Как обозначается электрическое напряжение: Электрическое напряжение — урок. Физика, 8 класс.

Электрическое напряжение. Определение, объяснение простыми словами, единица измерения, формула

Одним из самых фундаментальных терминов в электротехнике является термин “электрическое напряжение”. В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.

Объяснение простыми словами

Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая “заставляет” протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные – на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.

Общепринятое определение термина “электрическое напряжение”.

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

Потенциал в электрическом поле – это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.

Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):

Напряжение – это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.

Сравнение с использованием модели протекания воды.

Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.

Электрическое напряжение – сравнение с использованием модели протекания воды

В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.

Формула

Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид

U = R * I .

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 такова:

U = P / I .

То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.

Единица измерения электрического напряжения

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

1 вольт (1 В) – это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.

[U] = 1 В

Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.

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

Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:

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

Электрическое напряжение в цепи

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

Источники напряжения и электрическая цепь

Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс “плюс” и полюс “минус”. Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (U_Q). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу. 

Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка U_R ). Это указывает на техническое направление электрического тока.

Также часто можно услышать термин “напряжение холостого хода” или “напряжение источника”. Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

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

При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.

Электрическое напряжение при последовательном соединении

Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

U_Q = U₁ + U₂ + U₃

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

В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.

Электрическое напряжение в параллельной цепи

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

U_Q = U₁ = U₂ = U₃

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

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.

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

Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только “считать” электрическое напряжение прибором.

Примеры типовых значений электрического напряжения

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

Вы можете видеть, что на высоковольтных линиях присутствует напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для того, чтобы уменьшить потери в длинных линиях.

Решающим фактором для потребителя является мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения с помощью формулы:

P = U * I

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

U = R * I .

Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, которые заполнены одинаковым количеством воды. Каждый бассейн имеет слив, который различается по сечению, т.е. в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом – очень большая.

Постоянное электрическое напряжение можно определить по тому, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Если сечение сливной трубы больше, то сопротивление меньше и, соответственно, может протекать больший ток.

Электрическое напряжение. Единицы напряжения | 8 класс

Содержание

Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле. Задачу по созданию и поддержанию электрического поля выполняют источники тока.

После создания электрического поля, на свободные заряженные частицы в проводнике начинают действовать электрические силы, которые и приводят их в движение.

Получается, что у нас есть силы и частицы, которые перемещаются под их действием. Значит, совершается какая-то работа. Этот же факт говорит нам о том, что электрическое поле обладает некоторой энергией.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим, что же за работу совершает электрическое поле, от чего она зависит и придем к определению еще одной важной характеристики в электричестве — электрическому напряжению.

Работа тока

Сразу введем новое определение.

Работа тока — это работа, которую совершают силы электрического поля, создающего электрический ток.

В процессе этой работы энергия электрического тока переходит в другие различные виды энергии (механическую, внутреннюю и др.). Более подробно мы говорили об этом, когда рассматривали действия тока.

От чего зависит работа тока?

Логично предположить, что работа тока будет зависеть от того, какой заряд протекает по цепи за определенное время. То есть, работа тока будет зависеть от силы тока.

Проверим это на простом опыте. Соберем цепь, состоящую из ключа, источника тока, амперметра и подключенной к проводам натянутой никелевой проволоки (рисунок 1).

Рисунок 1. Повышение температуры проволоки при увеличении силы тока в цепи

Используя один источник тока, в цепи была определенная сила тока. Проволока нагрелась.

Если же мы заменим источник тока, который даст нам большую силу тока, чем предыдущий, то заметим определенные изменения. Наша проволока нагревается намного сильнее. Вот вам наглядное доказательство того, что тепловое действие (а значит, и работа тока) проявляется сильнее с увеличением силы тока в цепи.

Но дело в том, что сила тока — не единственная характеристика, от которой зависит работа тока. Другая (и не менее важная) величина называется электрическим напряжением или просто напряжением.

{"questions":[{"content":"Работа электрического тока зависит от[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["только от силы тока","от силы тока и напряжения","только от напряжения"],"answer":[1]}}}]}

Электрическое напряжение

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле.

Обозначается электрическое напряжение буквой $U$.

Давайте рассмотрим опыт, который наглядно нам покажет, как же эта величина может описать нам электрическое поле.

Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, источника тока, электрической лампы и амперметра. За источник тока возьмем небольшую батарейку (гальванический элемент), а электрическую лампу возьмем от карманного фонарика (рисунок 2).

