Напряжение электрического тока: как измеряется и обозначается в физике

Как возникает напряжение?

Все вещества состоят из атомов, которые представляют собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью циркулируют более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как число электронов совпадает с числом протонов в ядре.

Однако, если у атомов вычесть определенное количество электронов, они будут стремиться притягивать то же количество электронов, образуя вокруг себя положительное поле. Если добавить электроны, будет их избыток и отрицательное поле. Формируются потенциалы — положительные и отрицательные.

Когда они взаимодействуют, возникнет взаимное притяжение.

Чем больше величина разности — разности потенциалов — тем сильнее электроны будут вытягиваться из материала с их избыточным содержанием в материал с их недостатком. Чем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.

Если соединить потенциалы с разными зарядами проводников, возникнет электрический ток — прямое движение носителей заряда, пытаясь устранить разность потенциалов. Для перемещения зарядов по проводнику силы электрического поля совершают работу, которую характеризует понятие электрического напряжения.

В чем измеряется

Единица измерения напряжения называется вольт (В). Один вольт выражается в разности потенциалов между двумя точками в электрическом поле, силы которого выполняют работу в 1 Дж по перемещению заряда 1 Кл из первой точки во вторую. Напряжение измеряется специальным прибором — вольтметром.

Следовательно, значение 220 В подразумевает, что электрическое поле этой сети способно выполнять работу (расходуя энергию) 220 Дж, чтобы «протянуть» заряды через цепь и нагрузку.

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные заявления об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любую другую физическую величину. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или Цельсия. В следующей таблице показаны стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

Единица измерения силы тока, напряжения, сопротивленияЗначение Обозначение Единица измерения Аббревиатура единицы измерения

Текущий	В	Ампер	А
Напряжение	В	Вольт	В
Сопротивление	Р	Ом	Ом

«Символ», присвоенный каждой величине, — это стандартная латинская буква, которая используется для обозначения этого количества в формулах. Эти стандартизированные буквы используются во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Аббревиатура единицы» для каждой величины — это буквенный знак или символы, используемые в качестве сокращения для конкретной единицы измерения.

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта и ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также важен. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Сопротивление» и «Напряжение» соответственно), в то время как «I» для тока кажется немного странным. Буква «I» означает «интенсивность» (поток заряда). Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, есть некоторые разногласия относительно значения слова «я». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущая сила». Символы «E» и «V» в основном используются взаимозаменяемо, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V» — для обозначения напряжения на любом другом элементе.

Все эти символы выражаются заглавными буквами, если величина (особенно напряжение или ток) не описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, стабильное напряжение батареи в течение длительного периода времени будет обозначаться заглавной буквой «E», в то время как пиковое напряжение молнии, когда она ударяет по линии электропередачи, будет обозначаться строчной буквой «е» (или строчная буква «v»), чтобы пометить это значение как присутствующее в определенный момент времени. То же самое соглашение для строчных букв применяется и к текущему: строчная буква «i» представляет текущий в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока, которые стабильны во времени, будут показаны заглавными буквами.

Действующее значение напряжения

Люмен — единица измерения светового потока

Значение электрического потенциала, доступного между двумя точками электрической сети, может определяться типом работы, выполняемой в данный период времени, или количеством выделяемого тепла. В случае переменного напряжения поступают иначе. Поскольку характер его колебаний имеет форму синусоиды, а индикатор принимает максимальное значение на пике амплитуды (а при переходе от положительной зоны кривой к отрицательному напряжению оно равно нулю), среднее значение индикатор используется для расчетов. Именно он называется эффективным и может быть приравнен к такому же значению постоянного напряжения.

он меньше максимально допустимого показателя на величину, равную корню из двух (т.е примерно в 1,4 раза). Таким образом, для сети с номинальным напряжением 220 В максимум будет равен 311 В. Эти показатели необходимо учитывать при выборе конденсаторов, диодных компонентов и других подобных элементов для установки в конкретной системе.

