Что такое напряжение, ток, сопротивление: разбираемся на примерах

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется

статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10^-19 Кл (Кулон). Обозначается е или е^–.

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой

V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

 

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются

проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10¹⁸ электронов) за 1 секунду.

 

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

 

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора «Знаток». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10¹⁸ электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.

• Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
• Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
  — амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
  — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
  — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
  — средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

• Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
• Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
• Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока:

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока:

• Прямая линия.
• Переменная синусоида гармоники.
• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока:

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Похожие темы:

Электрическое напряжение. Видеоурок. Физика 8 Класс

На прошлых уроках мы узнали о том, что такое сила тока, и о том, что эта величина характеризует действие электрического тока. Мы уже рассмотрели несколько факторов, от которых она зависит, теперь рассмотрим другие параметры, которые на нее влияют. Для этого достаточно провести простой эксперимент: подключить к электрической цепи сначала один источник тока, потом последовательно два одинаковых, а затем и три одинаковых источника, при этом каждый раз измеряя силу тока в цепи. В результате измерений будет видна простая зависимость: сила тока растет пропорционально количеству подключаемых источников. Почему же так получается? Функция источника тока – создавать электрическое поле в цепи, соответственно, чем больше включено последовательно в цепь источников, тем более сильное электрическое поле они создают. Из этого можно сделать вывод, что электрическое поле влияет на силу тока в цепи. При этом при перемещении зарядов по проводнику совершается работа электрического тока, что говорит о том, что работа электрического поля определяет силу тока в цепи.

С другой стороны, можно вспомнить аналогию между протеканием электрического тока в проводнике и воды в трубе. Когда речь идее о массе воды, протекающей через сечение трубы, то это можно сравнивать с величиной заряда, который прошел через проводник. А перепад высоты в трубе, который и формирует напор и течение воды, можно сравнить с таким понятием, как электрическое напряжение.

Для характеристики работы электрического поля по перемещению заряда введена такая величина, как электрическое напряжение.

Определение. Электрическое напряжение – физическая величина, которая равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую.

Обозначение.  напряжение.

Единица измерения.  вольт.

Названа единица измерения напряжения в честь итальянского ученого Алессанро Вольта (1745–1827) (рис. 1).

Рис. 1. Алессанро Вольта (Источник)

Если привести стандартный пример о смысле всем известной надписи на любых домашних бытовых приборах «220 В», то она означает, что на участке цепи совершается работа 220 Дж по перемещению заряда 1 Кл.

Формула для расчета напряжения:

Где:

 работа электрического поля по перенесению заряда, Дж;

 заряд, Кл.

Следовательно, единицу измерения напряжения можно представить так:

Между формулами для вычисления напряжения и силы тока существует взаимосвязь, на которую следует обратить внимание:  и . В обеих формулах присутствует величина электрического заряда , что может оказаться полезным при решении некоторых задач.

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 2).

Рис. 2. Вольтметр (Источник)

Существуют различные вольтметры по особенностям их применения, но в основе принципа их работы лежит электромагнитное действие тока. Обозначаются все вольтметры латинской буквой , которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.

В школьных условиях используются, например, вольтметры, изображенные на рисунке 3. С их помощью проводятся измерения напряжения в электрических цепях при проведении лабораторных работ.

Рис. 3. Вольтметры

Основными элементами демонстрационного 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 целью того, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключенным к источнику. В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.

Безусловно, любой электрический измерительный прибор должен минимально влиять на исследуемую цепь, поэтому вольтметр имеет такие конструктивные особенности, что его через него идет минимальный ток. Обеспечивается такой эффект подбором специальных материалов, которые способствуют минимальному протеканию заряда через прибор.

Схематическое изображение вольтметра (рис. 4):

 

 

Рис. 4.

Изобразим для примера электрическую схему (рис. 5), в которой подключен вольтметр.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.

В цепи почти минимальный набор элементов: источник тока, лампа накаливания, ключ, амперметр, подключенный последовательно, и вольтметр, подключенный параллельно к лампочке.

Замечание. Лучше начинать сборку электрической цепи со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в конце.

Существует множество различных видов вольтметров с различающимися шкалами. Поэтому вопрос о вычислении цены прибора в данном случае очень актуален. Очень распространены микровольтметры, милливольтметры, просто вольтметры и т. д. По их названиям понятно, с какой кратностью производятся измерения.

Кроме того, вольтметры делят на приборы постоянного тока и переменного тока. Хотя в городской сети и переменный ток, но на данном этапе изучения физики мы занимаемся постоянным током, который подают все гальванические элементы, поэтому нас и будут интересовать соответствующие вольтметры. То, что прибор предназначен для цепей переменного тока, принято изображать на циферблате в виде волнистой линии (рис. 6).