Рисунок 2. Свечение лампы от карманного фонарика от батарейки

А теперь соберем похожую цепь. Заменим лампочку от фонарика большой лампой для освещения помещений. Батарейку тоже заменим. Теперь источником тока у нас является городская осветительная сеть (рисунок 3).

Рисунок 3. Свечение лампы для помещений от городской осветительной сети

Взгляните на показания амперметров в этих двух цепях. Они одинаковы!

Сила тока в цепях одинакова, но ведь большая лампа дает намного больше света и тепла, чем маленькая лампочка от фонарика. Вот здесь и появляется наша новая величина — напряжение.

{"questions":[{"content":"Электрическое напряжение обозначается буквой[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["$U$","$I$","$q$","$A$"],"explanations":["","Так обозначается сила тока.","Так обозначается электрический заряд.","Так обозначается работа."],"answer":[0]}}}]}

Связь работы тока и напряжения

Проведенные нами опыты объясняются следующим.

При одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного $1 \space Кл$, различна.

Получается, что эта работа тока и определяет нашу новую физическую величину — электрическое напряжение.

Теперь мы может объяснить до конца наши опыты. Напряжение, которое создается батарейкой в первой цепи, меньше напряжение городской осветительной сети. Поэтому лампа, подключенная к сети, дает больше света и тепла. При этом сила тока в обеих цепях одинакова. Вся причина различий — в создаваемом напряжении.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

{"questions":[{"content":"Электрическое напряжение определяется[[choice-13]]","widgets":{"choice-13":{"type":"choice","options":["работой тока по перемещению заряда","силой тока в цепи","Зарядом свободных частиц в проводнике"],"answer":[0]}}}]}

Формула для расчета напряжения

Если мы знаем работу тока $A$ на рассматриваемом участке цепи и весь электрический заряд $q$, который прошел по нему, то мы можем рассчитать напряжение $U$. По физическому смыслу, мы определим работу тока при перемещении единичного электрического заряда.

$U = \frac{A}{q}$
Напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.

Из этой формулы мы также будем использовать два ее следствия:

$A = Uq$,
$q = \frac{A}{U}$.

{"questions":[{"content":"Электрическое напряжение рассчитывается по формуле[[choice-16]]","widgets":{"choice-16":{"type":"choice","options":["$U = \\frac{A}{q}$","$U = \\frac{q}{A}$","$U = \\frac{I}{q}$","$U = Aq$"],"answer":[0]}}}]}

Это интересно: факты об электричестве и напряжении

Единица измерения напряжения

Если единица силы тока была названа в честь ученого, то и с единицей измерения напряжения у нас такая же история.

Она названа вольтом в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (рисунок 4).

Рисунок 4. Алессандро Джузеппе Антонио Вольта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель гальванического элемента

Единица напряжения — это такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в $1 \space Кл$ по этому проводнику равна $1 \space Дж$:
$1 \space В = 1 \frac{Дж}{Кл}$.

{"questions":[{"content":"Электрическое напряжение измеряется в [[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["вольтах","амперах","кулонах","джоулях"],"explanations":["","Это единица измерения силы тока. ","Это единица измерения электрического заряда.","Это единица измерения энергии."],"answer":[0]}}}]}

Дольные и кратные единицы напряжения

Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике? Это дольные и кратные единицы вольта: милливольт ($мВ$) и киловольт ($кВ$).

$1 \space мВ = 0.001 \space В$,
$1 \space кВ = 1000 \space В$.

{"questions":[{"content":"Переведите значение напряжения, выраженное в вольтах, в милливольты.<br />$35 \\space В =$[[choice-28]]","widgets":{"choice-28":{"type":"choice","options":["$35000 \\space мВ$","$0.035 \\space мВ$","$350 \\space мВ$"],"explanations":["$1 \\space В = 1000 \\space мВ$.","",""],"answer":[0]}}}]}

Значение напряжения для некоторых устройств и природных явлений

В таблице 1 представлены для ознакомления некоторые значения напряжения.

