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!
суть и принцип для начинающих чайников
Что такое ЭДС (электродвижущая сила) в физике? Электрический ток понятен далеко не каждому. Как космическая даль, только под самым носом. Вообще, он и ученым понятен не до конца. Достаточно вспомнить Николу Тесла с его знаменитыми экспериментами, на века опередившими свое время и даже в наши дни остающимися в ореоле тайны. Сегодня мы не разгадываем больших тайн, но пытаемся разобраться в том, что такое ЭДС в физике.
Определение ЭДС в физике
ЭДС – электродвижущая сила. Обозначается буквой E или маленькой греческой буквой эпсилон.
Электродвижущая сила — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил (сил неэлектрического происхождения), действующих в электрических цепях переменного и постоянного тока.
ЭДС, как и напряжение, измеряется в вольтах. Однако ЭДС и напряжение – явления разные.
Напряжение (между точками А и Б) – физическая величина, равная работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из одной точки в другую.
Объясняем суть ЭДС «на пальцах»
Чтобы разобраться в том, что есть что, можно привести пример-аналогию. Представим, что у нас есть водонапорная башня, полностью заполненная водой. Сравним эту башню с батарейкой.
Схема водонапорной башни
Вода оказывает максимальное давление на дно башни, когда башня заполнена полностью. Соответственно, чем меньше воды в башне, тем слабее давление и напор вытекающей из крана воды. Если открыть кран, вода будет постепенно вытекать сначала под сильным напором, а потом все медленнее, пока напор не ослабнет совсем. Здесь напряжение – это то давление, которое вода оказывает на дно. За уровень нулевого напряжения примем само дно башни.
Водокачка
То же самое и с батарейкой. Сначала мы включаем наш источник тока (батарейку) в цепь, замыкая ее. Пусть это будут часы или фонарик. Пока уровень напряжения достаточный и батарейка не разрядилась, фонарик светит ярко, затем постепенно гаснет, пока не потухнет совсем.
Но как сделать так, чтобы напор не иссякал? Иными словами, как поддерживать в башне постоянный уровень воды, а на полюсах источника тока – постоянную разность потенциалов. По примеру башни ЭДС представляется как бы насосом, который обеспечивает приток в башню новой воды.
Советская батарейка
Природа ЭДС
Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:
- Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
- Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
- ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
- Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
- Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.
Дорогие друзья, сегодня мы рассмотрели тему «ЭДС для чайников».
Автор: Иван
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik.
Стресс | физика | Британника
- Похожие темы:
- давление предел текучести напряжение сдвига вектор стресса загрузка
См. всю связанную информацию →
напряжение , в физических науках и технике, сила на единицу площади в материалах, которая возникает в результате внешних сил, неравномерного нагрева или остаточной деформации и которая позволяет точно описать и предсказать упругие, пластические и жидкостное поведение. Напряжение выражается как отношение силы к площади.
Существует множество видов стресса. Нормальное напряжение возникает из-за сил, которые перпендикулярны площади поперечного сечения материала, тогда как напряжение сдвига возникает из-за сил, которые параллельны и лежат в плоскости площади поперечного сечения. Если стержень с площадью поперечного сечения 4 квадратных дюйма (26 квадратных см) тянут в длину с силой 40 000 фунтов (180 000 ньютонов) на каждом конце, нормальное напряжение внутри стержня равно 40 000 фунтов, деленных на 4 квадратных метра.
Britannica Quiz
Физика и естественное право
Напряжение сдвига в твердых телах возникает в результате таких действий, как скручивание металлического стержня вокруг продольной оси, как при затягивании винта. Напряжение сдвига в жидкостях возникает в результате таких действий, как течение жидкостей и газов по трубам, скольжение металлической поверхности по жидкой смазке и прохождение самолета через воздух.
Напряжения сдвига, какими бы малыми они ни были, прикладываемые к истинным жидкостям, вызывают непрерывную деформацию или течение, когда слои жидкости движутся друг над другом с разными скоростями, как отдельные карты в разложенной колоде карт. Для напряжения сдвига см. Также модуль сдвига.
Реакция на напряжения внутри упругих твердых тел заставляет их возвращаться к своей первоначальной форме после прекращения действия приложенных сил. Предел текучести, обозначающий переход от упругого к пластическому поведению, представляет собой минимальное напряжение, при котором твердое тело подвергается остаточной деформации или пластическому течению без значительного увеличения нагрузки или внешней силы. Земля проявляет упругую реакцию на напряжения, вызванные землетрясениями, так как она распространяет сейсмические волны, в то время как она подвергается пластической деформации под поверхностью под большим литостатическим давлением.
Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена Уильямом Л.
Хошем.
12.4: Напряжение, деформация и модуль упругости (часть 1)
-
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 4043
- ОпенСтакс
- ОпенСтакс
Цели обучения
- Объяснить понятия напряжения и деформации при описании упругих деформаций материалов
- Описывать виды упругой деформации предметов и материалов
Модель твердого тела представляет собой идеализированный пример объекта, не деформирующегося под действием внешних сил. Это очень полезно при анализе механических систем, ведь многие физические объекты действительно в значительной степени жесткие. В какой степени объект может быть 9Восприятие 0011 как жесткого зависит от физических свойств материала, из которого он изготовлен.
В оставшейся части этого раздела мы переходим от рассмотрения сил, влияющих на движение объекта, к тем, которые влияют на форму объекта. Изменение формы из-за приложения силы известно как деформация. Известно, что даже очень малые силы вызывают некоторую деформацию. Деформации подвергаются предметы или физические среды под действием внешних сил, например, это может быть раздавливание, сдавливание, разрывание, скручивание, разрезание или растяжение предметов. На языке физики два термина описывают силы, действующие на объекты, подвергающиеся деформации:
стресс и штамм .
Напряжение — это величина, описывающая величину сил, вызывающих деформацию. Напряжение обычно определяется как сил на единицу площади . Когда силы притягивают объект и вызывают его удлинение, как растяжение эластичной ленты, мы называем такое напряжение растягивающим напряжением . Когда силы вызывают сжатие объекта, мы называем это сжимающим напряжением . Когда объект сжимается со всех сторон, как подводная лодка в глубинах океана, мы называем этот вид стресса объемное напряжение
Объект или среда под напряжением деформируются.
Величина, описывающая эту деформацию, называется деформацией . Деформация задается как частичное изменение либо длины (при растягивающем напряжении), либо объема (при объемном напряжении), либо геометрии (при сдвиговом напряжении). Следовательно, деформация является безразмерным числом. Деформация при растяжении называется
деформация растяжения , деформация при объемном напряжении называется объемная деформация (или объемная деформация 9).0012), а деформация, вызванная напряжением сдвига, называется деформацией сдвига .
Чем больше напряжение, тем больше деформация; однако связь между деформацией и напряжением не обязательно должна быть линейной. Только когда напряжение достаточно низкое, вызываемая им деформация прямо пропорциональна величине напряжения. Константа пропорциональности в этом отношении называется модулем упругости . В линейном пределе низких значений напряжения общее отношение между напряжением и деформацией составляет
\[напряжение = (упругость\; модуль) \умножить на деформацию \ldotp \label{12.
33}\]
Как видно из размерного анализа этого отношения, модуль упругости имеет ту же физическую единицу, что и напряжение, поскольку деформация безразмерна.
Мы также можем видеть из уравнения \ref{12.33}, что когда объект характеризуется большим значением модуля упругости, влияние напряжения невелико. С другой стороны, небольшой модуль упругости означает, что напряжение вызывает большую деформацию и заметную деформацию. Например, нагрузка на резиновую ленту вызывает большую деформацию (деформацию), чем такая же нагрузка на стальную ленту тех же размеров, потому что модуль упругости резины на два порядка меньше, чем модуль упругости стали.
Модуль упругости при растягивающем напряжении называется модулем Юнга ; объемное напряжение называется объемным модулем ; а то, что касается напряжения сдвига, называется модулем сдвига . Обратите внимание, что связь между напряжением и деформацией является наблюдаемой связью, измеренной в лаборатории.
Модули упругости для различных материалов измеряются в различных физических условиях, таких как переменная температура, и собираются в таблицах технических данных для справки (Таблица \(\PageIndex{1}\)). Эти таблицы являются ценным справочным материалом для промышленности и всех, кто занимается проектированием или строительством. В следующем разделе мы обсудим отношения деформация-напряжение за линейным пределом, представленным уравнением \ref{12.33}, во всем диапазоне значений напряжения до точки разрушения. В оставшейся части этого раздела мы изучаем линейный предел, выраженный уравнением \ref{12.33}.