Синусоидальное напряжение с амплитудой 310 В эквивалентно постоянному напряжению, значение которого составляет 210 В

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.

Заметили, что на одной лампочке напряжение (не ЭДС) 1 Вольт, а на другой 0,3 Вольт

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 вольт = 1,3 вольта, то куда делись 0,2 вольта? Батарея тоже имеет собственное внутреннее сопротивление, вот куда и пошли.

Необходимая величина

Почему недостаточно, характеризуя течение, ввести понятие силы тока? Проведем мысленный эксперимент. Возьмите две разные лампы: обычную бытовую лампу и фонарик. Когда вы подключаете их к разным источникам питания (городская сеть и аккумулятор), вы можете получить точно такое же значение тока. При этом бытовая лампа дает больше света, то есть работа тока в ней намного больше.

Разные источники питания имеют разное напряжение. Следовательно, это значение крайне необходимо.

Вредно для здоровья

Поражение электрическим током может быть опасным для человека. Напряжение ниже 24В считается безвредным.

Достаточно заметно действие тока под напряжением городской сети (220 В). Прикосновение к голым контактам сопровождается значительным «шоком».

Напряжение во время грозы вызывает прохождение такого сильного тока через тело человека, что это может быть фатальным. Не стоит рисковать своей жизнью и здоровьем.

Определение величины напряжения

При проведении электромонтажных работ специалист сталкивается с несколькими видами напряжения. Например, розетки в квартирах и частных домах являются источниками переменного напряжения. Его можно опустить или поднять трансформатором, выпрямить специальным устройством. Напряжение трения измеряют в лабораторных условиях электрохимическим методом. Мастер должен знать особенности измерения различных видов напряжения.

Постоянное напряжение

Его можно измерить с помощью магнитоэлектрических устройств. Сейчас в продаже можно найти высокоточные инструменты, оснащенные цифровым дисплеем. Самый простой способ — подключить прибор непосредственно к измеряемой площади. В этом случае необходимо соблюдать следующие правила:

1. Предельное значение должно превышать ожидаемый максимум. В случае, если работа по измерению выполняется без знания этого параметра, предполагается установить максимальный предел и постепенно его уменьшать.
2. Соблюдайте полярность подключения. В противном случае стрелка будет наклоняться в противоположную сторону для компаратора, для цифрового на экране будет отображаться отрицательное число.

Переменное напряжение

При этом используются разные типы измерительных приборов, за исключением магнитоэлектрических. Они работают с такими устройствами только при подключении к выходу выпрямителя.

Требования к измерительным приборам

Разобравшись, как обычно измеряется напряжение, необходимо понять, как решить проблему несоответствия прибора основному требованию: достаточно высокому пределу измерения. Способы выхода из ситуации также зависят от тока, с которым работает мастер:

1. Для работы на постоянном токе можно подключить дополнительный внутренний или внешний резистор. Другой вариант — применить несколько резисторов для разных предельных значений. Именно на этом принципе основана работа мультиметра.
2. В случае переменного тока также можно подключить подходящий дополнительный резистор. Трансформаторы напряжения также широко используются.

Мультиметры обеспечивают режимы измерения напряжения

Важно! Вольтметр, используемый для измерений, должен иметь максимально возможное сопротивление и малый ток. Это необходимо для минимизации воздействия 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. От правильно выполненных измерений зависит надежность работы оборудования, для их выполнения необходимо знать единицы измерения напряжения.

Читайте также: Тонкие провода для электроники: из чего сделаны и как выглядят

Анализ простых схем с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как работают эти формулы, чтобы помочь нам проанализировать простые схемы:

Рисунок 1 — Пример простой схемы

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

В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и сопротивления (R):

Рисунок 2 — Пример 1. Напряжение источника и сопротивление лампы известны

Какой ток (I) в этой цепи?

