Что такое напряжение: единица измерения и формула в физике для переменного и постоянного тока

Что такое электричество.

Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в 7 веке до нашей эры. Фалес наблюдал эффект статического электричества: притяжение легких предметов и частиц к натертому шерстью янтарю. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно, нужно потереть любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) о шерстяную или хлопчатобумажную ткань и поднести к мелко нарезанным кусочкам бумаги.

Первым серьезным научным трудом, описывающим изучение электрических явлений, стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните: Земля», изданный в 1600 г. В этом труде автор описал результаты его опыты с магнитами и наэлектризованными телами. Термин «электричество» также упоминается здесь впервые.

Исследования У. Гильберта дали большой толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: с начала XVII до конца XIX века было проведено большое количество опытов и установлены основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон — элементарную заряженную частицу, определяющую электрические и магнитные свойства материи. Электрон (в древнегреческом языке электрон — янтарь) имеет отрицательный заряд, примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулон), и массу, равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам в веществах происходят электрические и магнитные процессы.

Электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда в этом случае могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах они могут быть проводящими, полупроводниковыми и диэлектрическими. Условно направление движения тока – это направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы — от плюса к минусу.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Ток в 1 А возникает, когда заряд в 1 К проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Вернемся к примеру с водой в емкости. Возьмем два бака с одинаковым уровнем воды, но разным диаметром трубы на выходе.

Сравним характер выхода воды из обоих баков: уровень воды в левом баке снижается быстрее, чем в правом. То есть интенсивность подачи воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим воду в правый бак, увеличив таким образом высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, усилит интенсивность подачи воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.

Приведенные выше примеры с водой наглядно демонстрируют взаимосвязь между электрическим током, напряжением и сопротивлением.

Различают постоянный и переменный электрические токи. Если заряженные частицы постоянно движутся в одном направлении, то в цепи постоянный ток и, следовательно, постоянное напряжение. Если направление движения частиц периодически меняется (они движутся то в одну, то в другую сторону), то это переменный ток и возникает, соответственно, при наличии переменного напряжения (т е когда разность потенциалов меняет свою полярность) . Для переменного тока характерно периодическое изменение величины тока: она принимает максимальное или минимальное значение. Эти текущие значения являются амплитудными, или пиковыми. Частота смены полярности напряжения может быть разной. Например, в нашей стране эта частота равна 50 Герц (т).

Виды электрического тока в быту

Чтобы определить какой ток в розетке, не обязательно изучать эту тему на университетском уровне. Существует всего два вида напряжения: постоянное и переменное.

Ответ на вопрос, какой ток в розетке переменный или постоянный, сейчас однозначен, но в начале 20 века на эту тему спорили два великих изобретателя: Никола Тесла, поддержавший идею переменного тока, и Томас Эдисона, который выступал за постоянный ток. В этот период в розетке может быть постоянный или переменный ток, в зависимости от страны и схемы электроснабжения здания.

В конце концов точка зрения Теслы победила, и в настоящее время в электроустановках используется в основном постоянный ток, питающийся от сети переменного тока через диоды или тиристорные выпрямители.

Интересно! В некоторых зданиях Сан-Франциско в 2012 году сохранились лифты с питанием от постоянного тока. Это оборудование и подача такого напряжения в здания оставались редкостью. В Нью-Йорке такие объекты работали до 2007 года.

Постоянный ток

Международным символом для этого напряжения постоянного тока является постоянный ток, а на схемах подключения используется символ «-» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения не меняются, а сила тока меняется только при изменении нагрузки. Этот вид электрического тока вырабатывают аккумуляторы, батареи и элементы солнечных электростанций.

Трамваи, троллейбусы и другой электротранспорт работают от сети постоянного тока. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

Информация! Большинство электронных схем работают от постоянного напряжения, но питаются от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Идеи Эдисона

Современная жизнь немыслима без электричества. Чтобы она служила гражданским и промышленным целям, ее нужно не только производить, но и доставлять потребителю. Первым, кто решил производить электроэнергию в больших количествах и транспортировать ее на фабрики, в офисы и дома, был американский бизнесмен Томас Эдисон, один из самых влиятельных изобретателей в мире.

Для реализации своей идеи он спроектировал и испытал парогенераторы постоянного тока, электросчетчики и элементы распределительной сети. В то время было непросто провести первую электрификацию освещения. Владельцы газовых компаний видели в Эдисоне опасного конкурента, способного поставить под угрозу существование их компаний. Но ничто не могло остановить изобретателя. Ни колоссальные затраты на прокладку кабелей по тротуарам, ни несчастные случаи при испытаниях не помешали ему в сентябре 1882 года пустить первую осветительную сеть из пяти тысяч ламп.

Через 5 лет в эксплуатации находилось более 50 электростанций Эдисона. Несмотря на большой успех, изобретателю не удалось расширить географию своих электрических сетей на весь мир. Жители районов, где располагались электростанции, пожаловались на дым и копоть и успели закрыть производственные мощности Эдисона. Таким образом, первое поколение угольных электростанций в конечном итоге прекратило свою деятельность, уступив место тысячам новых генераторов переменного тока.

