Формула и определение электрического напряжения в цепи в физике

Что такое напряжение и ток?

Кстати, а что такое электрический ток и напряжение? Я думаю, что на самом деле никто не знает, потому что, чтобы узнать это, нужно хотя бы увидеть это. Кто видит ток, протекающий по проводам?

Да нет, человечество еще не добралось до таких технологий, чтобы лично наблюдать за движением электрических зарядов. Все, что мы видим в учебниках и научных трудах, – это некая абстракция, созданная в результате многочисленных наблюдений.

Что ж, об этом можно много говорить… Итак, давайте попробуем разобраться, что такое электрический ток и напряжение. Я не буду писать определения, определения не дают одинакового понимания сути. Если интересно, возьмите любой учебник физики.

Поскольку мы не видим электрический ток и все процессы, происходящие в проводнике, попробуем провести аналогию.

Традиционно электрический ток, протекающий по проводнику, сравнивается с водой, протекающей по трубам. В нашей аналогии вода – это электрический ток. Вода течет по трубам с определенной скоростью, скорость – это сила тока, измеряемая в амперах. Ну и сами трубы – проводник.

Хорошо, мы вычислили электрический ток, но что такое напряжение? Давай подумаем об этом сейчас.

Вода в трубе при отсутствии сил (силы тяжести, давления) не будет течь, она будет лежать, как любые другие сточные воды, пролитые на пол. Таким образом, эта сила или, точнее, энергия в нашей гидравлической аналогии будет истинным напряжением.

Но что происходит с водой, которая течет из резервуара высоко над землей? Вода бурным потоком устремляется из водоема на поверхность земли, выталкиваемая силами тяжести. И чем выше резервуар от земли, тем быстрее вода вытекает из трубы. Вы понимаете, о чем я говорю?

Чем выше резервуар, тем больше сила (небольшое натяжение), действующая на воду. И чем больше скорость потока воды (читайте силу тока). Теперь становится ясно, и в голове начинает формироваться красочный образ.

Разность потенциалов

Теперь давайте соединим эти бутылки трубочкой и поместим в трубку шарик, что будет?

Вода начнет перетекать из бутылки с более высоким уровнем воды в другую бутылку. И в результате поток воды будет двигать наш шарик по трубке. Процесс перелива воды прекратится, когда уровень в бутылках станет одинаковым (принцип сообщающихся сосудов).

Когда уровень воды в бутылках стал одинаковым, разность потенциалов стала равной нулю, то есть электродвижущая сила (ЭДС) равна нулю, и наш шар остается на месте.

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение постоянное и переменное. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток». Постоянный ток и постоянное напряжение являются синонимами, так же как переменный ток и переменное напряжение.

В приведенном выше примере мы рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дне башни постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на нижнюю часть башни. Все кажется элементарным и простым. Но какое напряжение называется переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала летишь в одном направлении, потом происходит торможение, потом возвращаешься спиной, и весь процесс повторяется снова. Напряжение переменного тока ведет себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одном направлении, затем происходит процесс торможения, затем оно давит в другом направлении, торможение происходит снова, и весь процесс повторяется снова, как на качелях.

Трудно понять? А вот еще один пример из известной книги Шишкова «Первые шаги в электронике». Берем замкнутую систему труб с водой и поршнем. Наш поршень в движении. В результате наши молекулы воды отклоняются в одном направлении:

затем к другому:

напряжение переменного тока

Электроны ведут себя точно так же. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Взад и вперед, вперед и назад. Это количество колебаний в секунду называется герцами. В литературе это просто пишется «Гц». Получается, что колебания напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц, это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называется «постоянным», а переменное – «изменением”.

Понятие потенциала, разности потенциалов

Понятие «потенциал» или «разность потенциалов» тесно связано с понятием напряжения электрического тока. Хорошо, вернемся к нашей аналогии с водопроводом.

