что такое, формула / Справочник :: Бингоскул
Напряжение в физике: что такое, формуладобавить в закладки удалить из закладок
Содержание:
Напряжение в физике бывает механическим и электрическим. В первом случае подразумевают силу, заставляющую частицы вещества оказывать друг на друга давление, а тело – испытывать деформацию. Во втором – разницу электрических потенциалов. Рассмотрим подробнее, что собой представляет электрическое напряжение, какой обозначается буквой, в чём измеряется. Научимся вычислять его.
Что называют электрическим напряжением
Представьте картину: на столе лежит положительно заряженная металлическая пластина, над ней висит шар с отрицательным зарядом. Необходимо перенести положительный заряд q из точки 1 в положение 2. Воспользуемся для этого путями с траекториями через точки 3–6. Совершаемая электрической силой работа не зависит от траектории, по которой перемещалась частица. Она одинакова при переносе заряда q из точки 1 в точку 2 любым путём – через точки 3–6.
Действующая на заряд сила пропорциональна заряду: A/q, она одинакова для всех его носителей, находящихся в зоне действия одного электрического поля. Эта величина в физике называется электрическим напряжением или разностью потенциалов.
Напряжением называется скалярная величина, показывающая отношение работы, совершаемой электрическими силами по перемещению заряда q между точками 1 и 2 к величине самого заряда. Изменяется, согласно международной системе единиц, в вольтах – названа в честь итальянского учёного, основоположника электричества.
Если в быту говорят о напряжении на клемме или на конце провода, подразумевают разницу потенциалов между этой и иной точками. Последней условно приписывают нулевое значение.
Разновидности электрических напряжений
При описании сетей с переменным электрическим током применяют следующие значения напряжений:
- среднеквадратическое;
- активное;
- реактивное;
- средневыпрямленное;
- среднее;
- мгновенное – измеренное в данный момент в определённой точке;
- амплитудное – максимальное по модулю за весь период колебательных процессов значение;
- постоянное;
- переменное;
- импульсное.
Трёхфазные цепи отличаются: линейным и фазным значениями. Первое измеряется между фазными проводниками, второе – среднеквадратическое, измеряемое между фазами и нейтральным проводом. На электродвигателях, подсоединяемых к трёхфазным электросетям, указываются две величины: 220/380 В. Первая цифра актуальна при подключении мотора звездой – фазное значение напряжения, вторая – линейное.
Формула электрического напряжения
Напряжение в физике обозначается буквой U. Если за разницу потенциалов в точках 1 и 2 взять U12, то совершаемая для перемещения заряженной частицы между ними работа равна: A = qU12.
U12 = A/q, здесь:
- A – совершаемая током работа по перемещению зарядов;
- q – электрический заряд.
Немецкий учёный Георг Ом ещё в XIX веке сделал открытие: сила тока на участке цепи пропорциональна приложенному к его концам напряжению, обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи.
Закон назван в честь учёного – законом Ома:
U = IR, где:
- I – сила протекающего по проводнику или участку цепи тока;
- R – сопротивление исследуемого участка, своего рода помехи.
Мы разобрались, что такое эл. напряжение в физике, как оно вычисляется. По ссылке можете ознакомиться с материалом об измерении характеристики вольтметром. (Как подключается вольтметр в электрическую цепь: пошаговая инструкция)
Поделитесь в социальных сетях:
21 октября 2021, 14:15
Физика
Could not load xLike class!
формула и физический смысл величины, правила безопасности и единицы измерения
Физика
12.11.21
14 мин.
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.
Оглавление:
- Правила безопасности
- Влияние электричества на организм
- Виды травм
- Физический смысл
- Формулы для вычислений
- Тождества для переменного тока
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:
- Работа осуществляется только с обесточенными элементами цепи.
- Запрещается работать в сырых помещениях.
- Рекомендуется использовать заземление. Его сопротивление не должно превышать 4 Ом.
- Соблюдать порядок на рабочем месте.
- При измерении величины напряжения и тока не касаться токоведущих частей.
- Под ногами должен быть прорезиненый коврик, а на руках — диэлектрические перчатки.
- Работу нужно выполнять с инструментом, ручки которого изолированы.
- 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:
- Внешняя среда.
- Психологическое состояние.
- Толщина кожи на пальцах.
- Текущее состояние здоровья.
- Путь прохождения.
Существуют другие факторы, играющие важную роль при увеличении вероятности поражения человека электричеством. К ним относятся следующие:
- Напряжение.
- Ток.
- 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:
- Максимальное допустимое значение тока (Imax): 80 мА.
- Расчетная величина (во всех источниках может обозначаться «Iр»): Iр=Imax-5мА=80−5=75 мА.
- Сопротивление человека (Rч): Rч=2,2 кОм.
- 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:
- Электрические ожоги — травмы, возникающие при тепловом воздействии тока на отдельный участок кожи.
- Электрические знаки — изменение цвета (серый или бледно-серый) пораженной кожи при прямом контакте с токоведущей поверхностью.
- Металлизация эпителия — травма, возникающая при коротком замыкании. В этом случае частицы расплавленного металла попадают вглубь кожи.
- Механические — вид повреждения при сокращении мышц, после которого происходит падение.
- Электроофтальмия — раздражающий эффект слизистой оболочки глаз, вызванный ярким светом (например, при сварке или образовании электрической дуги).
- 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.
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:
- U=IR.
- R=U/I.
- 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.
- Е=I (R+r).
- R=(E/I)-r.
- r=(E/I)-R.
- 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:
- Мгновенное или действующее — параметр, который измеряют приборы (Um).
- 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).
- 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:
- Xl=wL.
- Хс=1/wC.
- Z=R+Xc+Xl.
- I=Uм/Z.
- Uм=IZ.
- 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.
youtube.com/embed/jygkQ7RLq5A» allowfullscreen=»allowfullscreen»> Работа, выполненная электрическим полем
Работа, выполненная электрическим полем
Электрическое поле по определению сила на единицу заряда, так что умножение поля на расстояние между пластинами дает работу на единицу заряда, которая по определению является изменением напряжения. Эта ассоциация напоминает о многих часто используемых связях:
| Индекс Концепции напряжения Концепции электрического поля | |||||||||||||||
|
В случае постоянного электрического поля, когда движение направлено против поля, это можно записать как
Работа на единицу заряда, совершаемая электрическим полем на бесконечно малой длине пути ds задается скалярным произведением