Что такое DC ток и что он значит

Постоянным принято называть электрический ток, сила и направление которого не меняются. В электротехнике смешанный режим с преимущественно постоянной составляющей называют также постоянным, если колебания малы для предполагаемого эффекта или если колебания являются следствием колебаний нагрузки. Тогда среднее арифметическое считается непрерывным током.

Довожу до вашего сведения! На английском языке это широко известно как постоянный ток или сокращенно DC, который также используется для постоянного напряжения. Переменный электрический ток переводится как переменный ток, что означает переменное напряжение.

Какое напряжение DC тока

При постоянном напряжении электроны всегда движутся в одном направлении. Поэтому источник напряжения всегда имеет одну и ту же полярность. Однако уровень напряжения не обязательно должен быть всегда одинаковым. В качестве классического источника энергии для выработки постоянного напряжения подойдет обычная батарея, в которой уровень напряжения снижается при разряде.

Кроме того, большинство источников питания также генерируют постоянное напряжение, хотя питаются от переменного тока. В случае стабилизированных источников питания помимо направления потока большое значение имеет также уровень переменного напряжения, которое может меняться в зависимости от напряжения, но всегда будет иметь одинаковую полярность.

Примечание! Переменные напряжения, подаваемые сетевыми трансформаторами и генераторами, могут быть преобразованы выпрямителями. Таким образом, существует электрическое напряжение, которое изменяется по величине, но не по знаку.

Составляющую переменного напряжения можно уменьшить, подключив достаточно большой конденсатор фильтра параллельно или последовательно с катушкой фильтра, чтобы осталась только небольшая остаточная пульсация. Чем больше емкость конденсатора или индуктивность катушки, тем меньше максимальное значение наложенного переменного напряжения.

Сфера применения DC тока

Постоянный ток имеет широкий спектр технических применений в электронике, солнечной энергетике и частично в электроснабжении железных дорог. Почти все электронные схемы (например, в компьютерах) работают с ними. Если электронные устройства питаются не от батареек или аккумуляторов, а от блоков питания, выпрямитель в блоке питания обеспечивает постоянную величину. Итак, среди самых популярных устройств — сотовые телефоны, ноутбуки и компьютеры.

Солнечные элементы также могут генерировать только постоянный постоянный ток. Если фотогальванические системы собираются отдавать производимую ими электрическую энергию в сеть общего пользования, между ними должен быть подключен инвертор.

Электромобили, получившие в последнее время широкое распространение, используют для своей работы постоянный ток. Он также используется в наземном и подземном общественном транспорте, таком как трамваи, троллейбусы и метро.

Поэтому переменный и постоянный токи имеют существенные отличия. Это важно учитывать при подключении того или иного оборудования, а также чтобы не перепутать диапазон.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения — AC — Alternating Current (переменный ток), а на электрических схемах — символ «~» или «≈».

Величина и полярность переменного тока в сети все время меняется. Частота этих изменений составляет 50 Гц в Европе и некоторых других странах и 60 Гц в США. Большинство бытовых и промышленных приборов изготавливаются для питания от сети переменного тока.

Почти вся электроэнергия, используемая в быту и в промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния ее повышают трансформаторами, а в конце линии снижают до необходимой величины. Это позволяет снизить стоимость линий электропередач и потери. Чтобы исключить колебания напряжения, для особо ответственных устройств устанавливают стабилизаторы.

При увеличении напряжения и постоянной передаваемой мощности пропорционально уменьшается сила тока и сечение проводов. Если напряжение не повысить, для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабели большого сечения, и передача на большие расстояния будет невозможна. Поэтому на выходе присутствует переменный ток.

В бытовой розетке два контакта: фаза и ноль. В некоторых случаях к ним добавляется заземление. Это однофазное напряжение является частью трехфазной системы. Включает в себя три одинаковые сети. Напряжение в этих сетях не совпадает по фазе друг с другом на 120.

Сначала эта система была шестипроводной. В таком виде его изобрел Никола Тесла. Позднее М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трехфазное напряжение по трем или четырем проводам (L1, L2, L3, N). Также были показаны преимущества трехфазной системы питания по сравнению со схемами с другим количеством фаз.

Общее понятие о переменном токе

Поскольку переменный ток в общем случае изменяется в электрической цепи не только по величине, но и по направлению, то одно из направлений переменного тока в цепи считается условно положительным, а другое, противоположное первому, отрицательным . В соответствии с этим значение мгновенного значения переменного тока в первом случае считается положительным, а во втором случае — отрицательным.

Сила переменного тока является скалярной величиной, ее знак определяется тем, в каком направлении течет ток в цепи в рассматриваемый момент: положительном или отрицательном.

Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.

Максимальное мгновенное значение переменного тока, которого он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой.

