Электрическое напряжение – скорость, формула, единица измерения СИ

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 199.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 199.

Заряженные частицы, попадая в электрическое поле, начинают двигаться упорядоченно в определенном направлении. Частицы приобретают определенную энергию, то есть совершается работа. Для определения величины работы по перемещению электрических зарядов в электрическом поле с напряженностью Е потребовалось введение еще одной физической величины — электрического напряжения U.

Чему равна работа электрического поля

Отношение работы А, совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда q называется электрическим напряжением U между этими точками:

$$ U = { А \over q } $$

Можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по перемещению заряда величиной в 1 кулон из одной точки электрического поля в другую.

Тогда для определения величины совершенной полем работы, можно получить следующее выражение:

$$ А = { q * U } $$

Рис. 1. Электроны в электрическом поле.

Единицы измерения

В международной системе единиц (системе СИ) единица измерения напряжения (В) названа в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта (1745-1827г.г.), внесшего огромный вклад в понимание природы электричества. Поскольку работа измеряется в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (К), то:

$$ [1В] ={ [1 Дж]\over [1 К] } $$

Напряжение может изменяться в широчайших пределах, поэтому для расчетов часто используются такие внесистемные единицы, как:

• 1 микровольт (мкВ) = 0,0000001 В;
• 1 милливольт (мВ) = 0,001 В;
• 1 киловольт (кВ) = 1000 В;
• 1 МВ (мегавольт) = 1000000 В.

Постоянное и переменное напряжения

Различают два вида напряжений — постоянное и переменное. Примером источников постоянного напряжения могут служить обычные батарейки, используемые в бытовой технике: пультах, телефонах и т. д. На поверхности батареек всегда присутствуют обозначения “−” и “+”.

Это означает, что направление электрического поля, создаваемое батареей будет все время постоянным. Источники переменного напряжения были изобретены позднее и получили огромное распространение ввиду того, что переменный ток легче поддается преобразованиям (усилению, ослаблению) и передаче на дальние расстояния. Рис. 2. Графики постоянного и переменного напряжений.

Из графиков видно, что постоянное напряжение не зависит от времени,

$$U(t) = const $$

Переменное напряжение изменяется, переходя через нулевое значение, меняя знак “+” на “−”. Для формулы электрического напряжения U(t) хорошо подходят тригонометрические функции синуса или косинуса:

$$ U(t) = U_А * sin(ω*t) $$

где U_А— амплитуда переменного напряжения, то есть максимальное значение напряжения;

ω — частота переменного напряжения, показывающая сколько раз за одну секунду изменяется знак напряжения, то есть “плюс” меняется на “минус”.

Величина частоты показывает с какой скоростью (как часто) изменяется полярность напряжения. Например, в электрических розетках наших квартир напряжение изменяется 50 раз в секунду (с частотой 50 Герц).

Действие электрического напряжения, начиная с некоторых значений становится небезопасным для человека. В сухих помещениях безопасным считается напряжение до 36 В. Для помещений с повышенной сыростью эта величина еще меньше — 12 В. Поэтому надо всегда соблюдать технику безопасности при работе и обращении с электрическими приборами.

Как и чем измеряют напряжение

Напряжение измеряют с помощью прибора, который называется вольтметром. Вольтметр подключается параллельно элементу электрической цепи, где хотят измерить падение напряжения. Обозначается на схемах вольтметр в виде кружка, с расположенной внутри него буквой V.

Рис. 3. Различные вольтметры и их обозначение на схемах.

Раньше все вольтметры были стрелочные, и значение напряжения показывала стрелка на шкале прибора с нанесенными цифровыми значениями. Сейчас большинство этих приборов выпускаются с электронной индикацией (светодиодной или жидкокристаллической). Сам вольтметр не должен влиять на результат измерения, поэтому его собственное сопротивление делают очень большим, чтобы через него практически не протекали заряды (электрический ток).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрическое напряжение — это физическая величина, характеризующая работу силы электрического поля по перемещению электрических зарядов. Напряжение может быть постоянным или переменным. Для измерения напряжения используются вольтметры.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Марина Ковтун

  9/10

Оценка доклада

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 199.

---

А какая ваша оценка?

