Напряжение электрической цепи: основные характеристики, виды и применение

Что такое напряжение электрической цепи. Какие бывают виды напряжения. Как измеряется напряжение. Как рассчитать напряжение по закону Ома. Какие существуют единицы измерения напряжения. Как напряжение применяется в различных устройствах.

Что такое напряжение электрической цепи и как оно возникает

Напряжение электрической цепи — это физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению электрического заряда. Напряжение возникает из-за разности потенциалов между двумя точками электрической цепи.

Как возникает напряжение в электрической цепи? Это происходит следующим образом:

• В источнике тока (например, батарейке) происходит разделение зарядов — на одном полюсе скапливаются положительные заряды, на другом отрицательные.
• Между полюсами возникает разность потенциалов — электрическое поле.
• При замыкании цепи это поле начинает совершать работу по перемещению зарядов.
• Величина этой работы, отнесенная к величине перемещаемого заряда, и есть напряжение.

Таким образом, напряжение является движущей силой электрического тока в цепи. Чем больше напряжение, тем сильнее электрическое поле и тем большую работу оно может совершить по перемещению зарядов.

Основные виды и характеристики напряжения

Существует два основных вида напряжения в электрических цепях:

Постоянное напряжение

Характеристики постоянного напряжения:

• Не меняется со временем по величине и направлению
• Создается химическими источниками тока (батарейки, аккумуляторы)
• Используется в электронных устройствах, автомобильных системах
• Обозначается знаком «=»

Переменное напряжение

Характеристики переменного напряжения:

• Периодически изменяется по величине и направлению
• Создается электрогенераторами
• Используется в бытовых электросетях (220В, 50Гц)
• Обозначается знаком «~»

Какие еще бывают важные характеристики напряжения? К ним относятся:

• Амплитуда — максимальное значение напряжения
• Действующее значение — эквивалентное постоянное напряжение
• Частота — число колебаний в секунду (для переменного тока)

Как измерить напряжение в электрической цепи

Для измерения напряжения используется специальный прибор — вольтметр. Как правильно измерить напряжение вольтметром?

1. Вольтметр подключается параллельно участку цепи
2. Диапазон измерения выбирается больше ожидаемого напряжения
3. Красный щуп подключается к «+», черный к «-«
4. При измерении переменного напряжения выбирается режим «~»

Какие еще существуют способы измерения напряжения?

• Мультиметром в режиме вольтметра
• Осциллографом (для наблюдения формы сигнала)
• Бесконтактным пробником (для проверки наличия напряжения)

При измерениях важно соблюдать правила электробезопасности, особенно при работе с высоким напряжением.

Расчет напряжения по закону Ома

Закон Ома устанавливает связь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи. Как рассчитать напряжение по закону Ома?

Формула закона Ома для участка цепи:

U = I * R

где:

• U — напряжение (В)
• I — сила тока (А)
• R — сопротивление (Ом)

Как применять эту формулу для расчета напряжения?

1. Определить силу тока в цепи
2. Измерить или рассчитать сопротивление участка
3. Умножить значение тока на сопротивление

Пример расчета: если ток в цепи 2А, а сопротивление 100 Ом, то напряжение составит:

U = 2A * 100 Ом = 200 В

Таким образом, зная ток и сопротивление, всегда можно рассчитать напряжение на участке цепи.

Единицы измерения напряжения

Основной единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт (В). Какие еще существуют единицы измерения напряжения?

• Киловольт (кВ) = 1000 В
• Милливольт (мВ) = 0,001 В
• Микровольт (мкВ) = 0,000001 В

Как связаны единицы напряжения с другими электрическими величинами?

• 1 В = 1 Дж / Кл (джоуль на кулон)
• 1 В = 1 Вт / А (ватт на ампер)

При расчетах важно правильно переводить значения из одних единиц в другие. Например, 5 кВ = 5000 В, а 100 мВ = 0,1 В.

Применение напряжения в различных устройствах

Напряжение играет ключевую роль в работе многих электрических и электронных устройств. Где применяется напряжение?

Бытовая техника

В бытовых электроприборах используется стандартное сетевое напряжение 220В переменного тока. Как оно применяется?

• Нагревательные элементы (чайники, утюги)
• Электродвигатели (пылесосы, стиральные машины)
• Системы освещения

Электроника

В электронных устройствах применяется низковольтное постоянное напряжение. Примеры использования:

• Питание микросхем (3,3В, 5В)
• Передача сигналов между компонентами
• Управление дисплеями

Энергетика

В энергетических системах используется высокое напряжение. Как оно применяется?