 

Рис. 6. Вольтметр переменного тока (Источник)

Замечание. Если говорить о значениях напряжений, то, например, напряжение 1 В является небольшой величиной. В промышленности используются гораздо большие значения напряжений, измеряемые сотнями вольт, киловольтами и даже мегавольтами. В быту же используется напряжение 220 В и меньшее.

На следующем занятии мы узнаем, что такое электрическое сопротивление проводника.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Классная физика (Источник).
2. YouTube (Источник).
3. YouTube (Источник).

 

Домашнее задание

1. Стр. 92: вопросы № 1, 2; стр. 93: вопросы № 1–4; стр. 95: вопросы № 1–4, упражнение № 16. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Вычислите, какой заряд прошел через проводник, если при напряжении 36 В электрическое поле выполнило работу 72 Дж.
3. Определите цену деления прибора:
   
   (Источник)
4. Подготовьте доклад об устройстве вольтметра и видах этого прибора.

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

Ток в цепи (I) = 10 А
Сопротивление цепи (R) = 2 Ом

Напряжение (V) = 10 А * 2 Ом

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

Напряжение и ток [Амперка / Вики]

Для того, чтобы электронный компонент совершал полезную работу: лампа — горела, двигатель — вращался, через него должен протекать электрический ток.

Ток создаётся электрическим потенциалом. Если сравнивать течение тока и течение жидкости, то электрический потенциал — это напор, а ток — это струя воды. Наличие потенциала самого по себе не достаточно для создания тока.

Во-первых, необходим проводник по которому ток будет течь. Например: медный провод. Если проводника нет, потенциал «утыкается» в воздух, а воздух очень хорошо препятствует течению электричества. Это аналогично тому, что вода не будет течь пока закрыт кран: давление есть — течения нет. Материалы, не позволяющие току течь называются диэлектриками. Позволяющие течь — проводниками. Позволяющие при одних условиях и не позволяющие при других — полупроводниками.

Во-вторых, необходима разность потенциалов. Ведь если с двух концов водопроводной трубы будет одинаковый напор, каким бы сильным он не был — течения внутри не будет. То же самое и с электричеством. Разность потенциалов называют напряжением.

Потенциал и напряжение (обозначаются буквой U или V) мерятся в вольтах; сила тока (обозначается буквой I) или просто ток — в амперах. В микроэлектронике обычно используются напряжения от долей вольт до десятков вольт и силы тока от долей миллиампер (мА) до сотен миллиампер.

По договорённости считается, что ток течёт в направлении от плюса к минусу. По аналогии как вода течёт из области высокого давления к пустому концу трубы. На самом деле, какое направление положительное, а какое отрицательное — условность. Исторически так сложилось, что открытие отрицательно заряженных электронов, которые и формируют ток, было сделано уже после того, как все договорились, что считать положительным течением тока. Поэтому в силу той ошибки на практике ситуация такова: говорят, что ток течёт из точки А в точку Б, хотя на физическом уровне электроны мчатся от точки Б к точке А. Чтобы не путаться, нужно запомнить: в схемотехнике никто не вспоминает куда перемещаются электроны, положительное течение тока — это течение из точки с большим потенциалом в точку с меньшим; в направлении тока перемещаются положительные заряды. Да, они виртуальные, их не бывает на самом деле, но так удобнее.

Точку цепи, предоставляющую неограниченную возможность возврата/слива отработавших зарядов называют землёй (Ground, GND). Не нужно понимать «землю» в буквальном смысле. Ей может быть и отрицательный полюс батарейки, и корпус автомобиля, и, действительно, планета Земля. Для удобства считают, что земля — это потенциал в 0 В. Все остальные потенциалы считают относительно неё. Кроме того, в схемотехнике практически не пользуются понятием электрического потенциала: говорят, что напряжение в определённой точке составляет 12 В, на самом деле имеют в виду, что разность потенциалов между ней и землёй составляет 12 В.

Источники питания

Проходя по цепи, электрическая энергия расходуется: часть её идёт на совершение полезной работы, часть теряется, превращаясь в тепло. Чтобы устройство работало постоянно, требуется сила, которая бы удерживала напряжение в цепи. Её называют ЭДС (электродвижущая сила, electromotive force, EMF), а создают её источники питания. Примером компонента с ЭДС являются: обычные батарейки, солнечные батареи, трансформатор в блоке питания, моторчик вращаемый хомяком в колесе.

