формула и физический смысл величины, правила безопасности и единицы измерения

При проектировании различных устройств необходимо рассчитывать характеристики электричества. Для этих целей применяется законы Ома (для участка и полной цепи), позволяющие вычислять ток, сопротивление и электрическое напряжение. Формулы связывают последние параметры, а также могут быть полезны при решении задач по физике, электротехнике и микросхемотехнике.

Подготовка к обучению

Ключевым моментом перед изучением характеристик электричества являются правила безопасности, четкое выполнение которых позволит не только избежать несчастных случаев, но и спасет жизнь. Однако для понимания процесса следует подробно выяснить пагубное влияние тока на организм человека. Если начинающий физик будет владеть этой информацией, то он усвоит правила очень быстро.

Правила безопасности

Безопасность выполнения работ с монтажом и демонтажем приборов, которые работают от электричества, играет очень важную роль при сохранении жизни и здоровья.

К ним относятся следующие:

1. Работа осуществляется только с обесточенными элементами цепи.
2. Запрещается работать в сырых помещениях.
3. Рекомендуется использовать заземление. Его сопротивление не должно превышать 4 Ом.
4. Соблюдать порядок на рабочем месте.
5. При измерении величины напряжения и тока не касаться токоведущих частей.
6. Под ногами должен быть прорезиненый коврик, а на руках — диэлектрические перчатки.
7. Работу нужно выполнять с инструментом, ручки которого изолированы.
8. При выполнении работ с высокими значениями напряжения запрещено работать одному.

Это только часть самых важных правил. Главное — быть внимательным и обдумывать каждое действие. Опытные электрики рекомендуют также ознакомиться с пагубным воздействием электричества на организм человека.

Влияние электричества на организм

Люди, работающие с электричеством, знают, что его опасность заключается в невидимости. Однако некоторые пробуют наличие напряжения посредством прикосновения. Это плохая идея, которая может войти в привычку. Например, электрический прибор работает от напряжения, величина которого составляет 12 В. Однако произошел пробой изоляции и величина возросла до 220 В. Человек прикасается и становится жертвой электрического удара или травмы.

Однако величина тока и напряжения для каждого индивида являются разными. Одного может ударить 36 В, а для другого оно не опасно. Причина заключается в электрическом сопротивлении тела, которое зависит от нескольких факторов:

1. Внешняя среда.
2. Психологическое состояние.
3. Толщина кожи на пальцах.
4. Текущее состояние здоровья.
5. Путь прохождения.

Существуют другие факторы, играющие важную роль при увеличении вероятности поражения человека электричеством. К ним относятся следующие:

1. Напряжение.
2. Ток.
3. Частота.

В первом случае среднестатистический показатель равен 36 В. Ток бывает постоянным и переменным. Первый является наиболее опасным.

Это обусловлено постоянным воздействием на организм человека. Если он является переменным, то существует вероятность освободиться, поскольку у него существует амплитуда, изменяющаяся с течением времени.

Ученые провели исследования и выяснили, что сила тока, равная 100 мА, поражает сердечную мышцу. Если показатель находится в диапазоне от 50 до 90 мА, то происходит мышечный спазм и потеря сознания. Максимальное допустимое значение тока определяется экспериментальным путем. Оно индивидуально для каждого.

К телу человека подключается электрическая установка с плавным регулированием показателя при постоянном напряжении 10 В. Увеличение длится до появления первых признаков поражения. После этого величина фиксируется, а затем из нее вычитается 5 мА.

Далее измеряется сопротивление человека. Расчет выглядит таким образом:

1. Максимальное допустимое значение тока (Imax): 80 мА.
2. Расчетная величина (во всех источниках может обозначаться «Iр»): Iр=Imax-5мА=80−5=75 мА.
3. Сопротивление человека (Rч): Rч=2,2 кОм.
4. Напряжение (U), которое является опасным для жизни: U=IpRч=0,075*2200=165 В.

Следовательно, опасным для человека с сопротивлением тела, которое равно 2,2 кОм, и током в 75 мА составляет 165 В.