• Линии электропередач (до 1150 кВ)
• Трансформаторные подстанции
• Системы защиты и автоматики

Таким образом, напряжение находит широкое применение в самых разных областях техники и промышленности.

Влияние напряжения на работу электрических цепей

Напряжение оказывает значительное влияние на функционирование электрических цепей и устройств. Как напряжение влияет на работу электрических систем?

Мощность и энергия

Напряжение напрямую связано с мощностью и энергией в электрической цепи:

• Мощность P = U * I (напряжение умножить на ток)
• Энергия W = U * I * t (мощность умножить на время)

Чем выше напряжение, тем большую мощность может передать электрическая цепь при том же токе.

Потери в проводах

Как напряжение влияет на потери энергии при передаче электричества?

• Потери пропорциональны квадрату тока: P = I^2 * R
• При повышении напряжения можно снизить ток
• Это позволяет уменьшить потери при передаче энергии

Пробой изоляции

Слишком высокое напряжение может привести к пробою изоляции. Какие факторы влияют на электрическую прочность?

• Материал и толщина изолятора
• Форма электродов
• Наличие дефектов

Для предотвращения пробоя важно правильно выбирать изоляционные материалы и соблюдать допустимые напряжения.

Напряжение электрической цепи

Прежде чем рассматривать напряжение электрической цепи, следует определить понятие электрического тока. Электроток представляет собой заряженные частицы, находящиеся в упорядоченном движении в каком-либо проводнике. Для его возникновения, заранее создается электрическое поле, которое действует на заряженные частицы и приводит их в движение.

Содержание

Виды электрических зарядов

Возникновение зарядов происходит в том случае, когда различные вещества тесно контактируют между собой. В отдельных видах веществ, заряды свободно перемещаются среди их различных частей, в других веществах этого не происходит. В таких случаях проводящие вещества называются проводниками, а непроводящие – изоляторами или диэлектриками. Хотя, с точки зрения физики, разделение всех веществ на проводящие и непроводящие очень условно и относительно. Любые вещества способны проводить электричество, только одни в большей, а другие – в меньшей степени.

Электрические заряды по своему характеру делятся на положительные и отрицательные. Ток в теле, которое наэлектризовано, существует в течение очень недолгого времени, поскольку заряд постепенно заканчивается сам по себе. Для того, чтобы ток мог существовать в проводнике продолжительное время, необходимо обеспечить постоянную поддержку в нем электрического поля.

Электрополе может быть создано только каким-либо источником электрического тока. Простейший пример того, как возникает электроток – соединение одного конца провода с предварительно наэлектризованным телом, а другого конца – с землей. Изобретенная батарея явилась первым стабильным источником электротока.

Основными величинами являются сила тока, напряжение и сопротивление. Эти величины тесно связаны между собой и наиболее точно и полно характеризуют процессы, происходящие в электрической цепи.

Что такое напряжение

Напряжение электрической цепи – одна из основных характеристик электротока. Как уже было отмечено, током называется упорядоченное движение электронов, т.е. заряженных частиц. Поле, создающее это движение, выполняет определенные действия. Эти действия характеризуются, как его работа. Чем больший заряд перемещается в цепи за одну секунду, тем большая работа выполняется электрическим полем. Один из факторов, влияющий на работу тока и есть напряжение.

Таким образом, напряжение представляет собой отношение работы к заряду, проходящему через определенный участок цепи. Единица измерения работы тока – джоуль (Дж), а единица измерения заряда – кулон (Кл). Исходя из этого, единица напряжения получается, как 1 Дж/Кл или, по-другому – один вольт (В).

Для возникновения напряжения необходим источник тока. Когда цепь разомкнута, напряжение есть лишь на клеммах источника. При включении источника в цепь, на ее отдельных участках также появляется напряжение, а, соответственно, и ток. Напряжение измеряется с помощью вольтметра, включающегося параллельно в электрическую цепь.

Как рассчитать цепи

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Закон Ома для переменного тока

Закон Ома для однородного участка цепи – формула

Как понять Закон Ома: простое объяснение для чайников с формулой и понятиями

Закон Ома для полной и не полной электрической цепи, формула и правильное определение

Топ лучших мультиметров

Напряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 135.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 135.

Электрическое напряжение между двумя точками электрической цепи или электрического поля равно разности потенциалов в этих точках. Эта величина эквивалентна работе, которую производит электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из начальной точки в конечную. В зависимости от вида приложенного напряжения (постоянного или переменного) в электрической цепи формируется ток, величина которого определяется по формуле закона Ома.