Напряжение переменного тока

Как известно из уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, происходящее под действием электромагнитного поля, разности потенциалов и напряжения на них. Основной характеристикой любого напряжения является его зависимость от времени. На этом основании различают постоянные и переменные значения. Значение константы с течением времени практически не меняется, а переменная изменяется.

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое способно изменяться в любой период времени.

Напряжение в переменной цепи является параметром, изменяющим свое значение во времени. Для упрощения пояснений ниже будет рассмотрено синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать как функцию некоторой функции. Если время равно t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T — период.

Физическая величина, обратная периоду, называется частотой. Он равен 1/T. Единица измерения — герц, а единица измерения периода — секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/s = ca первая степень минус.

Важно! Наиболее распространенная функциональная зависимость сетевой переменной имеет вид синусоиды. Именно поэтому он был взят за основу данного материала

Из математики известно, что синусоида является простейшей периодической функцией, и с ее помощью любую другую периодическую функцию можно представить из нескольких синусоид с кратными частотами.

Синусоидальный ток в абсолютно любой момент времени может описывать мгновенную характеристику: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U — максимальное напряжение (амплитуда), ω — угловая скорость изменение, φ — начальная фаза, которая определяется изменением функции относительно нулевой точки координат.

Часть (ωt + φ) – фаза, характеризующая значение напряжения в конкретный период времени. Отсюда следует, что амплитуда, угловая скорость и фаза являются основными характеристиками переменных сетей, определяющими их значения в любом интервале времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фаза часто принимается равной нулю. На практике также часто используют еще несколько параметров, в том числе эффективное и среднее напряжение, форм-фактор

Генерирование переменного тока

Простейший генератор переменного тока: Если маховик с несколькими установленными парами постоянных магнитов вращается вокруг витка провода, намотанного в магнитопроводе из трансформаторной стали, то в витке будет индуцироваться синусоидальная ЭДС (условно изображаемая как один виток), а при подключена нагрузка, переменный ток.
Применяется в транспортных средствах (мопеды, легкие мотоциклы, снегоходы, водные мотоциклы, а также подвесные моторы), работает совместно с выпрямителем и регулятором напряжения (см magdino

Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции — индукции электродвижущей силы в проволочном контуре (проволочном каркасе), находящемся в однородном вращающемся магнитном поле.

По числу фаз генераторы бывают:

• трехфазные генераторы – основной тип мощных промышленных генераторов;
  См также трехфазная система питания, трехфазный двигатель, трехфазный автомобильный генератор переменного тока .
• однофазные генераторы, применяемые, как правило, в маломощных бензиновых силовых установках, встраиваемых в двигатели внутреннего сгорания мопедов, легких мотоциклов, снегоходов, гидроциклов, подвесных моторов;
  См также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель .
• двухфазные генераторы встречаются гораздо реже, чем однофазные и трехфазные.

Сети переменного тока

Четырехпроводная ЛЭП 220/380 В, такие ЛЭП распространены в районах одноэтажной застройки, в сельской местности.

Производители электроэнергии (ГЭС, ТЭС, тепловые, атомные и другие электростанции) вырабатывают переменный ток промышленной частоты (в России — 50 Гц), напряжением примерно 10 — 20 кВ.

Затем электрический ток поступает на трансформаторные подстанции, расположенные рядом с заводами, где повышено электрическое напряжение.

Высоковольтный переменный ток передается потребителям по линиям электропередач (ЛЭП). Необходимо повышать напряжение, чтобы уменьшить потери в проводах ЛЭП (см закон Джоуля-Ленца, при повышении электрического напряжения сила тока в электрической цепи уменьшается, соответственно уменьшаются тепловые потери).

Самая высоковольтная линия электропередачи в мире Экибастуз-Кокчетав работала при напряжении 1 миллион 150 тысяч вольт.

На другом конце ЛЭП расположена понижающая трансформаторная подстанция, где высоковольтный переменный ток понижается трансформаторами до требуемой потребителем величины.

В подавляющем большинстве случаев трехфазный ток передается по линиям электропередачи, однако существуют линии электропередач постоянного тока, например, ВЛП постоянного тока Волгоград-Донбасс, ВЛП постоянного тока Экибастуз-Центр, Материк Южная Корея — остров Чеджу и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами с использованием переменного тока разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это делается на границе Ленинградская область с Финляндией (см врезку Выборгский ДК — Финляндия).

В России в электрических сетях общего назначения используется трехфазный ток с интерфейсным напряжением 380 вольт.

Качество электроэнергии: ее электрическое напряжение и частота должны строго соблюдаться.

Присоединяются линии электропередач (воздушные или кабельные ЛЭП) четырехпроводные (трехфазные провода и нулевой (нулевой) провод) с междуфазным напряжением 380 вольт (с 2003 года 400 вольт по ГОСТ 29322-2014) к зданиям жилым (по сельским улицам). В отдельную квартиру (или в сельский дом) подводится фазный провод и нулевой провод, электрическое напряжение между «фазой» и «нулем» 220 вольт (с 2003 года 230 вольт по ГОСТ 29322-2014). Определите, какой провод какой, с помощью индикатора фазы.