Виды травм

При воздействии электричества на организм человека возникают травмы. Они классифицируются на такие виды:

1. Электрические ожоги — травмы, возникающие при тепловом воздействии тока на отдельный участок кожи.
2. Электрические знаки — изменение цвета (серый или бледно-серый) пораженной кожи при прямом контакте с токоведущей поверхностью.
3. Металлизация эпителия — травма, возникающая при коротком замыкании. В этом случае частицы расплавленного металла попадают вглубь кожи.
4. Механические — вид повреждения при сокращении мышц, после которого происходит падение.
5. Электроофтальмия — раздражающий эффект слизистой оболочки глаз, вызванный ярким светом (например, при сварке или образовании электрической дуги).
6. Электрический удар — серьезное поражение электричеством, приводящее к потере сознания, остановке сердечной мышцы, электрическому шоку, клинической и биологической смерти.

После выяснения пагубного влияния электричества на человека рекомендуется приступить к изучению определений, формул и законов, связывающих характеристики напряжения, тока и сопротивления.

Информация о напряжении

Напряжение — работа электрического тока, при которой происходит перемещение заряда из одной точки в другую. Оно имеет векторное направление. Электрическим током является движение заряженных элементарных частиц под воздействие электромагнитного поля.

Некоторые начинающие физики не знают, в чем измеряется напряжение. Знать это очень важно, поскольку элементы электрической цепи можно рассчитать неверно. Единицей измерения тока является ампер (А), а напряжения — вольт (В). В последнем случае применяется вольтметр — прибор, измеряющий величину напряжения или разности потенциалов. Он подключается параллельно в систему. Например, нужно измерить его значение на лампочке накаливания. Для этого необходимо подключиться параллельно к ней, а не последовательно.

Физический смысл

Под физическим смыслом напряжения или разности потенциалов понимают работу, необходимую для перемещения точечного заряда в 1 Кл из одного места в другое. В этом случае переносится только положительный потенциал. При этом возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая называется напряжением или разностью потенциалов.

Для понимания физического смысла следует рассмотреть более простой пример. Пусть существует некоторая система, состоящая из насоса, труб и крана. Насос — напряженность электрического поля, трубы — провода, а кран — сопротивление системы. При включении первого происходит закачивание воды. Если немного приоткрыть кран, то она польется маленькой струйкой. При открытии его полностью жидкость будет уходить более интенсивно.

Формулы для вычислений

Все формулы для расчетов построены на законах Ома. Их всего два: для участка и для всей цепи. Формулировка первого: ток, протекающий на искомом участке, прямо пропорционален U и обратно пропорционален R. Его математическая запись имеет такой вид: I=U/R. Из последнего получаются такие соотношения:

1. U=IR.
2. R=U/I.
3. P=IU=(I² )R=(U² )/R, где Р — мощность.

Для полной цепи закон формулируется иначе: ток I прямо пропорционален ЭДС (E) и обратно пропорционален алгебраической сумме внешнего R и внутреннего r сопротивлений. Следует отметить, что r — проводимость источника питания. Записывается он в таком виде: I=E/(R+r).

Физики вывели следующие соотношения, помогающие при расчетах:

1. Е=I (R+r).
2. R=(E/I)-r.
3. r=(E/I)-R.
4. Р=ЕI=(E² )/(R+r)=(R+r)I².

Однако ток бывает не только постоянный, но и переменный. Для него существуют другие правила и соотношения.

Тождества для переменного тока

Напряжение при переменном токе классифицируется на определенные виды. К ним относятся следующие:

1. Мгновенное или действующее — параметр, который измеряют приборы (Um).
2. Амплитудное — величина, характеризующее максимальную величину в определенный момент времени. Расчитывается по формуле с учетом угловой частоты (w), времени (t) и угла между фазами (f), который измеряется осциллографом: u (t)=Uмsin (wt+f).
3. Среднеквадратичное (Uq) — величина, вычисляемая по формуле: Uq=0,7073Uм).