| Материал | Модуль Юнга × 10 10 Па | Объемный модуль × 10 10 Па | Модуль сдвига × 10 10 Па |
|---|---|---|---|
| Алюминий | 7,0 | 7,5 | 2,5 |
| Кость (растяжение) | 1,6 | 0,8 | 8,0 |
| Кость (компрессия) | 0,9 | ||
| Латунь | 9,0 | 6,0 | 3,5 |
| Кирпич | 1,5 | ||
| Бетон | 2,0 | ||
| Медь | 11,0 | 14,0 | 4,4 |
| Краун | 6,0 | 5,0 | 2,5 |
| Гранит | 4,5 | 4,5 | 2,0 |
| Волосы (человеческие) | 1,0 | ||
| Твердая древесина | 1,5 | 1,0 | |
| Железо | 21,0 | 16,0 | 7,7 |
| Свинец | 1,6 | 4. 1 |
0,6 |
| Мрамор | 6,0 | 7,0 | 2,0 |
| Никель | 21,0 | 17,0 | 7,8 |
| Полистирол | 3,0 | ||
| Шелк | 6,0 | ||
| Паутинная резьба | 3,0 | ||
| Сталь | 20,0 | 16,0 | 7,5 |
| Ацетон | 0,07 | ||
| Этанол | 0,09 | ||
| Глицерин | 0,45 | ||
| Меркурий | 2,5 | ||
| Вода | 0,22 |
Растяжение или сжатие возникает, когда две антипараллельные силы одинаковой величины действуют на объект только в одном из его измерений таким образом, что объект не движется.
Один из способов представить такую ситуацию показан на рисунке \(\PageIndex{1}\). Отрезок стержня либо растягивается, либо сжимается парой сил, действующих по его длине и перпендикулярно поперечному сечению. Суммарный эффект таких сил заключается в том, что стержень меняет свою длину по сравнению с первоначальной длиной L 0 , которое он имел до появления сил, на новую длину L, которую он имеет под действием сил. Это изменение длины \(\Delta\)L = L − L 0 может быть либо удлинением (когда \(L\) больше исходной длины \(L_o\)) либо сокращением (когда L меньше исходная длина L 0 ). Растягивающее напряжение и деформация возникают, когда силы растягивают объект, вызывая его удлинение, а изменение длины \(\Delta L\) является положительным. Сжимающее напряжение и деформация возникают, когда силы сжимают объект, вызывая его укорочение, а изменение длины \(\Delta L\) отрицательно.
В любой из этих ситуаций мы определяем напряжение как отношение деформирующей силы \(F_{\perp}\) к площади поперечного сечения A деформируемого объекта.
Символ F \(\perp\) , который мы оставляем за деформирующей силой, означает, что эта сила действует перпендикулярно поперечному сечению объекта. Силы, действующие параллельно поперечному сечению, не изменяют длину объекта. Определение напряжения растяжения:
\[растяжение\; напряжение = \frac{F_{\perp}}{A} \ldotp \label{12.34}\]
Деформация при растяжении является мерой деформации объекта под действием растягивающего напряжения и определяется как частичное изменение длины объекта, когда объект подвергается растягивающему напряжению
\[растяжение\; деформация = \frac{\Delta L}{L_{0}} \ldotp \label{12.35}\]
Напряжение сжатия и деформация определяются по тем же формулам, уравнениям \ref{12.34} и \ref{12.35}, соответственно. Единственное отличие от ситуации растяжения заключается в том, что для сжимающего напряжения и деформации мы берем абсолютные значения правых частей в уравнении \ref{12.34} и \ref{12.35}.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Когда объект находится в состоянии растяжения или сжатия, результирующая сила, действующая на него, равна нулю, но объект деформируется, изменяя свою первоначальную длину L 0 .
(a) Натяжение: стержень удлиняется на \(\Delta\)L. (b) Сжатие: стержень сжимается на \(\Delta\)L. В обоих случаях деформирующая сила действует по длине стержня и перпендикулярно его поперечному сечению. В линейном диапазоне малых напряжений площадь поперечного сечения стержня не изменяется. Модуль Юнга \(Y\) — это модуль упругости, когда деформация вызвана напряжением растяжения или сжатия, и определяется уравнением \ref{12.33}. Разделив это уравнение на деформацию растяжения, получим выражение для модуля Юнга:
\[Y = \frac{растяжение\; стресс {растяжение \; деформация} = \ frac {\ frac {F _ {\ perp}} {A}} {\ frac {\ Delta L} {L_ {0}}} = \ frac {F _ {\ perp}} {A} = \ frac {L_{0}}{\Delta L} \ldotp \label{12.36}\]
Пример \(\PageIndex{1}\): Напряжение сжатия в колонне
Скульптура весом 10 000 Н опирается на горизонтальную поверхность на вершине вертикальной колонны высотой 6,0 м. Рисунок \(\PageIndex{1}\). Площадь поперечного сечения столба 0,20 м 2 , он изготовлен из гранита с массовой плотностью 2700 кг/м 3 .