Наш резервуар расположен на холме, что позволяет воде беспрепятственно стекать по трубке. Поскольку резервуар для воды высокий, потенциал в этой точке будет больше или более положительным, чем потенциал на уровне земли. Смотрите, что происходит?

Теперь у нас есть две точки с разными потенциалами или, скорее, разными значениями потенциала.

Оказывается, для того, чтобы электрический ток протекал по проводу, потенциалы не обязательно должны быть одинаковыми. Ток идет от точки с более высоким потенциалом к ​​точке с более низким потенциалом.

Запомните выражение, что ток идет от плюса к минусу. Так что это то же самое. Также это более положительный потенциал, а отрицательный – более отрицательный.

Кстати, хотите задать вопрос? Что будет с током, если значения потенциалов периодически меняются местами?

Затем мы увидим, как электрический ток меняет направление в обратном направлении каждый раз, когда меняются потенциалы. Это уже будет переменный ток. Но пока не будем его рассматривать, чтобы в голове сформировалось четкое представление о процессах.

Измерение напряжения

Для измерения напряжения используется вольтметр, хотя в настоящее время наибольшей популярностью пользуются мультиметры. Мультиметр – настолько комбинированный прибор, что в нем много чего. Я написал об этом в статье и рассказал, как им пользоваться.

Вольтметр – это именно тот прибор, который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Напряжение (разность потенциалов) в любой точке цепи обычно измеряется относительно НУЛЯ, ЗЕМЛИ, ЗЕМЛИ или МИНУСА батареи. Независимо от главного, это должна быть точка с самым низким потенциалом во всей цепи.

Затем, чтобы измерить напряжение постоянного тока между двумя точками, действуйте следующим образом. Черный (минусовый) зонд вольтметра прикреплен к точке, где мы предположительно можем наблюдать точку с более низким потенциалом (НУЛЬ). Присоединяем красный (положительный) щуп к точке, потенциал которой нас интересует.

И результатом измерения будет числовое значение разности потенциалов, или, другими словами, напряжения.

Измерение тока

В отличие от напряжения, которое измеряется в двух точках, ток измеряется в одной точке. Поскольку сила течения (или, проще говоря, течения), по нашей аналогии, является скоростью потока воды, то эту скорость нужно измерять только в одной точке.

Нам нужно перекрыть подачу воды и поставить на место некий счетчик, который будет считать литры и минуты. Что-то вроде этого.

Точно так же, если мы вернемся в реальный мир нашей электрической модели, мы получим то же самое. Чтобы измерить величину электрического тока, нам нужно подключить простой прибор – амперметр – к разрыву электрической цепи. В мультиметр также входит амперметр. Вы также можете прочитать в моей статье.

Щупы мультиметра необходимо перевести в текущий режим измерения. Затем кусаем наш проводник и подключаем отрезки провода к мультиметру и вуаля – текущее значение отобразится на экране мультиметра.

Формула

Формула для электрического напряжения U согласно закону Ома для участка цепи имеет вид

U = R * I .

Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше ток (I).

Другая формула для расчета электрического напряжения следующая:

U = P / I .

То есть электрическое напряжение U равно мощности, деленной на ток I.

Единица измерения электрического напряжения

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

1 вольт (1 В) – это напряжение между двумя точками электрического поля, при передаче между ними заряда в 1 Кл работа 1 Дж.

U = 1 В

Теперь вы можете объяснить значение меток 4,5 В или 9 В на круглой батарее или батарее типа «таблетка». Дело в том, что при передаче заряда в 1 Кл от одного полюса источника к другому (через спираль лампочки или другой проводник) силами электрического поля может совершаться работа соответственно 4, 5 Дж или 9 Дж.

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)

вы можете преобразовать отдельные единицы следующим образом:

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

Электрическое напряжение в цепи

Один из следующих символов обычно используется для источников напряжения в цепях.

Источники напряжения и электрическая схема

Источник напряжения всегда имеет два соединения / полюса. Поло «плюс» и поло «минус». Само напряжение указано стрелкой напряжения (UQ). Для источников всегда отображается плюс к минусу.

