Что такое электрическое напряжение. Как измеряется напряжение. Какие бывают виды напряжения. Где применяется электрическое напряжение. Как рассчитывается напряжение по закону Ома.
Что такое электрическое напряжение и как оно возникает
Электрическое напряжение — это физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению электрического заряда. Простыми словами, напряжение показывает разность потенциалов между двумя точками электрической цепи.
Как возникает электрическое напряжение? Оно создается источниками тока, такими как:
- Гальванические элементы и аккумуляторы
- Генераторы электрического тока
- Солнечные батареи
- Термоэлементы
В этих устройствах происходит преобразование различных видов энергии (химической, механической, световой, тепловой) в электрическую энергию, что и создает разность потенциалов — напряжение.
Единицы измерения электрического напряжения
Основной единицей измерения электрического напряжения в системе СИ является вольт (В). Она названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта.
1 вольт — это такое напряжение, при котором заряд в 1 кулон совершает работу в 1 джоуль.
Кроме вольта используются и кратные единицы:
- Милливольт (мВ) = 0,001 В
- Киловольт (кВ) = 1000 В
- Мегавольт (МВ) = 1 000 000 В
Какие значения напряжения встречаются в повседневной жизни? Вот некоторые примеры:
- Батарейка АА — 1,5 В
- Автомобильный аккумулятор — 12 В
- Бытовая электросеть — 220 В
- Троллейбусная контактная сеть — 600 В
- Линии электропередач — от 110 кВ до 750 кВ
Постоянное и переменное напряжение: в чем разница
Электрическое напряжение бывает двух основных видов — постоянное и переменное. Чем они отличаются?
Постоянное напряжение
Постоянное напряжение не меняет своего значения и направления с течением времени. Его создают:
- Гальванические элементы и аккумуляторы
- Солнечные батареи
- Выпрямители переменного тока
Постоянное напряжение используется в электронных устройствах, системах автономного электропитания, электротранспорте.
Переменное напряжение
Переменное напряжение периодически изменяет свое значение и направление. Его создают электрогенераторы на электростанциях. Переменное напряжение применяется в бытовых и промышленных электросетях.
Основные характеристики переменного напряжения:
- Амплитуда — максимальное значение
- Частота — число периодов в секунду (в России — 50 Гц)
- Действующее значение — эквивалентное постоянное напряжение
Как измеряется электрическое напряжение
Для измерения напряжения используется специальный прибор — вольтметр. Он включается параллельно участку цепи, на котором нужно измерить напряжение.
Современные цифровые мультиметры позволяют измерять как постоянное, так и переменное напряжение в широком диапазоне значений.
При измерении напряжения важно соблюдать правила электробезопасности:
- Использовать прибор с подходящим диапазоном измерений
- Правильно подключать щупы (красный — «+», черный — «-«)
- Не превышать максимально допустимое напряжение прибора
- При работе с высоким напряжением использовать средства защиты
Закон Ома: связь напряжения, тока и сопротивления
Закон Ома — один из фундаментальных законов электротехники. Он устанавливает связь между напряжением, током и сопротивлением участка цепи:
U = I * R
где:
- U — напряжение (В)
- I — сила тока (А)
- R — сопротивление (Ом)
Из закона Ома следует, что:
- При постоянном сопротивлении увеличение напряжения приводит к увеличению тока
- При постоянном напряжении увеличение сопротивления приводит к уменьшению тока
Эти зависимости широко используются для регулирования тока в электрических цепях.
Применение электрического напряжения в технике и быту
Электрическое напряжение находит широкое применение в различных областях техники и в быту:
Энергетика
В энергетике используются высокие напряжения для передачи электроэнергии на большие расстояния. Это позволяет снизить потери в линиях электропередач. Типичные значения напряжений в энергосистемах:
- Линии электропередач: 110 кВ, 220 кВ, 500 кВ
- Распределительные сети: 6 кВ, 10 кВ
- Потребительские сети: 380 В, 220 В
Электротранспорт
В электротранспорте применяются различные уровни напряжения:
- Электровозы: 3 кВ постоянного тока или 25 кВ переменного
- Трамваи и троллейбусы: 600 В постоянного тока
- Метрополитен: 750 В постоянного тока
- Электромобили: 400 В постоянного тока
Электроника
В электронных устройствах используются низковольтные источники питания:
- Смартфоны и планшеты: 3,7 В — 5 В
- Ноутбуки: 19 В — 20 В
- Процессоры компьютеров: 1,2 В — 1,5 В
Безопасность при работе с электрическим напряжением
Электрическое напряжение может представлять опасность для человека. Степень опасности зависит от величины напряжения и условий контакта.