Электрическое напряжение

Определение для напряжения в проводнике с током

В том случае если в проводнике есть эклектический ток, значит между любыми двумя его точками, есть разность потенциалов (${\varphi }_1-{\varphi }_2$), которая в электростатике совпадает с напряжением (U). Мы записывали, что:

Однако, для существования постоянного тока в проводнике по мимо кулоновских должны присутствовать сторонние силы, напряженность в данной точке поля в проводнике с током равна:

где $\overrightarrow{E}$ напряженность электрического поля, которая является суммой напряжённости кулоновского поля (${\overrightarrow{E}}_q$) и поля сторонних сил (${\overrightarrow{E}}_{stor}$). Следовательно, напряжение в проводнике с током не будет совпадать с разностью потенциалов.

Напряжением (падением напряжения) $U_{21}$ на участке цепи 1-2 по которому идет ток называется величина, которая равна работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда на данном участке:

где $d\overrightarrow{l}$-вектор, численно равный элементу длины проводника и направленный по касательной к проводнику, совпадающий по направлению с вектором плотности тока.

Если подставить в (4) уравнение (2), то мы получим:

где ${{\mathcal E}}_{stor}$ — электродвижущая сила на участке цепи 1-2, равная:

${\varphi }_1-{\varphi }_2$ — разность потенциалов электростатического поля в точках 1 и 2, которая равна:

Очевидно, что если цепь замкнута, то

В таком случае для замкнутой цепи, мы получим:

Основной единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт — В.

Связь силы тока и напряжения для участка цепи

Такая физическая величина, как напряжение, фигурирует во многих законах относящихся к электродинамике. Так, одним из немаловажных законов является закон Ома для произвольного участка цепи, который записывается как:

Формула (7) показывает, что напряжение на участке 1-2 равно произведению силы тока, который течет через этот участок на сопротивление этого участка. Часто индексы, которые стоят в формуле (7) у напряжения и сопротивления опускают.

Виды напряжения

На практике выделяют: мгновенное напряжение, амплитудное напряжение, среднее значение напряжения, среднеквадратичное напряжение, средневыпрямленное напряжение.

• Мгновенное напряжение ($U_m$) — равно разности потенциалов двух точек проводника с током в заданный момент времени. Данное напряжение является функцией от времени.
• Амплитудное напряжение ($U_{max}$) — максимальное значение (по модулю) мгновенного напряжения за период изменений напряжения. T_0{\left|U(t)\right|}dt\ \left(14\right).\]

  Для гармонически изменяющегося напряжения выполняется равенство:

  \[U_v=\frac{2}{\pi }U_{max}\left(15\right).\]

Напряжение при соединении проводников

При последовательном соединении проводников (рис.1), суммарное напряжение в цепи находится как сумма напряжений:

Рис. 1

При параллельном соединении (рис.2) результирующее напряжение постоянно. Сила тока равна сумме токов в проводниках:

Рис. 2

Пример 1

Задание: На рис.3 изображена замкнутая цепь, которая содержит сопротивление и источник тока ЭДС которого равна $\mathcal E$, внутреннее сопротивление источника r.

Найдите напряжение на внешней цепи, зная параметры источника тока и силу тока в цепи I.

Рис. 3

Решение:

Если цепь замкнута, то ${\varphi }_1={\varphi }_2$. Напряжение на клеммах источника тока (на внешней цепи) равно:

\[{\mathcal E}=IR\ \left(1. 1\right),\]

где ${\mathcal E}$ — алгебраическая сумма всех ЭДС в цепи.

Напряжение на внешней цепи, которая задана, равно:

\[U=IR_1(1.2)\]

Если источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление r, то для сопротивления всей цепи (R) запишем:

\[R=R_1+r\to R_1=R-r\ \left(1.3\right),\]

где $r$ — внутреннее сопротивление источника.

Cила тока во внешней цепи, равна:

\[I=\frac{{\mathcal E}}{R_1+r}\left(1.4\right).\]

Подставим в (1.1) формулы (1.4) и (1.3), получим:

\[U=\frac{{\mathcal E}R_1}{R_1+r}=\frac{{\mathcal E}\left(R-r\ \right)}{R_1+r}=\frac{{\mathcal E}R}{R_1+r}-\frac{{\mathcal E}r}{R_1+r}=IR-Ir={\mathcal E}-Ir.\]

Ответ: $U={\mathcal E}-Ir.$

Пример 2

Задание: Как можно измерить ЭДС источника тока?