Падение напряжения на резисторе также может быть указано стрелкой напряжения (на схеме показано красной стрелкой UR). Указывает техническое направление электрического тока.

Вы также можете часто слышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение разряженного источника, то есть источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута 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 проводов, в которой мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим только некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты соединяются последовательно.

Последовательное напряжение

Здесь напряжение источника разделено резисторами. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

UQ = U1 + U2 + U3

то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника распределяется между разными резисторами по-разному.

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

Электрическое напряжение параллельно

здесь намного проще определить электрические напряжения на резисторах, поскольку при их параллельном соединении:

UQ = U1 = U2 = U3

Следовательно, напряжение на резисторах равно напряжению на источнике.

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно пользователю, у которого должно измеряться напряжение.

Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью цифрового мультиметра. Для начала нужно установить тип электрического напряжения (DC – постоянный ток или AC – переменный ток).

Для постоянного тока обратите внимание на правильную полярность, например, подключите положительный полюс к положительному. Следующим шагом является выбор правильного диапазона измерения. Если вы не можете оценить, насколько велико измеренное значение, установите максимально возможный диапазон и двигайтесь вниз, пока не найдете тот, который вам нужен. Наконец, достаточно «прочитать» электрическое напряжение с помощью прибора.

Примеры типовых значений электрического напряжения

Для некоторых приложений соответствующее напряжение можно найти в таблице ниже.

Светодиод	1,2 – 1,5 В
Зарядное устройство USB	5 дюймов
Напряжение автомобильного аккумулятора	12,4 – 12,8 В
Выходное напряжение (RMS или RMS)	230 В
Линии электропередач высокого напряжения (LEP)	60 кВ – 1 МВ

Видно, что на высоковольтных линиях есть напряжения до мегавольт. Такие высокие электрические напряжения используются для уменьшения потерь в длинных линиях.

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

P = U * I

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

U = R * I .

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

Напряжение постоянного тока можно определить по тому факту, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив плотный внизу, он имеет большое сопротивление. Здесь ток может течь только медленно. Если сечение выхлопной трубы больше, сопротивление ниже и, следовательно, может протекать больший ток.

Закон Ома

Что ж, дорогие друзья, я думаю, мы не теряли времени зря. После изучения наших гидравлических моделей в моей голове начала формироваться головоломка, начало формироваться понимание.

Что ж, попробуем проверить это по закону Ома.

Где:

• I – ток, измеряемый в амперах (А);
• Напряжение U измеряется в вольтах (В);
• R-сопротивление измеряется в Ом (Ом)

Ом сказал нам, что электрический ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Я не говорил сегодня о сопротивлении, но думаю, вы понимаете. Сопротивление электрическому току оказывается материалом проводника. В нашей водопроводной системе ржавые трубы забиты ржавчиной и другие имеют сопротивление потоку воды.

Поэтому закон Ома во всей красе работает как для системы водоснабжения, так и для системы электроснабжения. Может стоит сходить в сантехнику, там много общего.

Чем выше поднят резервуар для воды, тем быстрее вода будет течь по трубам. Но если трубы грязные, скорость будет ниже. Чем выше водонепроницаемость, тем медленнее будет течь. В случае засора вода может полностью подняться.

Ну по электричеству. Величина тока прямо пропорциональна величине напряжения (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению.

Чем выше напряжение, тем выше ток, но чем выше сопротивление, тем ниже ток. Напряжение может быть очень высоким, но ток может не течь из-за разомкнутой цепи. А прерывание – это как будто вместо металлического проводника мы подключаем проводник воздуха, а воздух имеет только гигантское сопротивление. Здесь ток остановится.

Напряжение в цепях постоянного тока

Ротор – что это

В таких схемах значение описываемой характеристики длительное время остается постоянным. Постепенное изменение значения этой характеристики при подключении потребителей (нагрузки) к аккумулятору связано с его разрядкой – уменьшением разности потенциалов между выводами источника питания за счет движения большего количества носителей заряда от аккумуляторной батареи клемма положительная к отрицательной клемме.