Для расчета следует иметь знания об индуктивной Xl, емкостной Xc и резистивной R нагрузках. Первая — проводимость всех элементов, содержащих индуктивность (катушки, трансформаторы, электродвигатели). Во втором случае учитываются все емкостные радиодетали (варисторы и конденсаторы). Резистивная нагрузка включает все значения резисторов.

Полный импеданс цепи (Z) равен сумме всех элементов, содержащий активную, индуктивную и емкостную. Специалисты рекомендуют использовать такие формулы, необходимые для расчетов:

1. Xl=wL.
2. Хс=1/wC.
3. Z=R+Xc+Xl.
4. I=Uм/Z.
5. Uм=IZ.
6. Z=Uм/I.

Четвертая формула является законом Ома для участка цепи, которую следует применять при переменных токах.

Таким образом, при помощи формулы напряжения можно рассчитывать не только основные параметры электричества для постоянного и переменного токов, но и его допустимые величины для человека.

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.

2) Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются

связанными : электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются

вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов

1

. Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств

проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,

не распростаняется на диэлектрики.

1. Напряжённость электрического поля внутри диэлектрика может быть не равна нулю.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о

«потенциале диэлектрика» не приходится.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

• Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

• Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10⁻¹⁵ с). Не связана с потерями.

• Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10⁻¹³ с, без потерь.

• Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

• Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

• Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

• Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

• Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10⁻²)

• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

Электрическое напряжение: определение, формула, 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:&nbsp&nbsp&nbspСопротивление тока: притяжение ядер, проводники и непроводники

Все неприличные комментарии будут удаляться.

Обсуждение:Электрическое напряжение — Википедия

В разных источниках по-разному, но как-то больше русской школе привычно обозначение U. Где-то стоит договориться о предпочитаемом для Википедии стиле. Может, тут? А в статье не мешало б обозначить статистику, историю и авторство обозначений… —Nashev 17:33, 29 августа 2011 (UTC)

• Чаще буквой V обозначают разность потенциалов, а буквой U — напряжение. Ufim (обс.) 08:35, 15 августа 2019 (UTC)

Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности Переменное трёхфазное 6-20 кВ 6.6-22 кВ Это в городских сетях 6-10 кВ, а на селе — 20 кВ

Поменял напряжение США с 110 / 190 вольт на правильные 120 / 240 вольт.

В США используется сплит-фаза: разбиение одной входной фазы в 240 вольт на две симметричные «ноги» по 120 вольт.

Таким образом, получается, в обычных розетках напряжение 120 вольт получает как напряжение между ногой №1 и нулем. Однако, там где нужно напряжение повыше (сушка одежды/котел-обогреватель воды и т.п.) получают 240 вольт как напряжение между ногой №1 и ногой №2.

Нет простейшей формулы[править код]

В статье нет простейшей формулы из закона Ома U = I*R. Это не дело, половина из посетителей страницы будут искать именно эту формулу. ~ ☭Acodered 11:44, 14 октября 2012 (UTC)

НЕВЕРНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ, Напряжение и разность потенциалов — это разные вещи[править код]

1) Первое определение в проверенной версии — неверное. Это определение для разницы потенциалов. Разница потенциалов и напряжение — это разные вещи, т.к. в напряжение входит еще и вклад от работы сторонних сил.

2) В ранней версии данной статьи понятия разности потенциалов и напряжения были смешаны, не было четко сформулировано, чем напряжение и разность потенциалов различаются, хотя с «Разность потенциалов» идет перенаправление в данную статью. В английской варианте данной статьи эти понятия даются как синонимы (что не верно) и нет ни одной формулы!

3) Первое определение не согласовано с альтернативным определением.

4) Альтернативное определение — это просто другой вариант записи первого. В записи предлагаю убрать скобки, убрать верхний и нижний пределы и указать, что это интеграл вдоль траектории.

5) Кому нужна такая статья? Кто будет интересоваться «напряжением»? Школьники и студенты, думаю, в первую очередь. Но для них текущее определение является негодным!!! Ведь им придется решать задачки с электрическими цепями, в которых есть ЭДС. Текущее определение делает бессмысленным второй закон Кирхгофа.

