.Используйте рассчитанную емкость и постоянный заряд для каждого промежутка и введите значение напряжения в столбец «Расчетное напряжение» таблицы.
  11. Поздравляем! Вы закончили предварительные расчеты! Все, что вам нужно сделать сейчас, это провести фактические измерения!

В следующих разделах вы проведете реальный эксперимент для проверки (или, возможно, не проверки!) Ваших теоретических расчетов.

Процедура настройки переменного конденсатора (если лаборатория уже настроена, переходите к следующему разделу!)

  1. Поместите переменный конденсатор в середину лабораторного стола так, чтобы отметка 0 см находилась слева от вас. Не ставьте конденсатор слишком близко к краю стола!
  2. Поместите блок питания за конденсатором переменной емкости. Подключите блок питания, но не включайте его.
  3. Подключите красный и черный перемычки к красной и черной клеммам источника питания. Просто прикрепите зажим «крокодил» к отверстию и оставьте другой конец проводов свободным.
  4. Поместите электрометр слева от конденсатора.
  5. Присоедините плоские клеммы проводов электрометра к клеммам на задней стороне каждой пластины конденсатора.Красный провод идет к правой пластине, черный провод идет к левой пластине.
  6. Вставьте разъем BNC в электрометр.
  7. Поместите пластины на расстоянии не менее 1 мм. Белые бамперы предотвращают сближение пластин. Если пластины не параллельны друг другу, используйте регулировочные ручки в центре правой опоры, чтобы выровнять пластины. Левый край пластикового язычка, выступающий к шкале, должен быть совмещен с отметкой 1 мм.

Сбор экспериментальных данных

  1. Убедитесь, что оборудование настроено правильно и правильно.
  2. Поверните все четыре регулятора на блоке питания против часовой стрелки до упора.
  3. Поверните крайнюю левую ручку (Fine Current) в положение на 12 часов (прямо вверх!)
  4. Включите источник питания. Дисплеи должны загореться.
  5. Используйте ручки Fine и Coarse Voltage (две крайние правые ручки), чтобы установить напряжение на 10.0V.
  6. Установите пластины на минимальное значение
  7. Установите электрометр на шкалу 30 В.
  8. Нажмите кнопку питания на электрометре. Должен загореться светодиод 30 В.
  9. Нажмите кнопку нуля на электрометре. Это обнуляет счетчик и обеспечивает нулевое напряжение на пластинах относительно друг друга.
  10. На мгновение прикоснитесь к проводам от источника питания к пластинам, черный к левой пластине и красный к правой пластине.
  11. Электрометр должен показывать 12 вольт в этот момент (12 В — это первая маленькая отметка над «1» на нижней шкале. Если он не проверит вашу настройку, попробуйте еще раз. Иногда вам приходится прикоснуться проводами к пластинам несколько раз. чтобы получить правильные показания 12 В.
  12. С этого момента вы должны быть осторожны, чтобы не прикасаться к пластинам. Прикоснувшись к ним, вы измените заряд в пластинах и испортите данные!
  13. Следите за электрометром, чтобы убедиться, что заряд сохраняется.Если вы видите падение напряжения более чем на вольт за 30 секунд, остановитесь и выясните, что не так, прежде чем продолжить.
  14. Переключите электрометр на настройку 100 В. Счетчик должен по-прежнему показывать 12 В, но по шкале 100 В.
  15. Осторожно раздвиньте пластины до 5 мм.
  16. Снимите показание электрометра и запишите его в таблицу под столбцом «Измеренное напряжение».
  17. Повторите два предыдущих шага для других расстояний между пластинами и запишите соответствующие данные.