Ток и напряжение в этом случае связаны законом Ома, формула которого приведена ниже:

I = U / R,

где это находится:

• I – сила тока, А;
• U – разность потенциалов, В;
• R – сопротивление, Ом.

Треугольник Ома – удобная форма одноименной формулы закона.

Напряжение в цепях переменного тока

Маркировка кабеля

В таких бытовых и производственных цепочках значение разности потенциалов на их концах непостоянно и со временем меняется. При этом в определенный момент на одном конце цепочки наблюдается максимальное значение этой характеристики, а на другом – минимальное. Графически это изменение выглядит как синусоида с двумя вершинами, соответствующими максимальному и минимальному значениям.

В примечании. Синусоидальную сущность разности потенциалов в этом случае можно наблюдать с помощью такого измерительного прибора, как осциллограф.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

В таких, наиболее часто используемых на производстве схемах, состоящих из трехфазных проводов и общей (нулевой) нейтрали, различают два типа разности потенциалов:

• Линейный – между всеми фазными и нулевыми проводниками;
• Фаза – между отдельным и нейтральным фазным проводом. Его значение в 1,732 раза (квадратный корень из 3) меньше линейного.

Трехфазная розетка.

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляли, как выглядит водонапорная башня или просто водонапорная башня. Проще говоря, это большой высокий «стакан», наполненный водой.

водоносный горизонт

Итак, представим, что башня заполнена водой до краев. Оказывается, прямо сейчас внизу башни какое давление!

водяная башня

Что, если вы слейте из башни хотя бы половину воды? Давление внизу башни уменьшится вдвое. Залейте ведро воды в пустую башню! Давление на нижнюю часть башни будет незначительным.

Представьте себе такую ​​ситуацию. У нас есть водопровод, и мы его заглушили.

Кажется, что вода готова течь, но бежать некуда! Заглушка надежно закрывает трубку. Но сама заглушка сейчас находится под давлением, создаваемым насосной станцией. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что это зависит от мощности помпы. Если мощность насоса высока, пробка разлетится со скоростью пули или давление разорвет трубку, если пробка прочно вставлена ​​в трубку. В этом случае давление создается насосом. То есть можно сказать, что это модель водонапорной башни в горизонтальном положении.

То же можно сказать и о водонапорной башне. Здесь давление на дно создается силой тяжести. Как я уже говорил ранее, давление у основания башни зависит от того, сколько воды находится в башне в это время. Если башня заполнена водой под завязку, давление внизу башни будет высоким, и наоборот.

А теперь представьте давление на дно океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать о давлении в этих двух случаях? Кажется, так оно и есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не движутся. Запомни этот момент. Давление есть, но движения нет.

Характерные значения и стандарты

По современным стандартам для различных электрических сетей значение напряжения составляет:

• Однофазная домашняя сеть – 220 В;
• Трехфазная производственная сеть – 380 / 220В (линейная / фазная).

В примечании. Трехфазные сети более универсальны, чем однофазные, поскольку обладают большей мощностью и позволяют подключать как специально разработанное для них оборудование, так и простую бытовую технику.

От чего зависит напряжение

Объем функций, описанных в этой статье, зависит от следующих факторов:

• Проводящий материал, соединяющий потребителей в определенной сети;
• Количество подключенных к сети потребителей: приборы, инструменты, станки;
• Температура окружающей среды.

Кроме того, качество монтажа той или иной электропроводки влияет на величину разности потенциалов: при неточном монтаже и подключении кабелей использование некачественных предохранителей может существенно измениться, создавая, таким образом, опасность для окружающих.