Решение:

При разомкнутой цепи сила тока в ней равна нулю (I=0), Исходя из результата предыдущего примера в цепи (рис.

3) мы имеем:

\[U={\mathcal E}-Ir\ \left(2.1\right)\]

при I=0 из (2.1) получаем, что:

\[U={\mathcal E}\left(2.2\right).\]

А так как сторонние силы при разомкнутой цепи работы не совершают, то:

\[U={\varphi }_1-{\varphi }_2(2.3).\]

Следовательно, можно записать, что при разомкнутой цепи:

\[{\mathcal E}={\varphi }_1-{\varphi }_2.\]

Ответ: Для того чтобы найти ${\mathcal E}$ источника тока можно измерить разность потенциалов на его клеммах в ситуации, когда цепь не замкнута.

Что такое напряжение? Определение и значение, формула

Одним из наиболее фундаментальных терминов в электротехнике является термин «электрическое напряжение». В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.

Определение и значение

Напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» течь электрический ток I. Напряжение всегда возникает, когда заряды отделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды находятся с одной стороны, а все положительные заряды — с другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, по ним потечет электрический ток.

Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».

Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила электрического заряда.

Потенциал в электрическом поле – это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения можете посмотреть сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.

Есть другое определение (из книги по физике):

Напряжение — физическая величина, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками в электрическом поле численно равно работе, совершаемой по переносу 1 Кл заряда между ними силами электрического поля.

Примечание: 1 Кл = 1 Кулон.

Сравнение с использованием модели потока воды.

Хорошей аналогией, которая поможет вам представить электрическое напряжение и потенциал, является водяная цепь. На этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. По этой трубе вода может течь из верхнего бассейна в нижний бассейн. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 1: Электрическое напряжение – сравнение с использованием модели потока воды

Теперь вы можете легко сравнить насос с источником электрического напряжения. Вы также можете сравнить поток воды с электрическим током. Насос перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний бассейн. Оттуда она течет обратно в нижний бассейн самостоятельно. В этом примере насос является водителем потока. Чем больше разница в высоте, тем больше поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бьефа. Вы можете сравнить разницу в энергии двух бассейнов с разницей в электрическом потенциале. Проще говоря, большая разница высот соответствует большему электрическому напряжению.

В Европе и большинстве стран мира доступны розетки на 230 В. Однако в США, Японии и некоторых странах Южной Америки стандартом является 110 В. Эти различия (а также разные стандарты вилок) вызывают проблемы, особенно у туристов.

Формула напряжения

Формула электрического напряжения U по закону Ома для участка цепи:

U = R*I. неизменно, чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше электрический ток (I).

Другая формула для расчета электрического напряжения выглядит следующим образом:

U = P / I .

То есть электрическое напряжение U равно электрической мощности P, деленной на электрический ток I.

В чем измеряется напряжение (единицы измерения напряжения)?

Единицей напряжения в СИ является вольт, сокращенно V (в честь итальянского физика Алессандро Вольта).

1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками в электрическом поле, при котором между ними передается заряд в 1 Кл, а работа совершается за счет 1 Дж.

Теперь можно объяснить значение надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе заряда в 1 кулон от одного полюса источника к другому (через катушку лампочки или другой проводник) силами электрического поля может быть совершена работа 4,5 Дж или 9 Дж, соответственно.

В электротехнике напряжения могут варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10 ^-6 В) и милливольт (1 мВ = 10 ^-3 В) до киловольт (1 кВ = 1 * 10 ³ В) и мегавольт (1 МВ = 10 ⁶ В).

Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:

1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.

Электрическое напряжение в цепи

Одно из следующих значений символы обычно используются для источников напряжения в цепях.

Рисунок 2: Источники напряжения и электрическая цепь

Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс плюс и полюс минус. Само напряжение указано стрелкой напряжения (U _Q ). Для источников всегда отображается от плюса к минусу.

Электрическое напряжение, падающее на резистор, также может быть обозначено стрелкой напряжения (обозначена на схеме красной стрелкой UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.

Вы также можете часто слышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т. е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, можно только измерить напряжение на полюсах источника.

