Электрическое напряжение

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение может быть постоянным или переменным. В повседневной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток». Постоянный ток и постоянное напряжение являются синонимами, такими же, как переменный ток и переменное напряжение.

В приведенном выше примере мы рассмотрели постоянное напряжение. Это означает, что давление воды в нижней части башни постоянно во времени. Пока в градирне есть вода, она давит на дно градирни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала летишь в одну сторону, потом происходит торможение, а потом летишь обратно и весь процесс повторяется снова. Переменное напряжение ведет себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом толкает в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на повороте.

Трудно понять? Так вот еще один пример из известной книги «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень находится в движении. Поэтому наши молекулы воды отклоняются в одну сторону:

затем к другому.

Электроны ведут себя точно так же. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Это число колебаний в секунду называется герцами. В литературе это просто говорит «Гц».

Тогда получается, что колебания напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора в электростанциях. В просторечии постоянное напряжение называется «постоянным», а переменное — «изменением».

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте посмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как известно, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать напряжение, то мы увидим на осциллограмме простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. По оси Y — значение напряжения, по оси X — время.

Давайте использовать постоянное напряжение. Как вы могли заметить, форма сигнала напряжения постоянного тока также представляет собой прямую линию, параллельную оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжения не меняется, что нам еще раз доказывает осциллограмма.

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как видите, напряжение со временем меняет свое значение. Либо оно больше нуля, либо меньше нуля

Как возникает напряжение

Прежде чем рассматривать приборы для измерения электрического напряжения, необходимо выяснить природу этого явления. В составе атомов любого вещества есть ядро, несущее «плюсовой» заряд, а вокруг него быстро циркулируют электроны с «минусовым».

Поскольку число быстрых частиц равно числу протонов в ядре, атом в нормальном состоянии не имеет заряда. Но когда один или несколько электронов будут устранены, атом начнет пытаться притягивать недостающие, образуя вокруг себя положительное поле. Отрицательный потенциал поля возникает при появлении дополнительных электронов.

Когда положительный и отрицательный потенциалы сталкиваются, между ними возникает двустороннее притяжение. Чем больше разнятся потенциалы, тем активнее электроны в отрицательно заряженном веществе переходят на заряд с противоположным знаком и, соответственно, больше напряжение электрического поля.

При соединении потенциалов противоположно заряженных проводников возникает электрический ток. Так называется целенаправленное движение заряженных частиц, которое пытается устранить разность потенциалов. Чтобы заряды двигались по проводнику, электрическое поле совершает работу, характеризуемую напряжением.

В чем измеряется

Стабилитрон TL431

Как обозначают напряжение в технической документации и на графических схемах? Единица измерения напряжения называется вольт (В) в честь итальянского физика А. Вольта. Вольт можно описать как разность потенциалов между двумя точками в поле, где 1 джоуль работы совершается для перемещения заряда в один кулон.

Обозначение напряжения на схемах имеет вид большой латинской буквы V — условного обозначения единицы напряжения, заключенной в круг. Иногда вместо круга используют схематическое изображение измерительного прибора — вольтметра, обозначаемого буквой В.

Важно! Если сеть имеет напряжение 220 В, это означает, что ее электрическое поле может использовать 220 Дж для перемещения заряженных частиц через нагрузку и цепь. Для электроприборов в паспорте должно быть указано номинальное напряжение. Иногда его также указывают в составе маркировки на передней панели корпуса (например, для электросчетчиков).

От чего зависит напряжение

Инструмент для обжима витой пары: Обжимные клещи

Показатель напряжения, прикрепленный к участку электрической цепи, зависит от ряда факторов, например, от подключенной нагрузки (сопротивления). Также влияют свойства материала, из которого изготовлен элемент проводника, температура окружающего воздуха и самих компонентов сети.

Эффект Джозефсона

Так называется явление сверхпроводящего тока, проходящего через слой диэлектрического материала малой толщины, который изолирует один сверхпроводящий объект от другого.