Например, в первую квартиру подводится фаза «А», во вторую квартиру фаза «В», в третью квартиру фаза «С» и так далее.

Почему переменный ток используется чаще постоянного?

Короткий ответ на этот вопрос заключается в том, что речь идет о его универсальности. Что можно сделать с переменным напряжением, вот несколько инструкций:

• пройти трансформацию;

• изменить частоту;

• получать многофазные цепи;

• предлагает лучшую производительность в некоторых областях.

Одним из главных преимуществ является возможность трансформации. Правда, постоянное напряжение можно изменить и с помощью делителя или умножителя напряжения, но это будет электрическая схема. Для гальванической развязки требуется трансформатор с двумя или более независимыми цепями.

Также трансформатор намного проще умножителей напряжения и позволяет значительно увеличить напряжение. Почему так важно увеличить напряжение цепи? Дело в том, что по закону Ома, чем выше напряжение, тем меньше потери при передаче, а это дает возможность передавать электроэнергию на большие расстояния.

Все беспроводные устройства используют переменную составляющую, называемую промежуточной частотой, для беспроводной передачи сигнала. Один набор частот позволяет использовать множество радиоустройств, не мешающих друг другу. Длинноволновые сигналы способны распространяться на большие расстояния, огибая Землю. Ультракороткие же частоты распространяются прямолинейно, что позволяет создавать радиотелескопы для изучения космоса, недр Земли и океана.

При использовании синусоидального тока можно увеличить мощность передачи к потребителям электроэнергии. Это достигается за счет увеличения количества фаз. Мощность однофазного и трехфазного двигателя будет существенно различаться при одинаковых габаритах. А передача большей мощности будет достигаться в трехфазной сети при том же сечении кабеля.

Для выпрямления переменного тока достаточно использовать простое устройство, называемое выпрямителем, а вот сделать из постоянного тока переменную синусоиду с помощью радиодеталей будет несколько хлопотно. До относительно недавнего времени для освещения использовались лампы накаливания. Использование постоянного и переменного тока дает разные цветовые результаты, белый свет дают лампы переменного тока. Правда, в современных фотодиодных лампах используется постоянная составляющая, но по мощности они еще не догнали своих собратьев.

Суть явления

Напряжение — это электрическая движущая сила, предназначенная для перемещения свободных типов электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательным требованием к протеканию зарядов является наличие цепи с замкнутым контуром, что создает условия для их перемещения. При обрыве цепи процесс направленного движения частиц прекращается.

Примечание! Стоит отметить, что единица измерения напряжения в электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка и какая температура.

Что это

Как возникает напряжение

Прежде чем рассматривать единицы измерения электрического напряжения, необходимо разобраться в природе этого явления. В составе атомов любого вещества ядро ​​несет «плюсовой» заряд, а электроны с «минусовым» быстро циркулируют. Поскольку число быстрых частиц равно числу протонов в ядре, в нормальном состоянии атом не имеет заряда. Но когда один или несколько электронов удаляются, атом начинает 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 двунаправленное притяжение. Чем сильнее различаются потенциалы, тем активнее электроны, содержащиеся в отрицательно заряженном веществе, переходят на заряд с противоположным знаком, и соответственно выше напряжение электрического поля.

При соединении потенциалов проводящих элементов противоположного заряда возникает электрический ток. Это название преднамеренного движения заряженных частиц, пытающихся устранить разность потенциалов. Для того чтобы по проводнику двигались заряды, электрическое поле совершает работу, характеризующуюся напряжением.

Разновидности

Бывают двух видов: фиксированные и переменные. Первый относится к электростатическим типам цепей и цепям постоянного тока. Переменная возникает там, где есть синусоидальная энергия. Важно, что синусоидальная энергия делится на действующую, мгновенную с полувыпрямленной. Единицей измерения напряжения электрического тока является вольт.

Также стоит отметить, что количество мощности между фазами называется линейной фазой, а показатель заземления и фазного тока – фазой. Аналогичное правило используют все авиакомпании. На территории РФ в бытовой электросети стандарт 380 вольт, фаза 220 вольт.

Основные разновидности

Постоянное напряжение

Константа – это разность электрических потенциалов, при которой сохраняется одно и то же значение при перепадах полярности в течение определенного периода времени. Основным преимуществом постоянной мощности является отсутствие реактивной мощности. Это означает, что вся мощность, вырабатываемая генератором, потребляется нагрузкой, за исключением потерь в проводке. Она течет по всему сечению проводника.

Что касается недостатков, то это сложность увеличения при уменьшении мощности, то есть в момент ее преобразования из-за конструкции преобразователей и отсутствия мощных полупроводниковых ключей. Кроме того, трудно разделить высокую и низкую энергию.

Примечание! Постоянная энергия используется в электронных схемах, гальванических элементах, батареях, электролизных установках, сварочных инструментах, инверторных преобразователях и многих других устройствах.

