Единица измерения величины электрического напряжения. Что такое ток? Условия возникновения электрического тока
Единица напряжения названа вольтом (В) в честь итальянского учёного Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент.
За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж.
1 В = 1 Дж / Кл
Кроме вольта применяют дольные и кратные ему единицы: милливольт (мВ) и киловольт (кВ).
1 мВ = 0,001 В;
1 кВ = 1000 В.
Высокое (большое) напряжение опасно для жизни. Допустим, что напряжение между одним проводом высоковольтной линии передачи и землёй 100 000 В. Если этот провод соединить каким-нибудь проводником с землёй, то при прохождении через него электрического заряда в 1 Кл будет совершена работа, равная 100 000 Дж. Примерно такую же работу совершит груз массой 1000 кг при падении с высоты 10 м. Он может произвести большие разрушения. Этот пример показывает, почему так опасен ток высокого напряжения.
Вольта Алессандро (1745-1827)
Итальянский физик, один из основателей учения об электрическом токе, создал первый гальванический элемент.
Но осторожность надо соблюдать и в работе с более низкими напряжениями. В зависимости от условий напряжение даже в несколько десятков вольт может оказаться опасным. Для работы в помещении безопасным считают напряжение не более 42 В.
Гальванические элементы создают невысокое напряжение. Поэтому в осветительной сети используется электрический ток от генераторов, создающих напряжение 127 и 220 В, т. е. вырабатывающих значительно большую энергию.
Вопросы
- Что принимают за единицу напряжения?
- Какое напряжение используют в осветительной сети?
- Чему равно напряжение на полюсах сухого элемента и кислотного аккумулятора?
- Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике?
Электричество воспринимается нами как данность и вряд ли кто задумывается над тем, что такое электрическое напряжение и какова его физическая сущность, когда включает свет, компьютер или стиральную машину. На самом же деле оно заслуживает гораздо большего внимания, и не только потому, что может быть смертельно опасным, но и из-за того, что Человечество, овладев этим видом энергии, совершило качественный цивилизационный скачок.
Вспомним один из наиболее интересных моментов на школьном уроке физики, когда преподаватель вращал диск электрической машины, а между металлическими шариками проскакивала искра. Это и есть видимое отражение природного феномена под названием электрический ток. Он возникает из-за того, что на одном шарике отрицательно заряженных ионов больше, а на другом меньше, из-за чего возникает разность потенциалов, то есть факт, нарушающий основной закон Природы – сохранения энергии.
Отрицательно заряженные частицы стремятся переместиться туда, где их меньше, тем самым обнулив разницу. Конечно же, электроны не проходят весь путь между заряженными шариками, называемых полюсами. Их пробег ограничивает кристаллическая решетка, узлов которой они не могут покинуть. Зато способны удариться о соседние частицы и передать импульс по цепочке дальше, создавая эффект домино. Каждое такое соударение порождает выплеск энергии, из-за чего система переходит из состояния покоя в возбужденное, которое и принято называть электрическим напряжением.
Сила, движущая заряженные частицы
Чтобы поставить себе на службу электрическое напряжение и ток, человеку надо было найти силу, которая могла возобновлять разницу потенциалов между полюсами, порождая непрерывное соударение частиц кристаллической решетки. Их оказалось целых три:
- Электромагнитная индукция – возникновение тока в результате взаимозависимого перемещения металлов в магнитном поле. Используется в генераторах постоянного и переменного тока.
- Электрохимическое взаимодействие, порождаемая разностью потенциалов кристаллических решеток веществ. Используется в аккумуляторах, батареях питания постоянного тока.
- Термохимическая реакция, повышающая активность электронов в результате нагрева.
Сила, порождающее движение заряженных частиц, получила наименование «электродвижущая» (аббревиатура ЭДС) и обозначается на схемах буквой «Е», обычно сопутствующей мнемосимволам разъемов, к которым подключается источник питания.
Вольты и амперы
ЭДС и напряжение измеряются в вольтах – условной единице, названной в честь итальянца Алессандро Вольты, официально признанного изобретателя гальванической батареи – источника постоянного тока. Это количество работы, которая совершается при перемещении единицы заряда (кулона), если при этом был потрачен 1 джоуль условной энергии.
Однако существует и вторая единица измерения электрического тока – ампер, названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера. Традиционно ее называют силой тока, хотя правильнее применять термин «магнитодвижущая сила», что наиболее полно отражает двуединую физическую сущность заряженной частицы.
Магнитное и электрическое поля электрона стремятся к взаимной компенсации, а их зависимость определяется законом Ома, описываемого формулой I = U / R. Если сопротивление среды резко падает (например, при коротком замыкании), то сила тока растет по экспоненте. Это вызывает ответное падение напряжения, в результате чего система приходит в равновесное состояние. Подобный эффект можно заметить во время работы сварочного трансформатора, когда при возникновении дуги лампы накаливания почти гаснут.