Безопасным считается напряжение:
- В сухих помещениях: до 42 В переменного тока и до 110 В постоянного
- В сырых помещениях и на улице: до 12 В переменного тока и до 36 В постоянного
При работе с электроустановками необходимо соблюдать правила электробезопасности:
- Использовать средства индивидуальной защиты
- Применять инструменты с изолированными ручками
- Проверять отсутствие напряжения перед началом работ
- Не прикасаться к оголенным проводам и контактам
- Не работать с электроустановками в сырых помещениях
Перспективы развития технологий, связанных с электрическим напряжением
Развитие технологий, связанных с электрическим напряжением, идет по нескольким направлениям:
Повышение эффективности передачи электроэнергии
Разрабатываются технологии передачи электроэнергии на сверхвысоком напряжении (до 1500 кВ) и с использованием постоянного тока. Это позволит снизить потери при передаче энергии на большие расстояния.
Развитие силовой электроники
Создаются новые типы полупроводниковых приборов, способных работать с высокими напряжениями и токами. Это позволяет повысить эффективность преобразования электроэнергии.
Совершенствование аккумуляторных технологий
Ведутся работы по созданию аккумуляторов с более высоким напряжением и плотностью энергии. Это важно для развития электротранспорта и возобновляемой энергетики.
Разработка сверхпроводящих систем
Исследуются возможности применения высокотемпературных сверхпроводников для создания линий электропередачи и трансформаторов с минимальными потерями.
Эти технологии позволят повысить эффективность использования электроэнергии и снизить ее стоимость для потребителей.
Электрическое напряжение: объяснение простыми словами
Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для простых пользователь такое обозначение не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы попытаемся простым, доступным языком рассказать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и для чего это нужно.
Что такое разность потенциалов?
Для начала проанализируем рисунок:
В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во второй – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это с точки зрения науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.
Однако, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а внутрь поместить обычный пластиковый шарик?
Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость постепенно перетечет в бутылку с более низким уровнем.
Под воздействием потока воды шарик внутри соединяющего шланга будет перемещаться. Процесс перетекания завершится после того, как в обоих бутылках уровень жидкости уравновесится, станет одинаковым.
Иными словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень жидкости станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик останется на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам эксперимента, равна нулю.
Что такое электродвижущая сила?
Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.
Для проведения следующего эксперимента понадобится вольтметр (прибор, измеряющий вольты) и обычная батарейка.
При исходном замере прибор покажет 1.5 В (Вольта). Однако это не является напряжением – значение указывает на величину электродвижущей силы.
На следующем этапе эксперимента к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в разных участках электроцепи.
Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.
3 Вольта.
Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах.
Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)
Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.
Однако, как же получается: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разделена на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что каждая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, поэтому недостающие 0.2 Вольта были направлены именно сюда.
Резюме
Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу сторонних силовых ресурсов. Посредством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение показывает этот процесс лишь на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это внешнее силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера.
В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.
Рассмотрим еще один пример
Представьте, что вам по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это означает, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на своем пути вам попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для осуществления этого действия вам понадобилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Далее вам попадается камень весом в 30 кг. Следовательно, для его переноса из одного места в другое вам понадобится больше энергии, чем для камня, масса которого не превышала 20 кг. Однако подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого действия (в электричестве это обозначено напряжением).
Таким образом, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать разное напряжение в зависимости от веса камня, который вы намерены перенести.
Ток зависит от напряжения
Закон Ома:
Исходя из приведенной формулы следует: ток является прямо пропорциональным напряжению и обратно пропорциональным сопротивлению. Иными словами, чем больше величина электрического тока, тем больше напряжение, и наоборот.
Электрическое напряжение – скорость, формула, единица измерения СИ
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 256.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 256.
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 UА— 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: 256.
А какая ваша оценка?
Его часто называют «электрическим потенциалом», который затем следует отличать от потенциальной электрической энергии, отмечая, что «потенциал» представляет собой величину «на единицу заряда». Подобно механической потенциальной энергии, ноль потенциала можно выбрать в любой точке, поэтому разность напряжений является величиной, имеющей физический смысл. Разница в напряжении, измеренная при перемещении из точки A в точку B, равна работе, которую необходимо совершить на единицу заряда против электрического поля, чтобы переместить заряд из A в B. Когда генерируется напряжение, оно иногда называют «электродвижущей силой» или ЭДС.
ЭДС представляет собой энергию на единицу заряда (напряжения), которая была предоставлена генераторным механизмом, и не является «силой». Термин ЭДС сохранен по историческим причинам. Полезно отличать напряжения, генерируемые от изменений напряжения, возникающих в цепи в результате рассеяния энергии, например, в резисторе.
1. Трехконтактная розетка с маркировкой. [1] 120 В поддерживается между нулевой линией и горячей линией.
Отрицательный электрический заряд будет получать энергию, идя в другом направлении.
Напряжение генерирует поток электронов (электрический ток) через цепь. Конкретное название источника энергии, создающего напряжение для протекания тока, называется электродвижущей силой. Эта зависимость между напряжением и током определяется законом Ома.
Это напряжение всегда присутствует, и когда электрическая нагрузка становится частью цепи (например, при подключении прибора), это напряжение заставляет ток течь по цепи.