Электрическое напряжение в последовательных и параллельных цепях

У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в которой мы обсуждаем эту тему более подробно. Итак, здесь мы рассмотрим только некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты соединяются в ряд.

Рисунок 3: Напряжение в последовательных цепях

Здесь электрическое напряжение источника делится резисторами. Эта точка также описывается вторым законом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

U _Q = U ₁ + U ₂ + U ₃

то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника распределяется по разным резисторам по-разному.

В электрической цепи с параллельным соединением компоненты соответственно расположены параллельно друг другу. Это можно увидеть на следующей диаграмме.

Рисунок 4: Электрическое напряжение в параллельной цепи

Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, как при параллельном соединении:

U _Q = U ₁ = U ₂ = U ₃

Следовательно, электрические напряжения на резисторах равно электрическому напряжению источника.

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, у которого должно измеряться электрическое напряжение.

Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью цифрового мультиметра. Сначала нужно установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).

Для постоянного тока необходимо соблюдать правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. Следующим шагом является выбор правильного диапазона измерения. Если вы не можете оценить, насколько велико значение измерения, установите максимально возможный диапазон и двигайтесь вниз, пока не найдете правильный. Наконец, вам нужно только «считывать» электрическое напряжение с помощью прибора.

Примеры типовых значений электрического напряжения

Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.

. среднеквадратичное или эффективное значение)

LED	1,2 — 1,5 В
USB Charger	5 V
CAR ORTAGE	110 В (США), 230 В (Европа)
Высоковольтные линии электропередач (ВЛ)	60 кВ – 1 МВ

Видно, что на высоковольтных линиях напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для уменьшения потерь в длинных линиях.

Решающим фактором для потребителя является электрическая мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения по формуле:

P = U * I

потребитель как электрическое напряжение. По закону Ома зависимость между током и напряжением следующая:

U = R * I .

Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, наполненных одинаковым количеством воды. В каждом бассейне есть дренажное отверстие с разным поперечным сечением, например, в одном бассейне очень маленькая дренажная труба, а в другом очень большая дренажная труба.

Постоянное электрическое напряжение можно определить, убедившись, что все бассейны заполнены до одинаковой высоты. Если сток узкий в нижней части, это представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Чем больше поперечное сечение дренажной трубы, тем меньше сопротивление и, следовательно, может протекать больший ток.

Определение электрического напряжения – Wira Electrical

Из предыдущего объяснения, чтобы переместить электрон из одной точки в другую, нам нужна некоторая работа или передача энергии. Эта передача энергии также известна как электрическое напряжение.

Читайте также: типы реле

Эта работа осуществляется за счет внешней электродвижущей силы (ЭДС) и также представлена ​​на рисунке батареи.

Прежде чем двигаться дальше, обязательно прочитайте, что такое цепь постоянного тока. И не забудьте прочитать анализ линейных цепей.

Эту ЭДС можно назвать напряжением или разностью потенциалов .

В электрической цепи напряжение

v _ab  между точками a и b  нужно для перемещения единичного заряда из a в b , в математическом уравнении энергии или :

(1)

где:

w = работа (джоули = Дж)

q = заряд (кулоны = Кл)

Напряжение v _ab  измеряется в вольтах (В) в честь изобретателя-физика Алессандро Антонио Вольта (1745–1827), изобретателя первой гальванической батареи. Из уравнения (1):

1 вольт = 1 джоуль/кулон = 1 ньютон-метр/кулон

Следовательно,

Напряжение или разность потенциалов — это энергия, необходимая для перемещения единицы заряда через элементы, измеряемая в вольт (В).

Рис. 1. Разность потенциалов

Легкое понимание напряжения можно увидеть на Рис. (1). Напряжение на элементе, подключенном к точкам a и b .

Символы плюс (+) и минус (-) обозначают направление тока или полярность напряжения.

Есть два способа лечения v _ab : (1) потенциал в точке a выше, чем в точке b , или (2) потенциал в точке a по отношению к точке b равен v _ab . Логически в целом:

(2)

Для лучшего понимания рассмотрим рисунок (2). Два представления одного и того же напряжения при 9 В имеют разную полярность в зависимости от символа полярности.

На рис. (2а) точка a на +9 В выше точки b , а на рис. (2b) точка b  на -9 В выше точки  a .