ОКРУГ КОЛУМБИЯ

Переменное напряжение

Переменный ток – это ток, периодически изменяющийся по величине и направлению, но сохраняющий при этом неизменным свое направление в электрической цепи. Его часто называют синусоидальным. Одно направление, в котором движется энергия, называется положительным, а другое — отрицательным. Поэтому полученное значение называют положительным и отрицательным. Такой показатель является алгебраической величиной. Отвечая на вопрос, как называется единица напряжения, следует отметить, что это вольт. Его значение определяется адресом. Максимальное значение – это амплитуда. Бывает:

• двухфазный;

Двухфазный

• три фазы;

Три фазы

• многофазный.

Многофазный

Он активно используется в промышленности, на электростанции, на трансформаторной подстанции, передается в каждый дом по линиям электропередач. Чаще всего для подключения используют три фазы. Такая электрификация распространена на многих железных дорогах.

Примечание! Следует отметить, что существуют также некоторые типы двухсистемных электровозов, которые во многих случаях работают с переменной скоростью.

Переменный ток

Кулон и электрический заряд

Одной из основных единиц электрических измерений, которую часто изучают в начале курсов по электронике, но редко используют впоследствии, является кулон, единица электрического заряда, пропорциональная числу электронов в неуравновешенном состоянии. Подвеска с зарядом соответствует 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулон обозначается «C». Единица тока, ампер, равна 1 кулону заряда, проходящего через данную точку цепи за 1 секунду. В этом смысле ток — это скорость, с которой электрический заряд движется по проводнику.

Как указано выше, напряжение является мерой потенциальной энергии на единицу заряда, доступной для стимуляции протекания тока из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», нам нужно понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общепринятой метрической единицей энергии любого вида является джоуль, который равен количеству работы, совершаемой силой в 1 ньютон при перемещении на 1 метр (в том же направлении). В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии, умноженной на 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея отдает 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, проходящего через цепь.

Эти единицы и символы для электрических величин будут очень важны, когда мы начнем исследовать взаимосвязь между ними в цепях.

Единицы измерения

Напряжение измеряется в вольтах. Обозначается В или Вольт. Величина выражается как разность нескольких точек в электрическом поле. Значение 220 вольт указывает на то, что электрическое поле предназначено для растраты энергии, чтобы таскать заряды по электрической цепи с нагрузкой.

Формула

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

У = Р * Я .

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

Другая формула для расчета электрического напряжения:

У = П / Я .

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

Анализ простых схем с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как эти формулы помогают нам анализировать простые схемы:

Рисунок 1 – Пример простой схемы

В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления тока (лампа справа). Это позволяет очень легко применить закон Ома. Если нам известны значения любых двух из трех величин (напряжение, ток и сопротивление) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.

В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи с учетом значений напряжения (E) и сопротивления (R):

Рисунок 2 – Пример 1. Известные напряжение источника и сопротивление лампы

Какова сила тока (I) в этой цепи?

I = frac{E}{R} = frac{12 V}{3 Ohm} = 4 A

Во втором примере рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи, учитывая напряжение (E) и ток (I):

Рисунок 3 – Пример 2. Источник известных напряжения и тока в цепи

Каково сопротивление (R) лампы?

R = frac{E}{I} = frac{36V}{4A} = 9Ом

В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, выдаваемого батареей, учитывая значения тока (I) и сопротивления (R):

Рисунок 4 – Пример 3. Ток в цепи и сопротивление лампы известны

Какое напряжение выдает аккумулятор?

Э=IR=(2А)(7Ом)=14В

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 студент должен выучить его наизусть. Если вы не очень хорошо работаете с формулами, то есть простой трюк для их запоминания, который поможет вам использовать их для любого значения, зная два других. Сначала расположите буквы E, I и R в таком треугольнике:

Рисунок 5 – Треугольник закона Ома

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

Рисунок 6 – Закон Ома для определения R

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

Рисунок 7 – Закон Ома для определения I

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

Рисунок 8 – Закон Ома для определения Е

В конце концов, вам придется научиться работать с формулами, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может облегчить запоминание первых нескольких расчетов. 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!

Измерительные приборы

Аналоговая, цифровая или электронная стрелка или вольтметр используются для измерения силы. Благодаря этим устройствам можно измерять и контролировать характеристики сигналов. Вы также можете сделать измерения с помощью осциллографов. Они работают за счет того, что энергия отклоняется электронным лучом и поступает в устройство, которое выдает переменное значение.

Вольтметр как основной измерительный прибор

Напряжение — это физическая величина, которая указывает количество тока в цепи и оборудовании в вольтах. Ток бывает постоянным и переменным. Отличие в том, что первое понятие означает, что ток постоянно меняет полярность и течет в сети переменно. Во втором случае ток проходит по электрической цепи без перерыва. Измерил вольтметром.

Требования к измерительным приборам

Узнав, как обычно измеряют напряжение, нужно понять, как решить проблему прибора, не отвечающего основному требованию – достаточно высокому пределу измерения. Выходы из ситуации зависят и от тока, с которым работает мастер:

1. При работе с постоянным током можно подключить дополнительный внутренний или внешний резистор. Другой вариант — использовать несколько резисторов для разных предельных значений. На этом принципе основана работа мультиметра.
2. В случае переменного тока можно также подключить подходящий дополнительный резистор. Трансформаторы напряжения также широко используются.