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

Во втором примере мы рассчитаем значение сопротивления (R) в цепи с учетом значений напряжения (E) и тока (I):

Рисунок 3 — Пример 2. Напряжение источника и ток в цепи известны

Какое сопротивление (R) лампы?

R = frac {E} {I} = frac {36 B} {4 A} = 9 Ом

В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, подаваемого батареей, с учетом значений тока (I) и сопротивления (R):

Рисунок 4 — Пример 3. Известны ток в цепи и сопротивление лампы

Какое напряжение питает аккумулятор?

E = IR = (2 A) (7 Ohm) = 14 B

От чего зависит напряжение?

Напряжение участка цепи зависит от:

• Материал проводника;
• Подключенная нагрузка (сопротивление);
• Температуры;

Джозефсонский эффект

следует упомянуть эффект Джозефсона — явление прохождения сверхпроводящего тока через слой диэлектрического вещества небольшой толщины, изолирующего два сверхпроводящих объекта. Ученый в своей научной работе предположил, что это явление можно наблюдать только при использовании сверхтонкого слоя, который должен быть значительно меньше длины сверхпроводящей когерентности, но проведенные позже эксперименты показали возможность реализации с использованием гораздо более толстых прослоек.

Знание этого явления позволило чрезвычайно точно измерить как напряжение, так и магнитные поля. Измерение магнитного поля стало возможным, поскольку существует сильная зависимость электрического тока, критического для соединения, используемого в интерферометре, от внешнего магнитного поля.

Джозефсоновский переход также может быть генератором напряжения электромагнитной волны. Это происходит, когда внутри него поддерживается постоянное напряжение. Также возможна установка с обратным эффектом. В то же время как выход, так и поглощение демонстрируют способность работать в частотном диапазоне, недоступном для других приборов.

Поэтому преднамеренное движение заряженных частиц называется электрическим током. Напряжение может быть выражено как разность потенциалов или ЭДС и обозначается знаками E или U. Оно измеряется с помощью вольтметра и других устройств. Существует ряд факторов, которые могут повлиять на разность потенциалов в проводнике.

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).

Еще одна формула для расчета электрического напряжения следующая:

U = P / I .

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

Постоянное и переменное напряжение

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

В приведенном выше примере мы рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды внизу 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 откатываешься 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, снова происходит торможение, и весь процесс повторяется снова, как на качелях.

Сложно понять? 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 просторечии постоянное напряжение называется «постоянным», а переменное — «изменением».

Трехфазный ток

Трехфазная система — это система электрических цепей, которая работает на трех цепях, в которых действуют силы одинаковой частоты, но не совпадающие по фазе друг с другом на треть периода или 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система с тремя противофазными токами называется трехфазным током.

Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях — это трехфазные генераторы. По сути, это большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, вырабатывающих токи, электродвижущие силы в них смещены друг относительно друга на 120 градусов, или треть периода.

График трехфазного сигнала

Виды напряжения

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной стороны всегда есть положительный потенциал, а с другой — отрицательный. Электрический ток в этом случае имеет одно направление и постоянный.

Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на ее концах.

При подключении нагрузки к цепи постоянного тока важно не менять местами контакты, иначе прибор может выйти из строя. Аккумуляторы — классический пример источника постоянного напряжения. Сети постоянного тока используются тогда, когда нет необходимости передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта — от мотоциклов до космических кораблей, в военной технике, в электроэнергетике и телекоммуникациях, в аварийной энергетике, в промышленности (электролиз, плавка в электродуговых печах, и так далее).

Виды источников переменного напряжения

Среди основных источников непостоянного напряжения можно выделить такие компоненты, как:

• Электростанция;
• Генератор переменного тока;
• Промышленные и бытовые электросети.