Разделение пластин

(мм)

Расчетная емкость
(пФ)

Расчетный сбор

(пКл)

Расчетное напряжение

(В)

Измеренное напряжение

(В)

1

5

10

15

20

25

30

35

40

Анализ данных:

  1. На миллиметровой бумаге постройте расчетную емкость по оси x (горизонтальная) в зависимости от напряжения на оси y (вертикальная).Нанесите на график рассчитанное и измеренное значение напряжения, используя разные цвета или стили линий, чтобы различать две кривые. Убедитесь, что вы выбрали подходящие масштабы и четко обозначили оси и масштабы. Лучше всего ориентировать бумагу длинной осью в горизонтальном направлении («альбомный режим»).
  2. Изучите свой график и ответьте на следующие вопросы:

  1. Подтверждают ли ваши измеренные данные измеренные значения?
  1. Две кривые имеют одинаковую форму? Если да, то на что это указывает?

  2. Что бы вы сделали, чтобы повысить точность собираемых данных?
  3. Формула для энергии, запасенной в конденсаторе, U e = ½CV 2.Сохраняется ли энергия, запасенная в конденсаторе, постоянной при изменении расстояния между пластинами? Он идет вверх или вниз? Обсудите, откуда пришла или куда ушла энергия.

Как работает эта простая формула

Делитель напряжения — это схема, которая делит напряжение между двумя резисторами. Вы всегда будете видеть это как в простых, так и в сложных схемах.

Это очень полезно знать!

Если вы знаете, как это работает, гораздо легче увидеть, как работают схемы.И это позволит вам рассчитать напряжения во многих разных точках цепи, что часто необходимо для понимания этого.

Формула делителя напряжения

Должен признать, что я больше использовал свой практический опыт построения схем, чем теорию электроники, которую я изучил в университете. Но эта формула — одна из немногих формул для электроники, которую я на самом деле использую регулярно.

Используется для определения выходного напряжения, когда у вас есть два резистора, подключенных следующим образом:

Формула для расчета выходного напряжения:

Я рекомендую вам запомнить эту формулу.Часто пригодится. Или добавьте в закладки этот калькулятор делителя напряжения, если предпочитаете простой способ;)

Где найти делитель напряжения?

Один из примеров схемы делителя напряжения — для аналоговых датчиков. Например, термистор — это датчик температуры. Он изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры. Если вы подключите его с резистором известного номинала в настройке делителя напряжения, вы получите напряжение, зависящее от температуры:

Или можно комбинировать известный резистор с фоторезистором .Фоторезистор изменяет сопротивление в зависимости от количества обнаруживаемого света. Таким образом, у вас есть схема, которая увеличивает или уменьшает напряжение в зависимости от света.

Вы можете подключить выход любой из этих схем к компаратору, чтобы проверить, что оно выше или ниже определенного напряжения. Тогда сделайте что-нибудь исходя из этого. Например, если температура выше 40 градусов, включите вентилятор.

Или подключитесь к аналоговому выводу Arduino или микроконтроллера и сделайте с ним крутые штуки.Может, включить свет, если фотоэлемент показывает, что темно?

Пример расчета: разные значения резистора

Допустим, у нас есть следующие значения:

Используя формулу выше, мы получаем

Пример расчета: одинаковые значения резисторов

Теперь предположим, что R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Используя формулу выше, мы получаем

Это означает, что когда два резистора имеют одинаковое значение, выход всегда равен половине входного.

Можно ли использовать делитель напряжения в качестве источника питания?

Если у вас есть цепь, которая требует 4,5 В, можно ли использовать делитель напряжения с двумя резисторами по 500 Ом, чтобы получить 4,5 В от батареи 9 В?

К сожалению, это не так просто.

Любая цепь, которую вы хотите запитать, будет иметь внутреннее сопротивление. Таким образом, с точки зрения делителя напряжения, любую схему, которую вы подключаете к выходу напряжения, можно рассматривать как резистор (R НАГРУЗКА ), подключенный параллельно с R2.

Если внутреннее сопротивление цепи (R НАГРУЗКА ) также составляет 500 Ом, что произойдет?