6) Такой подход к основным понятиям физики заставляет задуматься о редакционной политике Википедии (почитайте обсуждение английской версии данной сатьи). В английской версии ведуться долгие обсуждения по понятию, которое можно посмотреть в любой нормальной энциклопедии. А у нас — вообще не ведутся и все остается без изменений.

Всем участникам предлагаю сравнить текущую и проверенную версию. Дмитрий. 7 мая 2013.

Педагогические тонкости[править код]

Смешивание понятий «напряжение» и «разность потенциалов» происходит из-за педагогических особенностей преподавания данного раздела физики. Педагоги исходят из классического принципа «от простого — к сложному»: сначала они рассказывают детям (студентам) про закон Ома для однородного участка цепи (где напряжение и разность потенциалов совпадают, т.к. нет ЭДС), а потом переходят к теме «неоднородные участки цепи, ЭДС» и либо забывают поправить определение, либо школьники-студенты этого уже не воспринимают.

На этом примере можно видеть, что давать определения нужно с самого начала правильные, а не откладывать на потом.

В табличке под заголовком «Стандарты» смешаны реальные стандарты (напряжения, выбранные стандартизирующими организациями произвольно из различных соображений) и типичные напряжения в различных природных процессах, которые измерены, но никак не могут быть стандартизированы — типа, напряжения при съёме кардиограммы или пробое сантиметра воздуха. Надо бы либо заголовок сменить, либо разбить таблички и у второй таки сделать другой заголовок. —Nashev 11:31, 6 мая 2013 (UTC)

сила и работа магнитного поля[править код]

«работа A^{ef}_{AB} равна сумме работ электрического поля A^{el}_{AB} и сторонних сил A^{ex}_{AB} (то есть сил неэлектростатического происхождения, например, магнитных сил)».

«Магнитные силы» (корявая и неверная фраза) не производят работы над пробным зарядом, т.к.ортогональны перемещению. А. Пономарев 176.62.180.101 11:58, 26 декабря 2013 (UTC)

Действительно, сила Лоренца работы не совершает. Однако, если эту силу разложить на две не сонаправленных составляющих, то каждая из них будет совершать работу, отличную от нуля. —VladVD 16:23, 24 января 2014 (UTC)

Добавьте свой пример сторонней силы. Дмитрий

Я считаю надо в первую очередь давать определение простое или сложное — а более фунадментальное. Так напряжение — это производное понятие строится на основе понятия разности потенциалов и потенциалов. Необходимо указать историческое развитие данного понятия, что включает как его формализация (естественными или математическими лингвистиками) так и очень важно указать методы измерения, измерительные системы — в каких случаях их адекватно, а в каких их применение неадекватно 178.66.206.128 10:45, 28 октября 2014 (UTC)

U=Aq{\displaystyle U={\frac {A}{q}}}, где A{\displaystyle A} — работа тока, а q{\displaystyle q} — заряд. Вот новая формула которую я внёс. Можно ли её оставить??? —Medvejonok2100 (обс) 15:44, 10 августа 2016 (UTC)

В статье сказано, что электри́ческое напряже́ние между двумя точками это физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля, (совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую), а не некоей «работе тока». Поэтому предлагаемая вами формула неприемлема. —VladVD (обс) 16:44, 10 августа 2016 (UTC)

Ну тогда давайте переименуем работа тока в механическая работа. Но удалять формулу не нада —Medvejonok2100 (обс) 17:58, 10 августа 2016 (UTC)

Разместите сначала здесь ту правку, что вы хотите внести в статью, и объясните, чем она полезна для статьи. Всё это мы и обсудим. А одного переименования для внесения вашей правки недостаточно. —VladVD (обс) 18:23, 10 августа 2016 (UTC)

U=Aq{\displaystyle U={\frac {A}{q}}}, где A{\displaystyle A} — механическая работа, а q{\displaystyle q} — заряд. Так годиться??? —Medvejonok2100 (обс) 18:25, 10 августа 2016 (UTC)

Не годится. Не сказано, что это за заряд и работа какой силы имеется в виду. Важно также, что вы не объяснили, зачем такая формула нужна в статье. —VladVD (обс) 18:44, 10 августа 2016 (UTC)