Мультиметры позволяют измерять напряжение

Важно! Вольтметр, используемый для измерения, должен иметь максимальное сопротивление и минимально возможный ток. Это необходимо для минимизации влияния устройства на электрическую сеть и потерь в кабелях, ведущих его от источника питания.

Измерения разности потенциалов играют важную роль при отладке электрических цепей и электрических сетей. Надежность работы оборудования зависит от правильно проведенных измерений, для их проведения необходимо знать единицы измерения напряжения.

От чего зависит напряжение

Показатель напряжения, устанавливаемый на участке электрической цепи, зависит от нескольких факторов, например, от подключенной нагрузки (сопротивления). Также влияют характеристики вещества, из которого изготовлен токопроводящий элемент, температура окружающего воздуха и самих компонентов сети.

Эффект Джозефсона

Так называется явление сверхпроводящего тока, проходящего через тонкий слой диэлектрического материала, который изолирует один сверхпроводящий объект от другого. В научной работе рисунка, названного в честь эффекта, было высказано предположение, что это явление наблюдается только при использовании сверхтонкого слоя (значительно меньше сверхпроводящей длины когерентности). Более поздние эксперименты показали, что она проявляется и при использовании гораздо более толстых слоев.

Использование этого явления позволит проводить высокоточные измерения напряжения, а также магнитных полей. Последнее возможно благодаря огромной зависимости электрического тока, критического для соединения, используемого в интерферометре, от внешнего магнитного поля. Когда джозефсоновский переход удерживается при постоянном напряжении, он может действовать как генератор излучения электромагнитных волн. Можно организовать и установить с обратным впитывающим эффектом. При этом и генерация, и прием способны работать в диапазоне частот, недоступном другими способами.

Аналогичным образом исследуется рассматриваемый эффект и основанные на нем явления переноса магнитных полей для передачи и накопления данных (квантовые компьютеры). Первый такой экспериментальный процессор был разработан японскими инженерами. В 2014 году сотрудники физического факультета МГУ разработали микросхему для компьютера, используя свойства сверхпроводников и этот эффект.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в которой мы более подробно разбираемся в этой теме. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты соединяются последовательно.

Электрическое напряжение при последовательном соединении

Здесь напряжение источника делится 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 по разным резисторам по-разному.

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

Электрическое напряжение в параллельной цепи

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.

Действующее значение напряжения

Люмен — единица измерения светового потока

Величину электрического потенциала, имеющегося между двумя точками электрической сети, можно определить по работе, совершаемой за данный промежуток времени, или по количеству выделившейся теплоты. В случае переменного напряжения они действуют иначе. Поскольку характер ее колебаний имеет вид синусоидальной кривой, а максимальное значение показатель принимает на пике амплитуды (и при переходе от положительной зоны кривой к нулю отрицательного напряжения), используется средний показатель .для расчетов. Именно он называется действующим, и может быть приравнен к той же величине постоянного напряжения.

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

Синусоидальное напряжение с амплитудой 310 В эквивалентно постоянному напряжению 210 В

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 водонепроницаемости и влагозащищенности электрооборудования, для которого предназначена электрическая сеть.

Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков

Измерение напряжения электрического тока — очень нужная, но в то же время опасная операция, требующая соблюдения следующих мер предосторожности:

• Все работы необходимо производить с использованием исправных вольтметров и мультиметров – приборы должны отображать точное значение измеряемых характеристик в пределах допускаемой для них погрешности. Не допускается использование неисправных и не поверенных вовремя средств измерений.
• Независимо от того, для постоянного или переменного тока будет измеряться эта характеристика, вольтметр (мультиметр) подключается к участку цепи параллельно;
• При измерении вольт-амперных характеристик высокочастотных электрических сетей требуется специальное разрешение на проведение работ. Это необходимо, поскольку работа с таким высоким напряжением требует специальных навыков и опыта. При отсутствии такого документа самовольное выполнение работ на электроустановках может повлечь за собой административную ответственность;
• Для измерительных работ также необходимо использовать средства защиты: специальные перчатки, диэлектрические сапоги, электроинструмент и ручной инструмент с резиновыми рукоятками, резиновые коврики.

Важно! Специалисты советуют владельцам частных домов и коттеджей при отсутствии опыта проведения подобных замеров обращаться в организации, имеющие лицензию в этой сфере, или в местную энергоснабжающую организацию.

Также при измерении в сетях с разностью потенциалов более 1000 В (1 кВ) необходим физический барьер (специальная оградительная лента), с помощью которого создается зона радиусом 5 метров вокруг токоведущих кабель, сердечник, электромонтаж.

Поэтому, понимая, что такое напряжение как в физике, так и в быту, можно не только вникать в суть этой простой на первый взгляд особенности электрического тока, но и, понимая его опасность, более осторожно и внимательно относиться к работе с электричеством

Более наглядно понять, что называется электрическим напряжением и в чем его суть, можно из следующего видео.