Устройство	$U$, $В$
Гальванический элемент	1,25
Городская электросеть	220
Электролампы	20 — 250
Телевизор	100 — 600
Холодильник	150 — 600
Компьютер	400 — 750
Утюг	500 — 2000
Электромоторы	550 — 1700
Обогреватель	1000 — 2400
Кондиционер	1000 — 3000
Циркулярная пила	1800 — 2100
Насос высокого давления	2000 — 2900
Линии высоковольтной электропередачи (ЛЭП)	500 000
Разряд молнии	До 1 000 000

Таблица 1. Напряжение в некоторых технических устройствах и природе

Опасные и безопасные значения напряжения

Все знают, что большое (высокое) напряжение опасно для жизни. Проведем простую аналогию для лучшего понимания.

Например, напряжение между проводом высоковольтной линии передачи и землей составляет $100 \space 000 \space В$. Соединим этот провод с землей. Получается, что при прохождении по нему заряда всего в $1 \space Кл$ совершается работа в $100 \space 000 \space Дж$. Такая же работа будет совершена грузом массой $1000 \space кг$, если он упадет с высоты в $10 \space м$. Похожие разрушения, может вызывать высокое напряжение.

Обычно безопасным считают напряжение не более $42 \space В$. Такое напряжение создают, например, гальванические элементы.

Наверное, многие помнят, как в детстве родители запрещали засовывать пальцы в розетку. Да и разбирать самостоятельно лучше не стоит. Доверять такие работу лучше специалистам. Почему? Ток в такой сети идет от генераторов, и напряжение обычно составляет $220 \space В$. Такое напряжение может нанести существенный вред здоровью.

{"questions":[{"content":"Высокое напряжение[[choice-33]]","widgets":{"choice-33":{"type":"choice","options":["опасно для жизни","полезно для здоровья","не оказывает влияния на человеческий организм"],"answer":[0]}}}]}

Примеры задач

Задача №1

При нормальном режиме работы тостера сила тока в его электрической цепи равна $6 \space А$. Напряжение в сети составляет $220 \space В$. Найдите работу электрического тока в цепи за $5 \space мин$.

Дано:
$t = 5 \space мин$
$I = 6 \space А$
$U = 220 \space В$

СИ:
$t = 300 \space с$

$A — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Запишем формулу для определения напряжения и выразим из нее работу:
$U = \frac{A}{q}$,
$A = Uq$.

Как найти электрический заряд? Запишем формулу для расчет силы тока и выразим заряд из нее:
$I = \frac{q}{t}$,
$q = It$.

Подставим это в формулу для расчета работы электрического тока:
$A = Uq = UIt$.

Рассчитаем эту величину:

$A = 220 \space В \cdot 6 \space А \cdot 300 \space с = 396 \space 000 \space Дж = 396 \space кДж$.

Ответ: $A = 396 \space кДж$.

Задача №2

На рисунке 5 представлены графики зависимости работы электрического поля (тока) $A$ от перемещаемого заряда $q$ по двум проводникам. Используя график, вычислите напряжение между концами каждого проводника.

Рисунок 5. Графики зависимости работы тока от перемещаемого заряда по двум проводникам

На графике выберем удобные для нас точки с точными значениями заряда и работы. Для графика $I$ выберем точку со значениями $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 70 \space Дж$. Для графика $II$: $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 40 \space Дж$. Запишем условие задачи и решим ее.

Дано:
$q_1 = q_2 = 0.35 \space Кл$
$A_1 = 70 \space Дж$
$A_2 = 40 \space Дж$

$U_1 — ?$
$U_2 — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Рассчитывать напряжения для данных проводников будем по формуле $U = \frac{A}{q}$.

$U_1 = \frac{A_1}{q_1} = \frac{70 \space Дж}{0.35 \space Кл} = 200 \space В$.

$U_2 = \frac{A_2}{q_2} = \frac{40 \space Дж}{0.35 \space Кл} \approx 114 \space В$.

Ответ: $U_1 = 200 \space В$, $U_2 \approx 114 \space В$.

Что такое напряжение? | Hioki

Что такое напряжение? Эта страница предлагает простое для понимания объяснение того, чем напряжение отличается от тока, единицы измерения, в которых оно измеряется, и другую информацию.

Обзор

Прежде чем приступить к работе с электронными устройствами, вам необходимо получить хорошее представление о силе тока, сопротивлении, напряжении и связанных с ними темах. Если вы похожи на большинство людей, вы знакомы со словами, но вам не хватает детального понимания лежащих в их основе понятий. На этой странице представлено простое для понимания введение, в котором рассказывается, как определяются напряжение и другие термины, чем отличаются ток и электрический потенциал и как можно измерить напряжение.