Существует и другой эффект: при большом сопротивлении среды заряд одного знака копится на какой-либо поверхности до тех пор, пока напряжение не достигнет критического уровня, после чего происходит пробой (возникновение тока) в направлении поверхности с наибольшей разницей потенциала. Статическое напряжение чрезвычайно опасно, поскольку в момент разряда оно может порождать токи силой в сотни ампер. Поэтому металлические конструкции, длительное время находящиеся в магнитном поле, обязательно заземляются.
Постоянный или переменный?
Напряжение – это статическая составляющая электричества, а сила тока – динамическая, ведь его направление меняется вместе с полярностью на концах проводника. И это свойство оказалось очень полезным для распространения электричества по Миру. Дело в том, что любой ток затухает из-за внутреннего сопротивления среды, согласно всё тому же закону сохранения энергии. Но оказалось, что двигающийся в одну сторону поток электронов усилить очень сложно, а циклически изменяющий направление – просто, для этого применяется трансформатор с двумя обмотками на одном сердечнике.
Чтобы получить переменный ток, надо вывернуть наизнанку принцип, открытый Фарадеем, который в своем прообразе электрического генератора вращал медный диск в поле действия постоянного магнита. Никола Тесла сделал наоборот – поместил вращающийся электромагнит внутрь неподвижной обмотки, получив неожиданный эффект: в момент прохождения полюсов через нейтраль магнитного поля амплитуда напряжения падает до нуля, а потом снова растет, но уже с другим знаком. За один оборот направление движения электронов в проводнике меняется два раза, составляя рабочую фазу. Поэтому переменный ток называют еще и фазным. А порождающее его напряжение – синусоидальным.
Никола Тесла создал генератор с двумя обмотками, расположенными под углом в 90 0 друг к другу, а русский инженер М.О. Доливо-Добровольский усовершенствовал его, расположив на статоре три, что увеличило стабильность работы электрической машины. В результате этого промышленный переменный ток стал трехфазным.
Почему 220 вольт 50 Гц?
В нашей стране бытовая однофазная сеть имеет номиналы 220 вольт и 50 герц. Причина появления именно этих цифр весьма интересна.
Пальма первенства в бытовом освоении электричества принадлежит Томасу Эдисону. Он использовал исключительно постоянный ток, поскольку гениального изобретения Николой Тесла переменного еще не произошло.
Первым электрическим прибором оказалась лампа накаливания с угольной нитью. Опытным путем было установлено, что лучше всего она работает при напряжении в 45 вольт и включенном в цепь балластном сопротивлении, обеспечивающим рассеивание еще двадцати. Приемлемая длительность работы обеспечивалась последовательным включением двух ламп. Итого в бытовой сети, по мнению Эдисона, должно было быть 110 вольт.
Однако передача постоянного тока от электростанций к потребителям сопровождалась большими трудностями: через одну-две мили он затухал полностью. По Закон Джоуля - Ленца количество тепла, рассеиваемое проводником при прохождении тока, вычисляется по следующей формуле: Q = R . I 2 . Чтобы снизить потери вчетверо, напряжение увеличили до 220 вольт, а силовую линию построили из трех проводников – с двумя «плюсами» и одним «минусом». Потребитель получал все те же 110 вольт.
Противостояние Николы Теслы и Томаса Эдисона, названное «Войной токов», решилось в пользу переменного, поскольку его можно было передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Тем не менее напряжение между силовыми проводниками осталось 220, а линейное, поступающее к потребителю – 127 вольт, поскольку из-за сдвига фаз на 120 градусов амплитуды напряжения не складываются арифметически, а умножаются на 1,73 – корень квадратный из трех.
В СССР сетевым номиналом 127 вольт в одной фазе пользовались до начала 60-х годов. В ходе усовершенствования электрических линий, проводимого с целью увеличения передаваемой мощности, конструкторы пошли по тому же пути, что и Эдисон – повысили напряжение.
За точку отсчета приняли 220 вольт, которые измерялись между фазами. Оно стало бытовым. А промышленное межфазное напряжение 380 вольт получилось умножением 220 на 1,73. Частота 50 Гц – это 3 тыс. колебаний в минуту, то есть, оптимальное количество оборотов коленвала дизеля или другого двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие машину переменного тока.
Теперь вы знаете, что такое напряжение и электрический ток, в каких единицах они измеряются и как зависят друг от друга, а также почему в вашей розетке именно 220 вольт. Приведенные факты не носят академического характера и не претендуют на истину в последней инстанции. Более подробно ознакомиться с природой этого феномена вы можете в учебниках по электротехнике.
По сути, этот термин обозначает разность потенциалов, а единица измерения напряжения - это вольт. Вольт - это фамилия ученого, который положил начало всему, что мы сейчас знаем об электричестве. А звали этого человека Алессандро.