U=Aq{\displaystyle U={\frac {A}{q}}}, где A{\displaystyle A} — работа электрической силы, а q{\displaystyle q} — электрический заряд. Теперь точно всё вношу в статью. —Medvejonok2100 (обс) 03:55, 11 августа 2016 (UTC)

Изменения не существенны. Не годится. —VladVD (обс) 12:02, 11 августа 2016 (UTC)

В нынешней статье — нестандартное определение напряжения.[править код]

Нынешняя статья основана на внутренне логичном представлении о том, что напряжение — это работа «эффективного» элетрического поля по перемещению единичного заряда, то есть работа электростатических и ВСЕХ сторонних сил.

Но это противоречит ГОСТУ, Физическому энциклопедическому словарю и тем современным вузовским учебникам, что у меня на руках. Они включают в напряжение лишь работу ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ сил по перемещению единичного заряда. Электрические силы — это электростатические плюс сторонние электрические (неэлектростатичесие) силы. Другие сторонние силы в напряжение входить не должны.

ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий:

29 (электрическое) напряжение
Скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля вдоль рассматриваемого пути.

Как видим, слова «эффективного» нет.

Физический энциклопедический словарь:

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ между двумя точками электрической цепи или электрич. поля, равно работе электрич. поля по перемещению единичного положит. заряда из одной точки в другую.

Надо бы изменить определение и соответствующие места по всей статье. В частности, сейчас в статье неявно подразумевается, что:

U=V+E{\displaystyle U=V+{\mathcal {E}}},

где U — напряжение, V — разность потенциалов, E{\displaystyle {\mathcal {E}}} — ЭДС всех сторонних сил.

А надо бы:

U=V+Eind{\displaystyle U=V+{\mathcal {E}}_{ind}},

где U — напряжение, V — разность потенциалов, Eind{\displaystyle {\mathcal {E}}_{ind}} — ЭДС индукции.</math>

Ufim (обс.) 08:22, 15 августа 2019 (UTC)

• Добавление. Я нашёл, откуда взялось «эффективное» — из 5-томной Физической энциклопедии, которая, в свою очередь, ссылается на Тамма «Основы теории электричества». Но та энциклопедия издана до принятия ГОСТа, а у Тамма определение совпадает с ГОСТовским.Ufim (обс.) 07:19, 18 августа 2019 (UTC)

• Определение напряжения, данное в статье, совпадает не только с определением Физической энциклопедии, но и с определением Большой российской энциклопедии [1]. Очевидно, что мы не можем игнорировать или как-то «исправлять» мнения этих высокоавторитетных источников.
• Упомянутый выше ГОСТ относится только к электротехнике и не регулирует терминологию, применяющуюся в других областях науки и техники.
• Вместе с тем считаю возможным и полезным упомянуть в статье о том, что в электротехнике используется то определение, что приведено в ГОСТе. —VladVD (обс.) 11:42, 21 августа 2019 (UTC)

• БРЭ, в заголовке повторяя определение ФЭ, тем не менее в тексте фактически склоняется к определению ГОСТа, БСЭ и ФЭС:

Под Н. э. на за­жи­мах галь­ва­нич. эле­мен­та, ба­та­реи или ак­ку­му­ля­то­ра по­ни­ма­ют не ве­ли­чи­ну U12, оп­ре­де­ляе­мую фор­му­ла­ми (1) или (2), а мо­дуль раз­но­сти по­тен­циа­лов |φ1−φ2| (он ра­вен эдс ε12 в слу­чае, ко­гда си­ла то­ка рав­на ну­лю – цепь ра­зомк­ну­та).