Основным источником прерывистого тока и напряжения является электростанция или промышленная сеть. Использование такого тока оправдано тем, что его намного проще передать на большие расстояния по проводникам и просто преобразовать в постоянный электрический ток. Переменные параметры передаются от станции к трансформаторам, которые преобразуют напряжение в непостоянный ток, не являясь его источниками. Генераторы генерируют этот ток путем преобразования механической энергии в электрическую.

Измерительные приборы

Для измерения силы используется аналоговый, цифровой или электронный циферблат или вольтметр. Благодаря этим устройствам можно измерять и контролировать характеристики сигналов. Вы также можете проводить измерения с помощью осциллографов. Они работают, потому что энергия отклоняется электронным лучом и поступает к устройству, которое излучает переменное значение.

Вольтметр как основной измерительный инструмент

Напряжение — это физическая величина, которая показывает количество тока в цепи и оборудовании в вольтах. Сила тока постоянная и переменная. Отличие в том, что первое понятие означает, что ток постоянно меняет полярность и поочередно протекает в сети. Во втором случае ток по цепи течет без перебоев. Измерял вольтметром.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

У нас уже есть статья о последовательной и параллельной разводке, в которой мы обсудим эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим только некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты соединяются последовательно.

Последовательное напряжение

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 между разными резисторами по-разному.

В параллельной схеме компоненты 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.

Электрическое напряжение в цепи

Для источников напряжения в цепях обычно используется один из следующих символов.

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.

Напряжение тока — что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток в данном случае является электрическим током. Получается, что напряжение — это напряжение электрического тока. Просто так нарезали. Как я уже сказал выше, ток переменный и постоянный. Постоянный ток и постоянное напряжение являются синонимами, равно как и переменный ток и переменное напряжение. Оказывается, фраза «напряжение» говорит нам, какое напряжение находится между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос «какой ток в розетке» вы легко ответите: переменный ток 220 Вольт », а на вопрос« какое текущее напряжение автомобильного аккумулятора »вы можете ответить« 12 Вольт постоянного тока » запугать).

Кулон и электрический заряд

Одной из основных единиц измерения электрического тока, которой часто учат в начале курсов электроники, но не часто используются впоследствии, является кулон, единица измерения электрического заряда, пропорционального количеству электронов в неуравновешенном состоянии. Один кулон заряда соответствует 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единицей измерения кулонов является «Cl». Единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, который проходит через заданную точку в цепи за 1 секунду. В этом смысле ток — это скорость движения электрического заряда по проводнику.

Как указывалось ранее, напряжение — это мера потенциальной энергии на единицу заряда, доступной для стимулирования 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». Общей метрической единицей измерения энергии любого вида является джоуль, который представляет собой количество 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 (деленный на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, проходящего через цепь.

Эти единицы и символы электрических величин станут очень важными, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.

Источник постоянного тока

Основным элементом электрической схемы является источник тока. Его цель — создать электрическое поле, под действием которого свободные заряженные частицы (электроны, ионы) переходят в направленное движение. Заряды, накопленные на отдельных элементах источника (их называют полюсами), имеют разные знаки. Сам заряд перераспределяется внутри источника под действием сил неэлектрической природы (механических, химических, магнитных, тепловых и т.д.). Электрическое поле, создаваемое полюсами вне источника тока, перемещает заряд в замкнутый проводник. Алессандро Вольта говорил о необходимости замкнутой цепи для создания постоянного тока.

Поскольку в источниках под действием сил неэлектрической природы заряд движется, это означает, что можно утверждать, что эти силы работают. Назовем их третьими сторонами. Связь между работой внешних сил по переносу заряда в источнике тока и величиной заряда называется электродвижущей силой.

Математическая запись этого соотношения:

• Ε = Ast: q,

где E — электродвижущая сила (ЭДС), Ast — работа внешних сил, q — заряд, переносимый внешними силами в источнике.

ЭДС характеризует способность источника создавать ток, но основной характеристикой источника иногда считается электрическое напряжение (разность потенциалов).