Теперь R2 из формулы делителя напряжения становится параллельным сопротивлением R2 и R НАГРУЗКА . А это всего 250 Ом. Если вы поместите это в формулу делителя напряжения, вы получите выходное напряжение 3 В вместо желаемых 4,5 В.

Для источника питания вы хотите, чтобы напряжение оставалось на выбранном уровне, независимо от того, имеет ли цепь, которую вы подключаете, высокое или низкое внутреннее сопротивление.Вот почему делитель напряжения обычно не используется в источниках питания.

Вместо этого нужно использовать регулятор напряжения.

Вопросы?

Какие у вас вопросы по делителю напряжения? Дайте мне знать в разделе комментариев ниже.

Напряжение холостого хода | PVEducation

Напряжение холостого хода, V OC , является максимальным напряжением, доступным от солнечного элемента, и это происходит при нулевом токе. Напряжение холостого хода соответствует величине прямого смещения на солнечном элементе из-за смещения перехода солнечного элемента с током, генерируемым светом.Напряжение холостого хода показано на ВАХ ниже.

ВАХ солнечного элемента, показывающая напряжение холостого хода.

Уравнение для V oc можно найти, установив чистый ток равным нулю в уравнении солнечного элемента, чтобы получить:

$$ V_ {OC} = \ frac {n k T} {q} \ ln \ left (\ frac {I_ {L}} {I_ {0}} + 1 \ right) $$

Случайный просмотр приведенного выше уравнения может показать, что V OC растет линейно с температурой. Однако это не так, поскольку I 0 быстро увеличивается с температурой, в первую очередь из-за изменений собственной концентрации носителей заряда n i .Влияние температуры сложное и зависит от технологии ячеек. См. Более подробную информацию на странице «Влияние температуры».

V OC уменьшается с температурой. Если температура изменится, I 0 также изменится.

Приведенное выше уравнение показывает, что V oc зависит от тока насыщения солнечного элемента и тока, генерируемого светом. Хотя I sc обычно имеет небольшое отклонение, ключевым эффектом является ток насыщения, поскольку он может варьироваться на порядки величины.Ток насыщения I 0 зависит от рекомбинации в солнечном элементе. Тогда напряжение холостого хода является мерой рекомбинации в устройстве. Кремниевые солнечные элементы на высококачественном монокристаллическом материале имеют напряжение холостого хода до 764 мВ при одном солнце и условиях AM1.5, в то время как коммерческие устройства на мультикристаллическом кремнии обычно имеют напряжение холостого хода около 600 мВ.

V OC также можно определить по концентрации носителей:

$$ V_ {OC} = \ frac {k T} {q} \ ln \ left [\ frac {\ left (N_ {A} + \ Delta n \ right) \ Delta n} {n_ {i} ^ { 2}} \ right] $$

, где kT / q — тепловое напряжение, N A — концентрация легирования, Δn — концентрация избыточных носителей заряда и n i — собственная концентрация носителей.Определение V OC по концентрации носителей также называется подразумеваемым V OC .

Voc как функция ширины запрещенной зоны, E

G

Если ток короткого замыкания (I SC ) уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны, напряжение холостого хода увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны. В идеальном устройстве V OC ограничен излучательной рекомбинацией, и анализ использует принцип детального баланса для определения минимально возможного значения для J 0 .{x} -1} d x $$,

где q — заряд электрона, σ — постоянная Стефана – Больцмана, k — постоянная Больцмана, T — температура и

$$ u = \ frac {E_ {G}} {k T} $$

Вычисление интеграла в приведенном выше уравнении довольно сложно. На приведенном ниже графике используется метод, описанный в

.

Зависимость тока насыщения диода от ширины запрещенной зоны. Значения определяются на основе подробного баланса и устанавливают ограничение на напряжение холостого хода солнечного элемента.

Вычисленное выше значение J 0 можно напрямую подключить к стандартному уравнению солнечного элемента, приведенному в верхней части страницы, для определения V OC , если напряжение меньше ширины запрещенной зоны, как в случае с солнечное освещение.