Что такое напряжение?

Напряжение описывает «давление», которое толкает электричество. Величина напряжения обозначается единицей измерения, известной как вольт (В), а более высокое напряжение приводит к тому, что к электронному устройству поступает больше электричества. Однако электронные устройства предназначены для работы при определенных напряжениях; чрезмерное напряжение может повредить их схемы.
Напротив, слишком низкое напряжение также может вызвать проблемы, препятствуя работе цепей и делая устройства, построенные вокруг них, бесполезными. Понимание напряжения и того, как устранять связанные с этим проблемы, необходимо для надлежащего обращения с электронными устройствами и выявления основных проблем при их возникновении.

Разница между напряжением и током

Как было сказано выше, простым описанием напряжения будет «способность вызывать ток». Если вы похожи на большинство людей, вам трудно представить себе, что такое напряжение, поскольку вы не можете видеть его непосредственно глазами. Чтобы понять напряжение, вы должны сначала понять электричество.
Электричество течет как ток. Вы можете представить это как поток воды, как в реке. Вода в реках течет от гор вверх по течению к океану вниз по течению. Другими словами, вода течет из мест с большой высотой воды в места с низкой высотой воды. Точно так же действует электричество: концепция высоты воды аналогична электрическому потенциалу, и электричество течет из мест с высоким электрическим потенциалом в места с низким электрическим потенциалом.

Электричество похоже на поток воды.

Разность потенциалов между двумя точками может быть выражена как напряжение. Напряжение — это, так сказать, «давление», которое заставляет электричество течь. В физике напряжение можно рассчитать с помощью закона Ома, который говорит нам, что напряжение равно сопротивлению, умноженному на ток.

Сопротивление указывает на трудности, с которыми течет электричество. Представьте себе водопровод. По мере того, как труба становится меньше, сопротивление увеличивается, и воде становится труднее течь; при этом сила течения увеличивается. Напротив, по мере того, как труба становится больше, вода течет с большей готовностью, но сила потока уменьшается. Аналогичная ситуация и с током. Сопротивление и ток пропорциональны напряжению, а это означает, что по мере увеличения любого из них будет увеличиваться и напряжение.

Метод измерения напряжения

Мультиметры (мультитестеры) используются для измерения напряжения. В дополнение к напряжению мультиметры могут выполнять проверку непрерывности и измерять такие параметры, как ток, сопротивление, температура и емкость. Мультиметры выпускаются как в аналоговом, так и в цифровом вариантах, но цифровые модели проще всего использовать без ошибочного считывания значений, поскольку они отображают значения напрямую.

Для измерения напряжения с помощью мультиметра необходимо подключить положительный и отрицательный измерительные провода и выбрать диапазон измерения напряжения. Затем вы размещаете провода в контакте с обоими концами цепи, которую хотите измерить. При использовании аналогового тестера вы начинаете с самого большого диапазона измерения напряжения.
Если прибор не отвечает, вы пытаетесь постепенно уменьшать диапазоны измерения, пока не достигнете диапазона, в котором можно измерить напряжение цепи. При использовании цифрового тестера многие модели упрощают процесс измерения, автоматически настраивая диапазон измерения.

Разница между постоянным и переменным током

Возможно, вы знаете, что существует два вида тока: постоянный, или постоянный, и переменный, или переменный. Постоянный ток течет без каких-либо изменений в направлении или величине тока или в величине напряжения. Знакомым примером этого типа тока может быть батарея. Батареи производят напряжение и ток в одном направлении.
Если вы подключите миниатюрную лампочку к батарее, лампочка будет генерировать равномерное количество света, пока в батарее остается заряд, а это характеристика постоянного тока. Постоянный ток течет в виде плоской или пульсирующей волны.

Переменный ток, напротив, характеризуется напряжением и током, направление и величина которых периодически изменяются относительно нулевого положения. Типичным примером может служить ток, подаваемый от бытовых электрических розеток. Напряжение и ток изменяются с заданным ритмом в виде синусоидальной, треугольной или пульсовой волны.