Найти напряжение сжатия в поперечном сечении, расположенном на 3,0 м ниже вершины целика, и величину деформации сжатия верхнего 3,0-метрового участка целика.
Стратегия
Сначала мы находим вес верхней части колонны длиной 3,0 м. Нормальная сила, действующая на поперечное сечение, расположенное на расстоянии 3,0 м от вершины, представляет собой сумму веса столба и веса скульптуры. Получив нормальную силу, мы используем уравнение 12.34, чтобы найти напряжение. Чтобы найти деформацию сжатия, мы находим значение модуля Юнга для гранита в таблице \(\PageIndex{1}\) и инвертируем уравнение \ref{12.36}. 9{-6} \ldotp\]
Значение
Обратите внимание, что нормальная сила, действующая на площадь поперечного сечения столба, не является постоянной по его длине, а изменяется от наименьшего значения в верхней части до наибольшего значения в нижней части столба.
Таким образом, если столб имеет одинаковую площадь поперечного сечения по всей длине, наибольшее напряжение приходится на его основание.
Упражнение \(\PageIndex{2}\)
Найдите сжимающее напряжение и деформацию в основании колонны Нельсона.
Пример \(\PageIndex{2}\): растягивание стержня
Стальной стержень длиной 2,0 м имеет площадь поперечного сечения 0,30 см 2 . Штанга представляет собой часть вертикальной опоры, удерживающей тяжелую 550-килограммовую платформу, прикрепленную к нижнему концу штанги. Чему равно растягивающее напряжение в стержне и удлинение стержня под действием напряжения без учета веса стержня?
Стратегия
Сначала вычислим растягивающее напряжение в стержне под действием веса платформы в соответствии с уравнением 12.34. Затем мы инвертируем уравнение 12.36, чтобы найти удлинение стержня, используя L 9{-3}\; т = 1,8\; мм \ldotp \end{split}\]
Значение
Как и в примере с колонной, растягивающее напряжение в этом примере неравномерно по длине стержня.
Однако, в отличие от предыдущего примера, если принять во внимание вес стержня, напряжение в стержне наибольшее в верхней части и наименьшее в нижней части стержня, к которому прикреплено оборудование.
Упражнение \(\PageIndex{2}\)
Провод длиной 2,0 м растягивается на 1,0 мм под действием нагрузки. Чему равна деформация растяжения в проволоке?
Объекты часто могут одновременно подвергаться как сжимающему, так и растягивающему напряжению Рисунок \(\PageIndex{3}\). Одним из примеров является длинная полка, загруженная тяжелыми книгами, которая провисает между торцевыми опорами под весом книг. Верхняя поверхность полки находится в сжимающем напряжении, а нижняя поверхность полки в растягивающем напряжении. Точно так же длинные и тяжелые балки прогибаются под собственным весом. В современном строительстве такие деформации изгиба могут быть практически устранены при использовании двутавровых балок. Рисунок \(\PageIndex{4}\).
Рисунок \(\PageIndex{3}\): (a) Объект, изгибающийся вниз, испытывает растягивающее напряжение (растяжение) в верхней части и сжимающее напряжение (сжатие) в нижней части.
(b) Элитные тяжелоатлеты часто временно сгибают железные стержни во время подъема, как, например, на Олимпийских играх 2012 года. (кредит b: модификация работы Александра Кочерженко) Рисунок \(\PageIndex{4}\): Стальные двутавровые балки используются в строительстве для уменьшения деформации изгиба. (кредит: модификация работы «Европейского округа инженерного корпуса армии США»/Flickr) Моделирование
Тяжелый ящик стоит на столе, поддерживаемом тремя колоннами. Просмотрите эту демонстрацию, чтобы переместить блок, чтобы увидеть, как влияет сжатие (или растяжение) в столбцах, когда блок меняет свое положение.
Эта страница под названием 12.4: Напряжение, деформация и модуль упругости (часть 1) распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, переработана и/или курирована OpenStax посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
-
- Была ли эта статья полезной?
-
- Тип изделия
- Раздел или страница
- Автор
- ОпенСтакс
- Лицензия
- СС BY
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- ОпенСтакс
- Показать оглавление
- нет
-
- Теги
-
- объемный модуль
- объемный штамм
- объемное напряжение
- сжимаемость
- деформация сжатия
- напряжение сжатия
- модуль упругости
- нормальное давление
- Па
- паскалей
- давление
- модуль сдвига
- деформация сдвига
- напряжение сдвига
- источник@https://openstax.