• Очевидно, что мы не можем игнорировать или как-то «исправлять» мнения этих высокоавторитетных источников. Поэтому предлагаю на равных описать оба варианта.Ufim (обс.) 19:38, 25 августа 2019 (UTC)

• Действительно, давайте не будем ни исправлять, ни игнорировать и, значит, будем описывать содержание ГОСТа, как относящееся только к электротехнике.
• Если вы считаете полезным упомянуть в статье про напряжение на зажимах гальванических элементов, батарей и т. п., то упомяните, я не против. —VladVD (обс.) 08:59, 28 августа 2019 (UTC)

Шаговое напряжение — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Напряжение. Распределение электрического потенциала вокруг упавшего провода; U_S1−U_S2 — шаговое напряжение. Поваленные опоры электропередачи могут стать источником шагового напряжения.

Шаговое напряжение — напряжение, обусловленное электрическим током, протекающим по земле или по токопроводящему полу, и равное разности потенциалов между двумя точками поверхности земли (пола), находящимися на расстоянии одного шага человека. Шаговое напряжение зависит от длины шага, удельного сопротивления грунта и силы протекающего через него тока, а также частоты тока и других параметров. Опасное шаговое напряжение может возникнуть, например, около упавшего на землю провода под напряжением или вблизи заземлителей электроустановок при аварийном коротком замыкании на землю (допустимые значения сопротивления заземлителей и удельное сопротивление грунта нормируются для того, чтобы избежать подобной ситуации).^[1]

При попадании под шаговое напряжение через тело человека начинает проходить ток, возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног и, как следствие, падение человека на землю. Ток начинает проходить между новыми точками опоры — например, от рук к ногам, что приводит к дальнейшему поражению и всё больше приближает смертельное поражение. Даже если первый удар оказался не смертельным, пострадавший не может покинуть зону шагового напряжения самостоятельно. При подозрении на шаговое напряжение надо покинуть опасную зону минимальными шажками («гусиным шагом»).

Особо опасно шаговое напряжение для крупного рогатого скота, так как расстояние между передними и задними ногами у этих животных очень велико и, соответственно, велико напряжение, под которое они попадают. Нередки случаи гибели скота от шагового напряжения.

Шаговое напряжение зависит от сопротивления разных слоёв почвы^[2] — тем не менее, поддаётся прикидочным расчётам^[3]. Для примера рассмотрим однофазное замыкание на землю в одной точке. Сначала надо вычислить ток однофазного замыкания.

Isc=UphaseR0+Rcont{\displaystyle I_{\text{sc}}={\frac {U_{\text{phase}}}{R_{0}+R_{\text{cont}}}}},

где I_sc — ток короткого замыкания, U_phase — напряжение фазы, R₀ — сопротивление рабочего заземления нейтрали (единицы ом), R_cont — сопротивление растеканию тока в месте контакта (обычно оценивают в 12 Ом). После этого можно вычислить шаговое напряжение:

Ustep=Iscρa2πx(x+a){\displaystyle U_{\text{step}}={\frac {I_{\text{sc}}\rho a}{2\pi x(x+a)}}},

где ρ — удельное сопротивление земли (сотни ом-метров), x — расстояние от проводника, a — длина шага, для человека от 0,7 м (средняя) до 1,0 м (с запасом), для скота 1,4 м.

При определённых условиях (вспотевший человек, промокшая обувь) сопротивление между ногами может быть меньше 1 кОм — так что даже низкие (несколько десятков вольт) напряжения не всегда безопасны! На производстве имелось немало несчастных случаев от удара напряжением в 36 и менее вольт^[4].

В 1928 году в Ленинграде произошла авария, вошедшая в учебники под названием «лошадиной»^[5].

Посреди площади, вымощенной деревянными шестиугольниками, стоял чугунный колодец с разъединителем на 2000 вольт. Однажды в колодце растрескался изолятор, и разъединитель повис на проводе в нескольких сантиметрах от стенки. Прошёл дождь, и мостовая стала проводящей и податливой. Когда рядом с колодцем проехала гружёная телега, мостовая прогнулась — и провод замкнуло на колодец.

Людей, чья длина шага не превышала метра, просто било током. А лошадь, с её полутораметровым корпусом и железными подковами, убило насмерть. Мостовая была под напряжением в течение двух секунд, после чего на подстанции сработал «автомат».