В научной работе рисунка, именем которого назван эффект, было высказано предположение, что это явление наблюдается только при использовании сверхтонкого слоя (значительно хуже сверхпроводящей длины когерентности). Более поздние эксперименты показали, что это проявляется и при использовании более толстых слоев.

Использование этого явления позволит проводить высокоточные измерения напряжения, а также магнитных полей. Последнее стало возможным благодаря огромной зависимости электрического тока, критического для соединения, используемого в интерферометре, от внешнего магнитного поля.

Когда контакт Джозефсона поддерживается постоянным напряжением, он может действовать как генератор излучения электромагнитных волн. Можно организовать и установить с обратным, поглощающим эффектом. При этом и генерация, и прием способны работать в диапазоне частот, недоступном для других средств.

Продолжаются также исследования рассматриваемого эффекта и явления переноса магнитного поля на основе переноса и накопления данных (квантовые компьютеры). Первый экспериментальный процессор такого типа был разработан японскими инженерами. В 2014 году сотрудники физического факультета МГУ разработали микросхему для компьютера, используя свойства сверхпроводников и этот эффект.

Действующее значение напряжения

Заделка кабеля

Величину электрического потенциала, имеющегося между двумя точками электрической сети, можно определить по тому, какая работа была совершена за определенный промежуток времени, или по количеству выделившейся теплоты. При переменном напряжении они работают иначе.

Так как характер его колебаний имеет вид синусоидальной кривой, а показатель принимает максимальное значение на вершине амплитуды (и при переходе от плюсовой зоны к кривой минусового напряжения нулевой), то средний показатель равен используется для расчетов. Именно он и называется действующим, и его можно приравнять к той же величине постоянного напряжения.

Это меньше максимально допустимого показателя на величину, равную корню из двух из последнего (то есть примерно в 1,4 раза). Для сети с номинальным напряжением 220 В максимальным, таким образом, будет 311 В. Эти показатели необходимо учитывать при выборе конденсаторов, диодных компонентов и других подобных элементов для установки в той или иной системе.

Синусоидальное напряжение с амплитудой 310 В соответствует постоянному напряжению 210 В

Объяснение простыми словами

Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды отделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды с одной стороны, а все положительные заряды с другой. Если вы соедините эти две стороны электропроводным материалом, потечет электрический ток.

Общепринятое определение термина «электрическое напряжение”.

Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила электрического заряда.

Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела независимо от его электрического заряда. Для пояснения можете посмотреть сравнение с водяным контуром прямо ниже в статье.

Есть и другое определение (из учебника физики за 8 класс):

Напряжение — физическая величина, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками в электрическом поле численно равно работе, совершаемой при переносе между ними заряда в 1 Кл силами в электрическом поле.

Сравнение с использованием модели потока воды.

Хорошей аналогией, которая поможет вам визуализировать напряжение и потенциал, является водяной контур. В этом случае у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. По этой трубе вода может течь из верхнего тазика в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса.

В своих размышлениях вы теперь можете легко сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос перекачивает воду из нижнего резервуара в верхний. Оттуда она течет самостоятельно обратно в нижний бассейн. В этом примере насос является приводом потока.

Чем больше перепад высот, тем сильнее течение. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разницу в энергии между двумя бассейнами с разницей в электрическом потенциале. Проще говоря, большая разница высот соответствует большему электрическому напряжению.

Формула закона Ома

Самым важным открытием Ома было то, что количество электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи при данной температуре, прямо пропорционально приложенному к нему напряжению. Ом выразил свое открытие простым уравнением, описывающим взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением:

Э=ИК

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно произведению тока (I) на сопротивление (R). Используя алгебру, мы можем преобразовать это уравнение в два других варианта, решив для I и R соответственно:

I = frac{E}{R}

R = frac{E}{I}

Метода треугольника закона Ома

Закон Ома — очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что ученику приходится учить его наизусть. Если вы не очень хорошо работаете с формулами, то следует запомнить простой прием, который поможет вам применить его к любому значению и знать два других. Сначала расположите буквы E, I и R в таком треугольнике:

Если вы знаете E и I и хотите определить R, уберите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Если вы знаете E и R и хотите определить I, удалите I и посмотрите, что осталось:

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, удалите E и посмотрите, что осталось:

Со временем вам нужно будет научиться работать с формулами, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может облегчить запоминание ваших первых вычислений. Если вы знакомы с формулами, все, что вам нужно сделать, это сохранить E = IR в памяти и вывести две другие формулы, когда они вам понадобятся!