Примеры типовых значений электрического напряжения

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

Светоизлучающий диод	1,2 — 1,5 В
USB-зарядное устройство	5 вольт
Напряжение автомобильного аккумулятора	12,4 — 12,8 В
Напряжение штекера (RMS или RMS)	230В
Линии электропередачи высокого напряжения (ЛЭП)	60кВ — 1МВ

Вы можете видеть, что на линиях электропередач есть напряжения до мегавольт. Эти очень высокие электрические напряжения используются для уменьшения потерь на 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 имеется слив, отличающийся поперечным сечением, то есть в одном бассейне сток очень маленький, а в другом очень большой.

Постоянное электрическое напряжение можно определить из того, что все сосуды заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он оказывает большое сопротивление. Течение здесь может течь только медленно. Чем больше поперечное сечение дренажной трубы, тем ниже сопротивление и, следовательно, может протекать больший ток.

Напряжение в цепях трехфазного тока

Трехфазная электрическая система представляет собой совокупность трех электрически связанных однофазных систем, в которых электромагнитные поля одинаковой величины действуют с одинаковой частотой, смещены друг от друга на 120 градусов и генерируются генератором.

Для расчетов принято строить векторную диаграмму токов и напряжений, представляющую собой вектор напряжения в фазе А — vec{U_{a}}, направленный вертикально вверх.

Различают симметричный и несимметричный режимы работы трехфазной цепи. В симметричном режиме сопротивления всех трех фаз одинаковы и ЭДС образует симметричную трехфазную систему. При этом фазные токи Ia, Ib, Ic будут равны по величине и смещены на угол 120 градусов. В несимметричном (неравномерном) режиме комплексные сопротивления фаз не равны между собой, токи и их фазовые изменения будут разными.

Признаком асимметрии трехфазной системы ЭДС является неравенство амплитуд или неравенство углов фазового сдвига между каждой парой ЭДС.

Для уменьшения количества проводов на линии фазы генератора гальванически связаны друг с другом. Существует два типа соединений: звезда и треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трехпроводной и четырехпроводной.

Ниже показана трехфазная система с соединением фаз генератора и нагрузки по схеме «звезда». Здесь кабели AA’, BB’ и CC’ являются линейными кабелями.

Линейный кабель — соединяет начало фаз обмотки генератора и приемника. Точка соединения концов фаз с общим узлом называется нейтралью (N и N’ — соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).

Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтралью (показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нулевого провода называется трехпроводной, с нулевым проводом — четырехпроводной.

Все величины, относящиеся к фазам, называются фазовыми переменными, к прямой — линейными. Как видно из схемы, при соединении в звезду линейные токи Ia˙, Ib˙ и Ic˙ равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе равен IN’N˙= Ia˙+Ib˙ + Ic˙. Если система фазных токов симметрична, то IN’N˙=0. Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нулевой провод был бы не нужен. Как будет показано ниже, нейтральный провод сохраняет симметрию напряжений на нагрузке, когда сама нагрузка несимметрична.

Так как напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора действуют из точек А, В и С в нейтральную точку N; UA’N’, UB’N’, UC’N’ — фазные напряжения нагрузки.

Линейные напряжения действуют между линейными проводниками. Согласно второму закону Кирхгофа для линейных напряжений можно написать:

Обратите внимание, что UAB˙+UBC˙+UCA˙=0 всегда представляет собой сумму напряжений в замкнутой цепи.

Выше представлена ​​векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ваш анализ (лучи фазовых напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при основании равными 300), в данном случае Up=3UΦ(4).

Для случая прямого чередования фаз

При обратном вращении фазы фазовые изменения UBN и UCN меняются местами.

С учетом этого на основании соотношений (1) — (3) можно определить линейные комплексы напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы. Направляя вещественную ось системы координат вдоль вектора КАС (его начальная фаза равна нулю), считаем фазовые сдвиги линейных напряжений относительно этой оси, и их модули определяются согласно (4) . Итак, для линейных напряжений UBC и UCA:

U˙BC=3UΦe-j90°

U˙CA=3UΦej150°

В связи с несимметричностью значительной части приемников, включенных в трехфазные цепи, очень важно на практике, например, в цепях с осветительными приборами, обеспечить независимость режимов работы отдельных фаз. Наряду с четырехпроводными схемами аналогичными свойствами обладают и трехпроводные схемы за счет соединения фаз приемника треугольником. Но фазы генератора можно соединить и треугольником.

Для симметричной системы ЭДС имеем

Е˙А+ЕВ˙+Е˙С=0

Таким образом, при отсутствии нагрузки на фазы генератора в цепи токи будут равны нулю. Однако если поменять местами начало и конец любой фазы, то ∑E˙≠0 и в треугольнике потечет ток короткого замыкания. Поэтому для треугольника необходимо строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.