На схемах источник питания может указываться как в явном виде, собственным символом, так и в неявном: обозначается ноль контакт входного напряжения и земля без акцента на то, откуда энергия возьмётся. Таким образом, следующие схемы эквивалентны:

Мощность

Мощность — это количество переносимой энергии за единицу времени. Переносимая электрическая энергия обычно трансформируется конечными устройствами в другие формы: тепло, свет, звук и т.д. Единица измерения мощности — Ватт. Мощность P рассчитывается по формуле:

Различные компоненты расчитаны на разную мощность. Обычно в документации на компонент указывается при каком напряжении он работает и какой ток при этом потребляет. Есть компоненты, которые «возьмут» только то количество тока, которое им необходимо; есть те, которые будут гореть и плавиться, но заберут всё, что дают.

Предоставить нужное количество энергии в нужный момент в определённое место цепи — одна из главных задач разработчика схемы. Реализуется это с помощью соединения базовых компонентов (таких как, например, резисторы и транзисторы) в типовые, шаблонные схемы.

Основы радиотехники — напряжение тока. сила тока. Simpleinfo – все сложное простыми словами!

14 Декабря 2016

3451

В предыдущей статье, мы рассмотрели электрический ток. В этой статье будем рассматривать единицы измерения. Как без них? Но что бы не усложнять, рассмотрим только самые нужные, да и в дальнейшем в принципе только они понадобятся.

Мы уже знаем, что электрический ток, это движение частиц. Что бы эти частицы двигались, необходима внешняя направленная сила (например электрическое поле). И эту силу, которая двигает частицы, необходимо поддерживать.
Источник питания (источник напряжения, источник тока) имеют две клеммы или два полюса. Которые имеют разность потенциалов. Разность потенциалов, если простыми словами дать объяснение – это запас частиц, которые стремятся друг к другу. То есть, при возможности частицы из клеммы (-) будут стремится к клемме с (+).
Рассмотрим на картинке.

наведите или кликните мышкой, для анимации

На картинке мы видим источник питания и проводник. Если наведем мышку на картинку, источник питания «крутиться», то есть там поддерживается какая то сила для переноса частиц. Проводник не соединен к источнику питания, то есть цепь не замкнутая. Для того, что бы возник электрический ток — необходимо замкнуть цепь.
Рассмотрим на примере.

наведите или кликните мышкой, для анимации

В проводнике возникает электрический ток, то есть упорядоченное движение частиц. При перемещение заряженных частиц, что мы видим?

• 1. Какое количество частиц передвигаются.
• 2. Какая энергия тратится на перемещение частицы.

Сила тока

Сила тока — это величина, равная отношению количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, к времени его прохождения. То есть это ответ на наш первый вопрос, сколько зарядов проходит через поперечное сечение проводника, за определенное время.
Единица измерения силы тока – это Ампер (А).
Условное обозначение: I
Ниже на картинке отобразим этот момент:

наведите или кликните мышкой, для анимации

Напряжение тока

Сила тока, это больше количественный показатель. Для того что бы частицы перемещались, необходима энергия (работа).
Напряжение тока (электрическое напряжение) – это энергия расходуемая при перемещение заряда. Простыми словами, это сила (давление) которое передвигает заряды по проводнику. Таким образом мы ответили на второй вопрос.
Единицы измерения напряжения тока – это Вольт (В).
Условное обозначение: U

наведите или кликните мышкой, для анимации

Мы теперь знаем что такое сила тока, напряжение тока и их условные обозначения. Еще хочу добавить, часто для объяснения этих процессов приводят пример с водой в трубе. Труба в данном случае это проводник, давление которое толкает воду это напряжение и количество воды (через поперечное сечение) это сила тока.

Список параметров напряжения и силы электрического тока — Википедия

В связи с тем, что электрические сигналы представляют собой изменяющиеся во времени величины, в электротехнике и радиоэлектронике используются по необходимости разные способы представлений напряжения и силы электрического тока

Значения переменного напряжения (тока)[править | править код]

Далее для определенности будем говорить большей частью о параметрах напряжения, хотя они справедливы и для токов.

Мгновенное значение[править | править код]

Мгновенное значение — это значение сигнала в определённый момент времени, функцией которого является (  u(t) ,i(t){\displaystyle u(t)~,\quad i(t)}    ). Мгновенные значения медленно изменяющегося сигнала можно определить с помощью малоинерционного вольтметра постоянного тока, самописца или шлейфового осциллографа, для периодических быстротекущих процессов используется электронно-лучевой или цифровой осциллограф.

Амплитудное значение[править | править код]

• Амплитудное (пиковое) значение, иногда называемое просто «амплитуда» — наибольшее мгновенное значение напряжения или силы тока за период (без учёта знака):

UM=max(|u(t)|) ,IM=max(|i(t)|){\displaystyle U_{M}=\max(|u(t)|)~,\qquad I_{M}=\max(|i(t)|)}

Пиковое значение напряжения измеряется с помощью импульсного вольтметра или осциллографа.