Закон Ома

Электрическая цепь состоит из отдельных участков — однородных и неоднородных. Участки цепи, на которых отсутствует действие сторонних сил, т.е.участки, без источников тока, называются однородными. Участки цепи, на которых имеются источники тока, называются неоднородными.

Формула закона Ома для однородного участка цепи выглядит так:

$ I = {U \over R} $ (1).

Полностью формулировка закона Ома звучит следующим образом: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.

Для неоднородного участка цепи, содержащего источник тока с электродвижущей силой Е_эдс ,закон Ома записывается в следующем виде:

$ I = {E_{эдс} \over R + r} $ (2),

где: R — сопротивление цепи, r — сопротивление источника тока. Уравнение (2) называется законом Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна ЭДС источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Виды напряжений

В электрических цепях используются два основных напряжения электрического тока: постоянное и переменное.

Рис. 1. Постоянное и переменное напряжение.

Постоянное во времени напряжение создается источниками тока (батареи, аккумуляторы), на концах которых долгое время сохраняется одна и та же разность потенциалов (ЭДС).

Электрический ток в этом случае тоже постоянен во времени и течет в одном направлении. Постоянное напряжение используется, когда не требуется транспортировать электроэнергию на большие расстояния: в электрических схемах, на транспорте, в военной и космической технике и т.д.

При изменении полярности потенциалов на клеммах источника, электрический ток тоже будет менять свое направление (колебаться), следуя по закону Ома за временными изменениями напряжения. Количество таких колебаний за определенный промежуток времени (период) называется частотой. Чаще всего используется синусоидальная зависимость тока от времени.

В России стандартная частота составляет 50 Герц, что соответствует изменениям полярности напряжения (и направления тока) 50 раз в секунду. Эти мерцания (пульсации) человеческий глаз не чувствует при использовании в системах освещения. Но в телевизорах и дисплеях компьютеров эту частоту повышают (от 85 Гц и выше), так как при долгом, пристальном рассматривании глаза начинают уставать.

Рис. 2. Синусоидальный переменный ток.

Переменный ток применяется при передаче электроэнергии на большие расстояния. Для этих целей лучше всего подходят трехфазные сети, которые подключены к электростанциям (тепловым, атомным, гидро-), где турбины генерируют такой переменный вид напряжения электрического тока.

Рис. 3. Трехфазный переменный ток.

Единицы измерения

В международной системе единиц (системе СИ) единица измерения напряжения (В) названа в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта (1745-1827г.). Так как работа измеряется в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (К), то:

$$ [1В] ={ [1 Дж]\over [1 К] } $$

Единица измерения тока — ампер. Это одна из семи базовых единиц в системе СИ. Ток может изменяться (и измеряться) в широчайших пределах, поэтому часто используются такие внесистемные единицы, как:

• 1 наноампер (нА) = 10^-9 А;
• 1 микроампер (мкА) = 0,000001 А;
• 1 миллиампер (мА) = 0,001 А;
• 1 килоампер (кА) = 1000 А.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что величина напряжения равна работе, которую производит электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из начальной точки в конечную. В электрических цепях находят применение два основных вида напряжения электрического тока: постоянное и переменное. Передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется с помощью переменного тока.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 135.

---

А какая ваша оценка?

Как работает напряжение — Основы схем

В статье Что такое электричество? мы обсуждали, что электричество можно определить как поток заряда. Но чтобы понять электричество более подробно, нам нужно обсудить понятия напряжения , тока и сопротивления . Эти три свойства являются строительными блоками того, как мы моделируем и описываем электричество. В этой статье мы сосредоточимся на концепции напряжения .

Напряжение — это сила, которая заставляет течь заряды. Напряжение также известно как электродвижущая сила или ЭДС. Это разность потенциалов между двумя терминалами, где на одном терминале собрано больше электронов, чем на другом терминале.

Напряжение измеряется в вольтах (В), производной единице измерения электрического потенциала. Он назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который в 1799 году изобрел первую химическую батарею, известную как гальваническая батарея

. , один из меди, а другой из кожи, пропитанной кислотой. Кислота в коже лишает атомы цинка двух валентных электронов. Атомам цинка теперь не хватает двух электронов, поэтому они «крадут» два валентных электрона у меди.

В результате на цинковых пластинах появляется много лишних электронов, а на медных — много недостающих электронов. Это пример накопленной электрической потенциальной энергии. Разница в потенциальной электрической энергии между цинковыми и медными пластинами называется напряжением.