Неожиданная гибель лошади вызвала интерес людей, прибыл конный патруль. Телегу оттащили, и короткое замыкание прекратилось. В это время дежурный по подстанции проверил сопротивление изоляции и, посчитав отключение ложным, подал ток. Разъединитель с колодцем образовали электрическую дугу, и на мостовой снова возникло шаговое напряжение, погибли две милицейские лошади.

Повторно подать ток дежурный не имел права, так что ущерб ограничился тремя убитыми лошадьми.

В 2011 году сходная авария случилась на английском ипподроме в графстве Беркшир, причиной стал ветхий подземный кабель^[6].

Электрическая сеть — Википедия

Высоковольтная линия электропередачи

Электрическая сеть — совокупность электроустановок, предназначенных для передачи и распределения электроэнергии от электростанции к потребителю.

1. Назначение, область применения
   • Сети общего назначения: электроснабжение бытовых, промышленных, сельскохозяйственных и транспортных потребителей.
   • Сети автономного электроснабжения: электроснабжение мобильных и автономных объектов (транспортные средства, суда, самолёты, космические аппараты, автономные станции, роботы и т. п.). См. также: Бортовая сеть.
   • Сети технологических объектов: электроснабжение производственных объектов и других инженерных сетей.
   • Контактная сеть: специальная сеть, служащая для передачи электроэнергии на движущиеся вдоль неё транспортные средства (локомотив, трамвай, троллейбус, метро).
2. Масштабные признаки, размеры сети
   • Магистральные сети: сети, связывающие отдельные регионы, страны и их крупнейшие источники и центры потребления. Характерны сверхвысоким и высоким уровнем напряжения и большими потоками мощности (гигаватты).
   • Региональные сети: сети масштаба региона (в России — уровня субъектов Федерации). Имеют питание от магистральных сетей и собственных региональных источников питания, обслуживают крупных потребителей (город, район, предприятие, месторождение, транспортный терминал). Характерны высоким и средним уровнем напряжения и большими потоками мощности (сотни мегаватт, гигаватты).
   • Районные сети, распределительные сети: имеют питание от региональных сетей. Обычно не имеют собственных источников питания, обслуживают средних и мелких потребителей (внутриквартальные и поселковые сети, предприятия, небольшие месторождения, транспортные узлы). Характерны средним и низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (мегаватты).
   • Внутренние сети: распределяют электроэнергию на небольшом пространстве — в рамках района города, села, квартала, завода. Зачастую имеют всего 1 или 2 точки питания от внешней сети. При этом иногда имеют собственный резервный источник питания. Характерны низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (сотни киловатт, мегаватты).
   • Электропроводка: сети самого нижнего уровня — отдельного здания, цеха, помещения. Зачастую рассматриваются совместно с внутренними сетями. Характерны низким и бытовым уровнем напряжения и малыми потоками мощности (десятки и сотни киловатт).
3. Род тока
   • Переменный трёхфазный ток: большинство сетей высших, средних и низких классов напряжений, магистральные, региональные и распределительные сети. Переменный электрический ток передаётся по трём проводам таким образом, что фаза переменного тока в каждом из них смещена относительно других на 120°. Каждый провод и переменный ток в нём называются «фазой». Каждая «фаза» имеет определённое напряжение относительно земли, которая выступает в роли четвёртого проводника.
   • Переменный однофазный ток: большинство сетей бытовой электропроводки, оконечных сетей потребителей. Переменный ток передаётся к потребителю от распределительного щита или подстанции по двум проводам (т.н. «фаза» и «ноль»). Потенциал «нуля» совпадает с потенциалом земли, однако конструктивно «ноль» отличается от провода заземления.
   • Постоянный ток: большинство контактных сетей, некоторые сети автономного электроснабжения, а также ряд специальных сетей сверхвысокого и ультравысокого напряжения, имеющих пока ограниченное распространение.

Переменный ток[править | править код]

Большинство крупных источников электроэнергии — электростанции — построено с использованием генераторов переменного тока. Кроме того, амплитудное напряжение переменного тока может быть легко изменено при помощи силовых трансформаторов, что позволяет повышать и понижать напряжение в широких пределах. Основные потребители электроэнергии также ориентированы на непосредственное использование переменного тока. Мировым стандартом генерации, передачи и преобразования электроэнергии является использование переменного трёхфазного тока. В России и европейских странах промышленная частота тока равна 50 герц, в США, Японии и ряде других стран — 60 герц.