Но это то, что касается электрического тока, т.е. того, при помощи которого работают привычные для нас бытовые электроприборы. Но существует и понятие механического параметра. Подобный параметр измеряется в паскалях. Но речь сейчас идет не о нем.
Чему равен вольт
Этот параметр может быть как постоянным, так и переменным. Как раз переменный ток и «течет» в квартиры, здания и сооружения, дома и организации. Электрическое напряжение представляет собой амплитудные волны, обозначаемые на графиках в виде синусоиды.
Переменный ток обозначается в схемах значком «~». А если говорить о том, чему равен один вольт, то можно сказать, что это электрическое действие в цепи, где при протекании заряда, равного одному кулону (Кл), совершается работа, равная одному джоулю (Дж).
Стандартной формулой, по которой можно его рассчитать, является:
U = A:q, где U - это как раз и есть нужная величина; «А» является работой, которую выполняет электрическое поле (в Дж), перенося заряд, ну а «q» как раз и есть сам заряд, в кулонах.
Если же говорить о постоянных величинах, то они практически не отличаются от переменных (за исключением графика построения) и из них же и производятся, посредством выпрямительного диодного моста. Диоды, не пропуская ток в одну из сторон, как бы делят синусоиду, убирая из нее полуволны. В результате, вместо фазы и нуля получается плюс и минус, но исчисление при этом остается в тех же вольтах (В или V).
Измерение напряжения
Раньше для измерения подобного параметра использовался только аналоговый вольтметр. Сейчас на прилавках магазинов электротехники представлен очень широкий ассортимент подобных приборов уже в цифровом исполнении, а также мультиметров, как аналоговых, так и цифровых, при помощи которых и измеряют так называемый вольтаж. Подобным прибором может измеряться не только величина, но и сила тока, сопротивление цепи, и даже появляется возможность проверить емкость конденсатора или замерить температуру.
Конечно, аналоговые вольтметры и мультиметры не дают такой точности, как цифровые, на дисплее которых высвечивается единица напряжения вплоть до сотых или тысячных долей.
При измерении этого параметра вольтметр включается в цепь параллельно, т.е. при необходимости замерить величину между фазой и нулем, щупы прикладываются одним к первому проводу, а другим - ко второму, в отличие от измерения силы тока, где прибор включается в цепь последовательно.
В схемах вольтметр обозначается буквой V, обведенной кругом. Различные типы подобных приборов измеряют, помимо вольта, разные единицы напряжения. Вообще оно измеряется в следующих единицах: милливольт, микровольт, киловольт или мегавольт.
Значение напряжения
Значение этого параметра электрического тока в нашей жизни очень высоко, ведь от того, соответствует ли оно положенному, зависит, насколько ярко будут гореть в квартире лампы накаливания, а если установлены компактные люминесцентные, то уже встает вопрос, будут или нет они вообще гореть. От его скачков зависит долговечность работы всех световых и бытовых электроприборов, а потому наличие дома вольтметра или мультиметра, а также умение им воспользоваться становится необходимостью в наше время.
Наверняка, у каждого из нас, хотя бы раз в жизни, возникали вопросы о том, что такое ток, напряжение тока , заряд и др. Все это составляющие одного большого физического понятия - электричество. Давайте, на простейших примерах, попробуем изучить основные закономерности электрических явлений.
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 седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.
Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните - Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.
Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон - элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон - это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.
Что такое напряжение.
Различают постоянный и переменный электрические токи. Если заряженные частицы постоянно движутся в одном направлении, то в цепи - постоянный ток и, соответственно, постоянное напряжение тока . Если направление движения частиц периодически меняется (они перемещаются то в одном, то в другом направлении), то это - переменный ток и возникает он, соответственно, при наличии переменного напряжения (т. е. когда разность потенциалов меняет свою полярность). Для переменного тока характерно периодическое изменение величины силы тока: она принимает то максимальное, то минимальное значения. Эти значения силы тока являются амплитудными, или пиковыми. Частота изменения полярности напряжения может быть разной. Например, в нашей стране эта частота равна 50 Герц (т. е. напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду), а в США частота переменного тока - 60 Гц (Герц).
Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.
И так будем разбираться во всем по порядку.
Электричество
Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.
Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.
Данное явление называется статическим электричеством . Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.
Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.
Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.
Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .
Напряжение
Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение . Единица измерения напряжения – Вольт (В или V ). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V . Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд , высота водяного столба (давление) – это напряжение , а скорость потока воды – это электрический ток .
Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.
Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).
Электрический ток
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками . А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками .
Единица измерения силы тока – Ампер (А ). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I . Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.
Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.
Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление .
Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением , током и сопротивлением . Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.
Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение . Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение . Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io ) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц .
Сопротивление
Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω ). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R . Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.
На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.
Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.
Мощность
Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.
Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.
Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W ). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P . Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность , единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A ), обозначается буквой S .
И в завершение про Электрическую цепь . Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.
Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями 4.59 (223 Голоса)