Если два конца башни соединить, электроны могут течь от цинковых пластин к медным пластинам, что создает явление электричества, поток заряда.

Определение напряжения

Напряжение определяется как потенциальная энергия на один заряд:

Где V — напряжение, E — разность потенциальной энергии в джоулях, а Q — заряд в кулонах.

С помощью этого уравнения напряжение связано с зарядом и потенциальной энергией. И, следовательно, 1 вольт эквивалентен 1 джоулю на кулон заряда.

Последовательные и параллельные цепи

Существует два типа цепей, в которых напряжение ведет себя по-разному: последовательные и параллельные цепи. Это схема последовательной цепи:

Последовательная цепь

Последовательная цепь состоит из компонентов, соединенных по одному пути, что дает электричеству только один путь. В этой цепи напряжение рассеивается пропорционально сопротивлению каждой нагрузки/компонента. Сопротивления компонентов складываются, и общее падение напряжения должно быть эквивалентно ЭДС источника питания.

Это схема параллельной цепи:

Параллельная цепь

Параллельная цепь состоит из компонентов, соединенных несколькими путями. В этой цепи напряжение постоянно на каждом пути, тогда как сопротивление рассчитывается по следующему уравнению:

Мы предполагаем, что полное падение напряжения в цепи эквивалентно ЭДС источника питания. Разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами всегда должна быть равна разности потенциалов батареи, поскольку предполагается, что отрицательная клемма находится на уровне 0 В, иначе известном как заземление (GND).

Аккумуляторы делятся на две основные категории — по выходному напряжению и по емкости. Емкость батареи обычно измеряется в ампер-часов (Ах). Ампер-час — это максимальное количество тока, которое батарея может отдать за один час. Например, аккумулятор емкостью 12 Ач может обеспечить ток 12 А в течение 1 часа.

Большинство небольших аккумуляторов имеют небольшую емкость, поэтому их ампер-часы указаны в миллиампер-часах (мАч). Один ампер-час равен 1000 миллиампер-часам.

Конфигурации батарей

Батареи могут быть подключены последовательно или параллельно, и их напряжение и емкость будут различаться в зависимости от того, как они подключены.

В последовательной конфигурации емкость остается неизменной, но напряжения двух батарей складываются. В соответствии с уравнением E = QV полная потенциальная энергия системы удвоилась. Но так как емкость аккумуляторов остается прежней, эта конфигурация способна поставлять в два раза больше энергии, но на те же ампер-часы.

В параллельной конфигурации напряжение остается прежним, а емкости аккумуляторов складываются. Однако мы знаем, что энергия этой системы вдвое больше, чем у одной батареи. Таким образом, эта конфигурация позволяет батарее подавать в два раза больше тока за то же время.

Измерение напряжения

Падение напряжения – это уменьшение электрического потенциала на пути прохождения тока в электрической цепи. Чем больше сопротивление компонента, тем больше падение напряжения на его выводах. Когда ток встречает сопротивление, электрическая потенциальная энергия теряется, поскольку она преобразуется в другую форму энергии для совершения работы. Например, в резисторах электрическая потенциальная энергия преобразуется в тепловую энергию.

Мы можем измерить эту разность потенциалов, подключив вольтметр или мультиметр в параллельной конфигурации следующим образом:

Для измерения напряжения в более сложных цепях можно использовать правило делителя напряжения. Это правило применяется только к последовательным цепям, которые имеют более одной нагрузки/компонента. Подключите вольтметр или мультиметр к отдельным компонентам цепи, как показано ниже.

Выходное напряжение (Vout) пропорционально отношению сопротивления нагрузки к общему сопротивлению цепи. В этом случае выходное напряжение рассчитывается следующим образом:

Интересные применения напряжения

Электричество играет важную роль в нашей повседневной жизни, и многие из нас знакомы с его применением. Однако, чтобы еще больше проиллюстрировать концепцию напряжения, есть два применения электричества, о которых вы, возможно, не слышали.

Плитки Пельтье

Плитки Пельтье — это плитки, работающие с использованием эффекта Пельтье. При приложении напряжения к аноду и катоду плитки с одной стороны плитки может наблюдаться эффект нагрева, а с другой стороны — эффект охлаждения. Разность потенциалов в электричестве способна создать аналогичную разность потенциалов в температуре. Чем больше напряжение, тем больше разница температур между двумя сторонами плитки.