Цепь постоянного тока должна быть правильно подключена к положительной и отрицательной клеммам аккумулятора. Некоторые схемы не будут работать должным образом, если батарея подключена наоборот.
Но с бытовой электрической розеткой электричество будет течь, даже если вы перепутаете левый и правый штыри вилки. Поскольку электричество в переменном токе течет в обоих направлениях, величина электричества меняется от момента к моменту. Эти значения называются мгновенными значениями и могут быть описаны такими значениями, как максимальное значение, минимальное значение, среднее значение, размах и среднеквадратичное значение.

Используйте мультиметр, если вам нужно измерить напряжение.

Напряжение — показатель способности перемещать электричество. Это понятие тесно связано с другими понятиями, такими как разность потенциалов, ток и сопротивление, поэтому важно получить общее представление о предмете. Для измерения напряжения вам понадобится мультиметр. Мультиметры просты в использовании, поэтому обязательно используйте их, когда вам нужно измерить напряжение.

Как использовать

Сопутствующие товары

• Цифровой мультиметровый DT4282
• Precision DC Voltmeter DM7276
• HITESTER 3246-60
• HELSESTER 3244-60
• COMPACT DIGLATE MULTIMETER DT4224
. измерено? Напряжение легко измерить с помощью тестера.

• Как пользоваться цифровым мультиметром Как пользоваться цифровым мультиметром. Обзор преимуществ и недостатков

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

• Дом
• Учебники
• Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

≡ Страниц

Авторы:
CTaylor

Избранное

Любимый

127

Основы электричества

Приступая к изучению мира электричества и электроники, очень важно начать с понимания основ напряжения, силы тока и сопротивления. Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Поначалу эти концепции может быть трудно понять, потому что мы не можем их «видеть». Нельзя невооруженным глазом увидеть энергию, текущую по проводу, или напряжение батареи, лежащей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле является не обменом энергией, происходящим от облаков к земле, а реакцией воздуха на проходящую через него энергию. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать инструменты измерения, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать то, что происходит с зарядом в системе. Не бойтесь, однако, этот учебник даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении и о том, как они связаны друг с другом.

Георг Ом

Описано в этом руководстве

• Как электрический заряд связан с напряжением, током и сопротивлением.
• Что такое напряжение, ток и сопротивление.
• Что такое закон Ома и как с его помощью понять электричество.
• Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.

Рекомендуемая литература

• Что такое электричество
• Что такое цепь?

Электрический заряд

Электричество — это движение электронов. Электроны создают заряд, который мы можем использовать для совершения работы. Ваша лампочка, ваша стереосистема, ваш телефон и т. д. используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.

Три основных принципа этого руководства можно объяснить, используя электроны, или, точнее, создаваемый ими заряд:

• Напряжение — это разница заряда между двумя точками.
• Ток — скорость, с которой течет заряд.
• Сопротивление — это способность материала сопротивляться потоку заряда (току).

Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы на самом деле описываем движение заряда и, таким образом, поведение электронов. Цепь представляет собой замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты в цепи позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для выполнения работы.

Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением. Итак, давайте начнем с напряжения и пойдем оттуда.

Напряжение

Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка имеет больший заряд, чем другая. Эта разница заряда между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциалов между двумя точками, которые передают один джоуль энергии на кулон проходящего через них заряда (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено). Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение обозначается в уравнениях и схемах буквой «V».

При описании напряжения, тока и сопротивления часто используется аналогия с резервуаром для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды , напряжение представлен давлением воды , а ток представлен потоком воды . Итак, для этой аналогии запомните:

• Вода = Зарядка
• Давление = Напряжение
• Расход = Текущий

Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей. На дне этого бака есть шланг.

Давление на конце шланга может представлять собой напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заряд, тем большее давление измеряется на конце шланга.

Мы можем думать об этом резервуаре как о батарее, месте, где мы храним определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее. 18 электронов (1 кулон) в секунду, проходящих через точку цепи. Усилители представлены в уравнениях буквой «I».

Допустим, у нас есть два бака, к каждому из которых подходит шланг снизу. В каждом баке одинаковое количество воды, но шланг одного бака уже, чем шланг другого.

Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более широким шлангом. В электрических терминах ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (зарядку) в баке с более узким шлангом.

Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через резервуар. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.

Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током. Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга является сопротивлением. Это означает, что нам нужно добавить еще один член в нашу модель:

• Вода = заряд (измеряется в кулонах)
• Давление = Напряжение (измеряется в вольтах)
• Расход = ток (измеряется в амперах или для краткости «ампер»)
• Ширина шланга = сопротивление

Сопротивление

Рассмотрим еще раз наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой трубой.