Очевидно, что при соединении треугольником линейные напряжения равны соответствующим фазным напряжениям. Согласно первому закону Кирхгофа связь между линейным и фазным токами приемника определяется соотношениями

Точно так же можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.

Анализируя представленную векторную диаграмму симметричной системы линейных и фазных токов, выявлено, что при симметрии токов Iп=√3×Iф.

Следует отметить, что помимо рассмотренных соединений звезда-звезда и треугольник-треугольник на практике применяются также схемы звезда-треугольник и треугольник-звезда».

Напряжение в цепях постоянного тока

Как известно, вольтметр подключается параллельно участку цепи, где необходимо измерить напряжение.

Напряжение на вольтметре такое же, как и на участке цепи. Но включение вольтметра в цепь изменяет сопротивление участка, где он включен. Теперь он равен не R, а R,=RRBR+RВ<>, r, преобразовать=»» для=»» выражение=»» если=»» убедиться,=»» легко=»» этом=»» в=»» он включается.=»» которому=»» параллельно=»» цепи,=»» участка=»» того=»» сопротивлением=»» с=»» сравнению=»» по=»» большим=»» быть=»» должно=»» сопротивление=»» его=»» напряжение,=»» измеряемое=»» искажений=»» заметных=»» вносил=»» не=»» вольтметр=»» чтобы=»» того,=»» уменьшается.=»» участке=»» на=»» напряжение=»» этого=»» из-за=»» вольтметр.=»» rв —=»» где=»»>r,>

Любой вольтметр предназначен для измерения напряжения, не превышающего определенного предела (номинального напряжения) УФ. Однако в некоторых случаях измеренное напряжение U может быть больше номинального напряжения данного вольтметра. Но если последовательно с вольтметром включить добавочный резистор с сопротивлением Rд, то предел измерения напряжения расширится.

При включении в цепь вольтметра добавочного сопротивления измеряемое напряжение U делится на две части: одна часть Uв приходится на вольтметр, другая Uд — на добавочное сопротивление. U = Uв + Uд.

Ток в цепи вольтметра:

Отсюда:

Отношение U/Uв=n показывает, во сколько раз расширяется предел измерения напряжения вольтметром, т.е возрастает цена его деления.

Последствие

При подключении дополнительного резистора чувствительность вольтметра уменьшается в n раз.

Напряжение в цепях переменного тока

Рассмотрим цепь, в которой сила тока изменяется по закону: i = Imsinωt

Для анализа процесса в цепях переменного тока используется метод векторных диаграмм. Это связано с тем, что имеется фазовый сдвиг между силой тока и напряжением в элементах цепи (катушка с индуктивностью L, конденсатор с емкостью С.

Суть метода векторных диаграмм заключается в том, что векторами считаются максимальные значения силы тока (Im) и напряжений (URm, UCm, ULm), модули которых равны значениям соответствующих токов , сила или напряжение.

Направление векторов выбирается в зависимости от изменения фазы. В этой схеме напряжение на резисторе совпадает по фазе с током, поэтому вектор U→Rm должен иметь то же направление, что и вектор I→m. Колебания напряжения в дросселе опережают колебания тока на π/2, и соответствующий вектор U→Lm должен быть повернут относительно вектора I→m на π/2.

Если предположить, что положительное изменение фазы соответствует повороту вектора против часовой стрелки, то вектор U→Lm должен быть повернут влево на π/2. Вектор напряжения на конденсаторе U→Cm не совпадает по фазе с вектором I→m на π/2 и, следовательно, поворачивает этот угол относительно вектора I→m вправо.

Векторная диаграмма этого процесса:

Предположим, что ULm>UCm, тогда векторы дадут ∆U→=U→Lm–U→Cm. Применяя теорему Пифагора, получаем: [Um2=URm2+(ULm-UCm)2]

Поскольку URm=ImR, ULm=ImωL, UCm=Im/ωC, получаем закон Ома для цепи переменного тока:

Значение Z представляет собой импеданс цепи переменного тока.

Предположим, мы увеличиваем частоту ω генератора в цепи. Для очень малых значений ω будет выполняться условие 1ωC>ωL. С увеличением ω произведение ωL увеличивается, а значение 1/ωC ​​уменьшается. Поэтому может наступить момент, когда окажется, что ωL=1/ωC. Но в этом случае ω=1/LC, т е частота ω переменного тока оказывается равной собственной частоте колебательного контура с параметрами L и C. Если теперь обратиться к закону Ома, то легко установить, что в этом случае (ωL-1ωC) = 0 и ток в цепи будет максимальным.

В цепи возникает резонанс. При резонансе в электрическом колебательном контуре амплитуда вынужденных колебаний тока резко возрастает. Резонанс возникает, когда частота внешнего периодического напряжения совпадает с собственной частотой колебательного контура.

Резонансные кривые для различных емкостных резисторов. (Р3>Р2>Р1)

Явление резонанса может быть подтверждено эмпирически.

Увеличивая частоту генератора, можно наблюдать изменение свечения лампочки. Максимум накала будет наблюдаться при резонансе.