Еще одна интересная особенность плитки Пельтье заключается в том, что эффект обратим. Если одна сторона плитки подвергается воздействию источника горячей температуры, а другая — источнику холодной температуры, возникает напряжение. Напряжение будет зависеть от величины разницы температур.

Пьезоэлектрические диски

Пьезоэлектрические диски представляют собой небольшие датчики, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта. Когда к диску прикладывается механическое напряжение, деформация двух разных материалов может создавать небольшое напряжение, которое может питать небольшие компоненты.

Надеюсь, это помогло вам лучше понять напряжение. Обязательно оставьте комментарий ниже, если у вас есть какие-либо вопросы или что-то еще, чтобы добавить…

Напряжение холостого хода | PVEducation

 

Напряжение холостого хода, В _OC , является максимальным напряжением, доступным от солнечного элемента, и это происходит при нулевом токе. Напряжение холостого хода соответствует величине прямого смещения на солнечном элементе из-за смещения перехода солнечного элемента с генерируемым светом током. Напряжение холостого хода показано на ВАХ ниже.

IV-кривая солнечного элемента, показывающая напряжение холостого хода.

Уравнение для V _oc находится путем установки чистого тока равным нулю в уравнении солнечного элемента, чтобы получить:

$$V_{OC}=\frac{n k T}{q} \ln \left( \frac{I_{L}}{I_{0}}+1\right)$$

Беглый взгляд на приведенное выше уравнение может показать, что V _OC  линейно возрастает с температурой. Однако это не так, так как I ₀ быстро увеличивается с температурой в первую очередь из-за изменений собственной концентрации носителей заряда n _и . Влияние температуры является сложным и варьируется в зависимости от клеточной технологии. Подробнее см. на странице «Влияние температуры».

В _OC уменьшается с температурой При изменении температуры I ₀ также меняется.

Калькулятор напряжения разомкнутой цепи 1

Темновой ток насыщения, I ₀ = Световой ток, I _L = Коэффициент идеальности, n = Температура, T =K

Напряжение разомкнутой цепи, В _OC = В

Приведенное выше уравнение показывает, что V _oc зависит от тока насыщения солнечного элемента и тока, генерируемого светом. В то время как I _sc обычно имеет небольшую вариацию, ключевым эффектом является ток насыщения, поскольку он может варьироваться на порядки величины. Ток насыщения I ₀ зависит от рекомбинации в солнечном элементе. Тогда напряжение холостого хода является мерой количества рекомбинации в устройстве. Кремниевые солнечные элементы на высококачественном монокристаллическом материале имеют напряжение холостого хода до 764 мВ в условиях одного солнца и AM1,51, в то время как коммерческие кремниевые устройства обычно имеют напряжение холостого хода около 69 мВ.{2}}\right]$$

где kT/q — тепловое напряжение, N _A — концентрация легирующих примесей, Δn — концентрация избыточных носителей заряда, n

i — собственная концентрация носителей заряда. Определение V _OC по концентрации носителя также называется предполагаемым V _OC .

Калькулятор напряжения разомкнутой цепи 2

Концентрация допинга, N _A = см ^-3 Концентрация избыточного носителя, Δn = см ^-3 Температура, T =K Концентрация собственного носителя, n _i = см ^-3

Напряжение холостого хода, В _OC = В

Voc как функция ширины запрещенной зоны, E

_G

Там, где ток короткого замыкания (I _SC ) уменьшается с увеличением ширины запрещенной зоны, напряжение холостого хода увеличивается по мере увеличения ширины запрещенной зоны. В идеальном устройстве V _OC ограничено излучательной рекомбинацией, и анализ использует принцип детального баланса для определения минимально возможного значения J 9{x}-1} d x$$,

, где q — заряд электрона, σ — постоянная Стефана–Больцмана, k — постоянная Больцмана, T — температура и

$$u=\frac{E_{G} }{k T}$$

Вычисление интеграла в приведенном выше уравнении довольно сложно. На приведенном ниже графике используется метод, описанный в 4 

. Ток насыщения диода как функция ширины запрещенной зоны. Значения определяются на основе детального баланса и ограничивают напряжение холостого хода солнечной батареи.

Рассчитанное выше значение J ₀ можно напрямую подставить в стандартное уравнение солнечного элемента, приведенное в верхней части страницы, для определения V _OC , если напряжение меньше ширины запрещенной зоны, как в случае солнечное освещение.

V _OC как функция ширины запрещенной зоны для ячейки с AM 0 и AM 1,5.