Само собой разумеется, что мы не можем пропустить через узкую трубу такой же объем, как через более широкую при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, хотя вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой. 918 электронов. Это значение обычно обозначается на схемах греческой буквой «Ω», которая называется омега и произносится как «ом».

Закон Ома

Объединив элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом вывел формулу:

Где

• В = напряжение в вольтах
• I = ток в амперах
• R = сопротивление в омах

Это называется законом Ома. Допустим, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:

Допустим, это наш бак с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 вольт, а «узость» (сопротивление течению) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам поток (ток) в 1 ампер.

Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на бак с узким шлангом. Поскольку шланг уже, его сопротивление потоку выше. Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом равно 9.0007

Но какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 ампер:

Итак, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы можем видеть, что если мы знаем два значения закона Ома, мы можем найти третье. Продемонстрируем это на эксперименте.

Эксперимент по закону Ома

В этом эксперименте мы хотим использовать 9-вольтовую батарею для питания светодиода. Светодиоды хрупкие, и через них может протекать только определенное количество тока, прежде чем они сгорят. В документации на светодиод всегда будет «номинальный ток». Это максимальное количество тока, которое может протекать через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.

Необходимые материалы

Для выполнения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам понадобятся:

• Мультиметр
• Аккумулятор 9 В
• Резистор 560 Ом (или следующее ближайшее значение)
• Светодиод

ПРИМЕЧАНИЕ. Светодиоды — это так называемые «неомические» устройства. Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V=IR. Светодиод вносит в цепь то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину тока, протекающего через нее. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрежем токовыми характеристиками светодиода и выберем значение резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.

В этом примере у нас есть 9-вольтовая батарея и красный светодиод с номинальным током 20 миллиампер или 0,020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять светодиодом с его максимальным током, а скорее рекомендуемым током, который указан в его спецификации как 18 мА или 0,018 ампер. Если мы просто подключим светодиод непосредственно к батарее, значения для закона Ома будут выглядеть так:

, следовательно:

и, поскольку у нас еще нет сопротивления:

Деление на ноль дает нам бесконечный ток! Ну, на практике не бесконечный, а столько тока, сколько может выдать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через наш светодиод протекал такой большой ток, нам понадобится резистор. Наша схема должна выглядеть так:

Точно так же мы можем использовать закон Ома, чтобы определить сопротивление резистора, которое даст нам желаемое значение тока:

следовательно:

подставив наши значения:

вычислив сопротивление:

Итак, нам нужен сопротивление резистора около 500 Ом, чтобы ток через светодиод оставался ниже максимального номинального тока.

500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор на 560 Ом. Вот как выглядит наше устройство в собранном виде.

Успех! Мы выбрали сопротивление резистора, достаточно высокое, чтобы ток через светодиод оставался ниже его максимального номинала, но достаточно низкое, чтобы тока было достаточно, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.

Этот пример со светодиодом и токоограничивающим резистором часто встречается в любительской электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего через цепь. Другой пример этой реализации можно увидеть в светодиодных платах LilyPad.

При такой конфигурации вместо выбора резистора для светодиода резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без добавления резистора вручную.

Ограничение тока до или после светодиода?

Чтобы немного усложнить ситуацию, вы можете разместить токоограничивающий резистор с любой стороны светодиода, и он будет работать точно так же!

Многие люди, впервые изучающие электронику, сомневаются в том, что токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода, и схема будет работать как обычно.

Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круговую, текущую реку. Если бы мы поместили в нем плотину, вся река перестала бы течь, а не только один берег. Теперь представьте, что мы помещаем в реку водяное колесо, которое замедляет течение реки. Неважно, в каком месте круга находится водяное колесо, оно все равно замедлит поток на 9-м уровне.0106 вся река .

Это упрощение, поскольку токоограничивающий резистор не может быть размещен где-либо в цепи ; его можно разместить на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.

Чтобы получить более научный ответ, обратимся к закону напряжения Кирхгофа. Именно из-за этого закона токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и решения некоторых практических задач по использованию KVL посетите этот веб-сайт.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь вы должны понимать понятия напряжения, тока, сопротивления и то, как они связаны между собой.

Как обозначается электрическое напряжение: Электрическое напряжение — урок. Физика, 8 класс.