V OC как функция ширины запрещенной зоны для соты с AM 0 и AM 1.5. V OC увеличивается с шириной запрещенной зоны по мере уменьшения тока рекомбинации. В V OC наблюдается спад при очень большой ширине запрещенной зоны из-за очень низкого значения I SC .

Что такое номинальное напряжение?

Меры предосторожности при использовании резисторов

Номинальное напряжение и макс. при использовании резистора необходимо учитывать напряжение элемента.

Здесь мы определим два связанных термина: номинальное напряжение и макс. напряжение элемента и объясните их взаимосвязь.

Мы также обсудим соответствующие термины критического сопротивления и макс. напряжение перегрузки.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение макс. Напряжение переменного или постоянного тока, которое может непрерывно подаваться при номинальной температуре окружающей среды или температуре клемм.

В случае резисторов, даже при одинаковой номинальной мощности, подаваемое напряжение будет отличаться в зависимости от значения сопротивления и может быть рассчитано на основе номинальной мощности и значения сопротивления по следующей формуле (1).

Формула для номинального напряжения (1) может быть получена из закона Ома (2) и формулы расчета мощности (3) и пропорциональна значению сопротивления.

Хотя может показаться, что чем выше значение сопротивления, тем большее напряжение может быть приложено к элементу, но это не так.

Макс. элемент напряжения

Макс. Напряжение элемента — это предельное значение напряжения, которое может подаваться непрерывно, и применяется только к значениям сопротивления в области выше указанного значения сопротивления.

・ Соотношение между номинальным напряжением и макс. элемент напряжения

Номинальное напряжение рассчитывается по формуле (1), но для высоких сопротивлений напряжение, рассчитанное по этому выражению, может стать слишком высоким, что может привести к разрушению элемента при продолжительном применении.

Следовательно, значение, вычисленное по формуле (1), сравнивается с макс. напряжение элемента, а меньшее значение определяется как номинальное напряжение.

Это макс. Напряжение элемента указано для каждой серии и размера изделия.

[Определение номинального напряжения]

Ex:
Для номинальной мощности 1 Вт, сопротивления 100 кОм и макс. напряжение элемента,
・ Номинальное напряжение = √ (Номинальная мощность x сопротивление) = √ (1,0 x 100000) ≒ 316 В

Однако, поскольку макс.напряжение элемента составляет 200В, напряжение выше 200В не может быть приложено. Таким образом, номинальное напряжение для этого продукта составляет 200 В.

[Заключение]

■ Образец 1

Расчетное значение √ (номинальная мощность x сопротивление) <макс. Элемент Напряжение

→ Используйте рассчитанное значение √ (номинальная мощность x сопротивление) в качестве номинального напряжения.

■ Образец 2

Расчетное значение √ (номинальная мощность x сопротивление)> Макс. Элемент Напряжение

→ Используйте значение Макс.Напряжение элемента как номинальное напряжение. <Ключевой момент>

Сравните значение, вычисленное по приведенной выше формуле, с макс. напряжение элемента и определите меньшее из двух как номинальное напряжение продукта.

критическое сопротивление

Критическое сопротивление относится к удельному сопротивлению, описанному в макс. напряжение элемента выше.

[Критическое сопротивление при макс. напряжение элемента 200В]

Макс.напряжение перегрузки

Макс. Напряжение перегрузки — это максимальное напряжение, которое может быть приложено во время испытания на перегрузку (JIS C 5201-1 4.13) [и используется только для испытания на перегрузку].

Как и макс. напряжение элемента, это значение применяется к области с высоким сопротивлением, и если напряжение перегрузки, рассчитанное по (номинальному напряжению) x (гарантированный коэффициент для каждого продукта), увеличивается, повреждение из-за перенапряжения может произойти на высоких сопротивлениях.

Следовательно, макс. Напряжение перегрузки определяется как верхний предел напряжения, который можно использовать при испытании на перегрузку.

Семейство резисторов .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.