Переменный однофазный ток используется многими бытовыми потребителями и получается из переменного трёхфазного тока путём объединения потребителей в группы по фазам. При этом каждой группе потребителей выделяется одна из трёх фаз, а второй провод («ноль»), используемый при передаче однофазного тока, является общим для всех групп и в своей начальной точке заземляется.

Классы напряжения[править | править код]

При передаче большой электрической мощности при низком напряжении возникают большие омические потери из-за больших значений протекающего тока. Формула δS = I²R описывает потерю мощности в зависимости от сопротивления линии и протекающего тока. Для снижения потерь уменьшают протекающий ток: при снижении тока в 2 раза омические потери снижаются в 4 раза. Согласно формуле полной электрической мощности S = I×U, для передачи такой же мощности при пониженном токе необходимо во столько же раз повысить напряжение. Таким образом, большие мощности целесообразно передавать при высоком напряжении. Однако строительство высоковольтных сетей сопряжено с рядом технических трудностей; кроме того, непосредственно потреблять электроэнергию с высоким напряжением крайне проблематично для конечных потребителей.

В связи с этим сети разбивают на участки с разным классом напряжения (уровнем напряжения). Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения^[1]:

• от 750 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) — Ультравысокий,
• 750 кВ, 500 кВ, 400 кВ (европейский стандарт) — Сверхвысокий,
• 330 кВ (Европа), 220 кВ, 150 кВ (Мурманская область России, юг Украины), 110 кВ (Европа) — ВН, Высокое напряжение,
• 35 кВ, 33 кВ (Европа), 20 кВ (Европа, сельские сети) — СН-1, Среднее первое напряжение,
• 10 кВ (Европа, городские сети), 6 кВ, 3 кВ — СН-2, Среднее второе напряжение,
• 24 кВ, 22 кВ, 18 кВ, 15,75 кВ (наиболее распространённое), 13 кВ, (3 кВ) — напряжение на выводах генераторов
• 0,69 кВ (европейский промышленный), 0,4 кВ (400/230В — основной стандарт), 0,23 кВ (220/127 В), 110 В (старый европейский, США бытовой) и ниже — НН, низкое напряжение.
• для безопасной работы с электроинструментом, аппаратами и машинами существуют термины FELV, PELV и SELV. Регламентируются стандартами DIN/VDE 0100-410, BS 7671, BS EN 60335, IEC 61140 Protection against electric shock и IEC 60364-4-41 Low-voltage electrical installations; правилами «AS/NZS 3000 Wiring Rules» и т. д.

Уровень напряжения (иногда «диапазон напряжения» или «тарифный уровень напряжения», или «тарифный уровень (диапазон, класс) напряжения», или «класс напряжения») – это понятие, также используемое:

• в тарифном регулировании – при установлении тарифов на передачу электроэнергии
• в применении тарифов на передачу электроэнергии в расчётах за услуги по передаче электроэнергии

По «уровням напряжения» тарифы дифференцируются, то есть различаются по величине. Чем выше «уровень напряжения», тем ниже величина тарифа. Поэтому потребители стремятся подтвердить наиболее высокий «уровень напряжения».

Преобразование напряжения[править | править код]

Преобразование напряжения

Как правило, генераторы источника и потребители работают с низким номинальным напряжением. Потери энергии в линиях обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому для снижения потерь электроэнергию выгодно передавать на высоких напряжениях. Для этого на выходе от генератора его повышают, а на входе потребителя его понижают при помощи силовых трансформаторов.

Структура сети[править | править код]

Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи, которые соединяют подстанции. Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными), иметь ответвления (отпайки). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы различных типов.

Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема, представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.

Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.

Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей. Это осуществляется при помощи линии электропередачи — специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод — неизолированный проводник, или кабель — изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры, эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы, разрядники, заземление).