Читайте также: УЗО: что это такое в электрике, принцип работы, назначение, маркировка, характеристики, классификация

Единица измерения электрического напряжения

Единицей электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского ученого А. Вольта).

1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками в электрическом поле, когда между ними передается заряд в 1 Кл, совершается работа в 1 Дж.

[U] = 1 В

Теперь вы можете объяснить значение надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Дело в том, что при переносе заряда в 1 Кл с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) силы электрического поля могут совершать работу в 4,5 Дж или 9 Дж соответственно.

В электротехнике напряжение может варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10-6 В) и милливольт (1 мВ = 10-3 В), до киловольт (1 кВ = 1 * 103 В) и мегавольт (1 МВ = 106 В). В)

Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:

1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.

Электрическое напряжение в цепи

Источники напряжения в цепях обычно используют один из следующих символов.

Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Плюсовой стержень и минусовой стержень. Само напряжение указано стрелкой напряжения (UQ). Для источников всегда отображается от плюса к минусу.

Падение напряжения на резисторе также может быть обозначено стрелкой напряжения (обозначена красной стрелкой на диаграмме UR). Это указывает на техническое направление электрического тока.

Вы также можете часто слышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, можно измерить только напряжение на полюсах источника.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, где мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим только некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты соединяются последовательно.

Здесь напряжение источника делится на резистор. Эта точка также описывается вторым законом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

UQ = U1 + U2 + U3

то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника распределяется неравномерно по разным резисторам.

В параллельной схеме компоненты соответственно расположены параллельно по отношению друг к другу. Это можно увидеть на следующей диаграмме.

Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:

UQ=U1=U2=U3

Следовательно, электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, называемые также вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором должно быть измерено электрическое напряжение.

Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам, как измерять напряжение с помощью цифрового мультиметра. Сначала нужно установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).

Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е подключить плюс к плюсовому полюсу. Следующим шагом является выбор правильного диапазона измерения.

Если вы не можете измерить, насколько велико значение, которое вы измеряете, установите площадь на максимально возможную площадь и работайте вниз, пока не найдете нужное значение. Наконец, вам просто нужно «прочитать» электрическое напряжение с помощью устройства.

Примеры типовых значений электрического напряжения

Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.

ВЕЛ	1,2–1,5 В
USB-зарядное устройство	5 В
Напряжение автомобильного аккумулятора	12,4 — 12,8 В
Напряжение розетки (RMS или RMS)	230 В
Линии высокого напряжения (ЛЭП)	60 кВ — 1 МВ

Вы можете видеть, что напряжения до мегавольт присутствуют на линиях высокого напряжения. Такие высокие электрические напряжения используются для уменьшения потерь в длинных линиях.

Решающим фактором для потребителя является мощность Р, которую можно рассчитать для постоянного напряжения по формуле:

П=У*И

Это означает, что электрический ток I так же важен для потребителя, как и электрическое напряжение. Согласно закону Ома зависимость между током и напряжением:

У = Р * Я .

Если напряжение остается постоянным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, наполненных одинаковым количеством воды. В каждом бассейне слив разный по сечению, т.е в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом очень большая.

Постоянное электрическое напряжение можно определить, если все контейнеры будут заполнены до одинаковой высоты. Если слив узкий внизу, он дает большое сопротивление. Течение здесь может течь только медленно. Чем больше поперечное сечение дренажной трубы, тем ниже сопротивление и, следовательно, может протекать больший ток.