Факторы, влияющие на норматив напряжения электрических токов

Основными факторами, влияющими на величину электрического напряжения, являются:

• Тип электрической сети – постоянного или переменного тока;
• Количество фаз – 1 или 3;
• Мощность потребителей, подключенных к сети;
• Классы влажности, – и водонепроницаемое электрооборудование, для которого предназначена электросеть.

Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков

Измерение напряжения электрического тока – очень необходимая, но опасная операция, требующая следующих мер предосторожности:

• Все работы должны проводиться с использованием ремонтопригодных вольтметров и мультиметров – приборы должны показывать точное значение измеряемых характеристик в пределах допустимых погрешностей. Не допускается использование неисправных средств измерений, не прошедших своевременную поверку.
• Независимо от того, измеряется эта характеристика для постоянного или переменного тока, к участку цепи параллельно подключают вольтметр (мультиметр;
• При измерении вольт-амперных характеристик высокочастотных электрических сетей требуется специальное разрешение. Это необходимо, потому что работа с таким высоким напряжением требует особых навыков и опыта. При отсутствии этого документа несанкционированное выполнение работ на электрических системах может повлечь административную ответственность;
• Для измерительных работ также необходимо использовать средства защиты: специальные перчатки, диэлектрические лодочки, электроинструмент и ручной инструмент с прорезиненными ручками, резиновые коврики.

Важно! Специалисты советуют владельцам частных домов и коттеджей, при отсутствии опыта проведения таких замеров, обращаться в уполномоченные организации в этой сфере или в местную организацию по кормлению.

Мультиметр и вольтметр.

Кроме того, при проведении измерений в сетях с разностью потенциалов более 1000 В (1 кВ) требуется физический барьер (специальная герметизирующая лента), с помощью которого вокруг создается зона радиусом 5 метров провод, пересекаемый током, сердечником, электрической системой.

Поэтому разобравшись, что такое напряжение как в физике, так и в повседневной жизни, можно не только уяснить суть этих, казалось бы, простых характеристик электрического тока, но и, осознавая их опасность, более аккуратно и аккуратно относиться к выполнению электромонтажных работ.

Более наглядно понять, что такое электрическое напряжение и в чем его суть, можно из следующего видео.

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте посмотрим, как выглядит напряжение постоянного и переменного тока на экране осциллографа. Как известно, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подается напряжение, на осциллографе мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне вдоль оси Y. Ось Y – это значение напряжения, а ось X – время.

осциллограмма нулевого напряжения

Применяем постоянное напряжение. Как видите, форма волны постоянного напряжения также представляет собой прямую линию, параллельную оси времени. Это говорит нам о том, что значение постоянного напряжения не меняется со временем, что еще раз демонстрирует осциллограмма.

осциллограмма постоянного напряжения

А вот как выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как видите, напряжение со временем меняет значение. Или больше нуля, значит меньше нуля.

осциллограмма переменного напряжения

О параметрах переменного напряжения вы можете прочитать в этой статье.

Вы также можете посмотреть это видео, чтобы получить подробное объяснение темы.

Что такое ЭДС

Что, на ваш взгляд, такое ЭДС? Я вам сейчас говорю!

Электродвижущая сила (ЭДС) также измеряется в вольтах, как и напряжение.

Берем прибор, измеряющий вольты (вольтметр), аккумулятор и производим замер.

Прибор показывает 1,5 Вольта и это не напряжение, а электродвижущая сила (ЭДС).

Теперь подключим лампочки к аккумулятору.

Измерение напряжения на различных участках электрической цепи.

Мы заметили, что на одной лампочке напряжение (не ЭДС) составляет 1 вольт, а на другой – 0,3 вольта

Напряжение лампочек зависит от их мощности, мощность измеряется в ваттах.

Мощность = Напряжение * Ток (P = U * I)

Чем больше мощность лампочки, тем больше на ней напряжение.

Если наша батарея 1,5 вольт = 1 вольт + 0,3 вольта = 1,3 вольта, куда делись 0,2 вольта? Батарея тоже имеет собственное внутреннее сопротивление, вот куда и пошли.