Среднеквадратичное значение[править | править код]

Среднеквадратичное значение (устар. действующее, эффективное) — корень квадратный из среднего значения квадрата напряжения или тока.

U=1T∫0Tu2(t)dt ,I=1T∫0Ti2(t)dt{\displaystyle U={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}u^{2}(t)dt}}~,\qquad I={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}i^{2}(t)dt}}}

Среднеквадратичные значения являются самыми распространёнными, так как они наиболее удобны для практических расчётов, поскольку в линейных цепях с чисто активной нагрузкой переменный ток с действующими значениями I{\displaystyle I} и U{\displaystyle U} совершает ту же работу, что и постоянный ток с теми же значениями тока и напряжения. Например, лампа накаливания или кипятильник, включённые в сеть с переменным напряжением с действующим значением 220 В, работают (светят, греют) точно так же, как и будучи подключенными к источнику постоянного напряжения с тем же значением напряжения.

Когда не оговаривают особо, то обычно имеют в виду именно среднеквадратичные значения величины напряжения или силы тока.

В среднеквадратичных значениях проградуированы показывающие устройства большинства вольтметров и амперметров переменного тока, за исключением специальных приборов, однако эти обычные приборы дают правильные показания для среднеквадратических значений только при форме сигнала синусоидальной формы. Некритичны к форме сигнала приборы с термопреобразователем, в которых измеряемый ток или напряжение с помощью нагревателя, представляющим собой активное сопротивление, преобразуется в далее измеряемую температуру, которая и характеризует величину электрического сигнала. Также нечувствительны к форме сигнала специальные устройства, возводящие мгновенное значение сигнала в квадрат с последующим усреднением во времени (с квадратичным детектором) или АЦП, возводящие в входной сигнал в квадрат тоже с усреднением по времени. Квадратный корень из выходного сигнала таких устройств как раз и является среднеквадратическим значением.

Квадрат среднеквадратичного значения напряжения, выраженного в вольтах, численно равен средней рассеиваемой мощности в ваттах на резисторе с сопротивлением 1 Ом.

Среднее значение[править | править код]

Среднее значение (смещение) — постоянная составляющая напряжения или силы тока

U=1T∫0Tu(t)dt ,I=1T∫0Ti(t)dt{\displaystyle U={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}u(t)dt~,\qquad I={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}i(t)dt}

В электротехнике используется редко, но сравнительно часто используется в радиотехнике (ток смещения и напряжение смещения). Геометрически это разность площадей под и над осью времени, делённая на период. Для синусоидального сигнала смещение равно нулю.

Средневыпрямленное значение[править | править код]

Средневыпрямленное значение — среднее значение модуля сигнала

U=1T∫0T∣u(t)∣dt ,I=1T∫0T∣i(t)∣dt{\displaystyle U={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}\mid u(t)\mid dt~,\qquad I={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}\mid i(t)\mid dt}

На практике используется редко, однако большинство измерительных приборов переменного тока — магнитоэлектрической системы (т. е., в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала проградуирована по среднеквадратичным значениям для синусоидальной формы сигнала. Если сигнал заметно отличается от синусоидального, показания приборов магнитоэлектрической системы имеют систематическую ошибку. В отличие от приборов магнитоэлектрической системы, приборы электромагнитной, электродинамической и тепловой систем измерения всегда реагируют на действующее значение, независимо от формы электрического тока.

Геометрически это сумма площадей, ограниченная кривой над и под осью времени за время измерения. При однополярном измеряемом напряжении среднее и средневыпрямленное значения равны между собой.

• Коэффициент формы кривой переменного напряжения (тока) — величина, равная отношению действующего значения периодического напряжения (тока) к его средневыпрямленному значению. Для синусоидального напряжения (тока) равен π/22≈1.11{\displaystyle {\frac {{\pi }/2}{\sqrt {2}}}\approx 1.11}.

• Коэффициент амплитуды кривой переменного напряжения (тока) — величина, равная отношению максимального по модулю за период значения напряжения (тока) к действующему значению периодического напряжения (тока). Для синусоидального напряжения (тока) равен 2{\displaystyle {\sqrt {2}}}.

• Размах пульсации напряжения (тока) — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями пульсирующего напряжения (тока) за определенный интервал времени

• Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) пo среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей

Параметры пульсации определяются по осциллографу, либо с помощью двух вольтметров или амперметров (постоянного и переменного тока)

Литература[править | править код]

Нормативно-техническая документация[править | править код]