Электрическое напряжение

Что такое напряжение тока простым языком

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, для металлов это электроны.

Напряжение – это отношение электрического поля к величине заряда.

Такое объяснение встречается в большинстве научных источников, но совершенно непригодно к визуальному моделированию движения носителей заряда. Не смотря на то, что в понимании схемотехники, и электроники в целом это никак не скажется, так как затрагиваются фундаментальные процессы, которые лежат в основе большинства явлений, которые используются не только в электронике.

Для начала вспомним несколько вполне пригодных к визуализации явлений – кристаллическая решётка атомов металла, который является проводником в подавляющем большинстве схем.

Как мы видим, ядра атомов – положительного заряда, электроны – негативного, расстояние между ядрами атомов очень значительное, но из-за разных потенциалов они склонны притягиваться, поэтому при интенсивном движении заряженных частиц они могут время от времени сталкиваться с ядрами.

Так же немало важную роль играет скорость движения ядер атомов, которая зависит от температуры проводника, они начинают быстро двигаться, и натыкаться на большее количество электронов, и больше отпускает электронов назад, таким образом, больше количество электронов передаёт свою кинетическую энергию ядру атома, вызывающее большую вибрацию, и как следствие больший нагрев. Тем самым меньше электронов может пробегать по проводнику. Заряженные частицы двигаются под действием напряжения, это та сила, которая заставляет носители заряда двигаться в одном направлении, чем больше напряжение, тем больше электронов может преодолеть притяжение ядер атомов. Но при этом, давая электронам больше кинетической энергии, можно повысить вибрацию ядер атомов, как следствие – ещё больший нагрев проводника. Сопротивление так же зависит от площади сечения проводника, чем больше сечение – тем больше ядер атомов могут одновременно принимать и отпускать носителей заряда, что не только уменьшает сопротивление, но так же и увеличивает теплоёмкость проводника, значит, он легче может выдержать перегрев.

Но стоит отметить, что охладить такой провод сложнее, понадобится больше мощности затратить на его охлаждение, хотя на практике провод подбирают так, что бы при номинальном токе, он не грелся, и это правило применимо только к резисторам, где сопротивление больше, и мощность выделяемая больше. Так как при движении электронов, они на некоторое время задерживаются у ядер атомов, пока их не выбьет с поля ядра другой электрон, то на участке проводника, при протекании через него тока будет определённая разница в количестве заряженных частиц. Это зовётся падением напряжения, как правило, наибольшее падение напряжения происходит на самом высокоомном участке цепи, падение напряжения зависит от тока в цепи и сопротивления участка, на котором производится замер. Только что мы на уровне движения элементарных частиц объяснили некоторые аспекты закона Ома, и мощности выделяемой на резисторе, и почему она превращается в тепло. С напряжением всё проще, для начала вспомним, что источником напряжения могут быть как химические батареи (аккумуляторы, батарейки, и т.д.) так и магнитно-динамические (генераторы, электродвигатели). Принцип работы разный, но результат одинаков – это разница потенциалов на выводах. Если говорить совсем просто, то это банально разница свободных электронов, то есть на одном выводе их значительно больше чем на другом. Свободные электроны – это те электроны, которые не прикреплены на определённой орбите возле ядра атома, они под воздействием магнитных полей хаотично двигаются по всему проводнику, поэтому напряжение одинаково во всех частях проводника (пока через него не протекает ток). А источник напряжения можно представить как насос, который перекачивает ток с одного вывода в другой.

Ну и под конец в видео приводится аналогия заряженных частиц с автомобилями, а проводника с дорогой.

Статья специально подготовлена для конкурса на канале АКА

https://youtube.com/watch?v=Iuv40uiPln0

Разность потенциалов и напряженность

Рассчитаем работу, совершаемую силами электростатического поля при перемещении электрического заряда q

0 из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 однородного электрического поля.

С одной стороны работа сил поля \(~A = q_0 \cdot (\varphi_1 — \varphi_2)\).

С другой стороны работа по перемещению заряда q

0 в однородном электростатическом поле \(~A = q_0 \cdot E \cdot \Delta x\).

Приравнивая два выражения для работы, получим:

\(~q_0 \cdot (\varphi_1 — \varphi_2) = q_0 \cdot E \cdot \Delta x, \;\; E = \dfrac{\varphi_1 — \varphi_2}{\Delta x},\)

где Δx

— проекция перемещения на силовую линию.

Эта формула выражает связь между напряженностью и разностью потенциалов однородного электростатического поля. На основании этой формулы можно установить единицу напряженности в СИ: вольт на метр (В/м).

Примечания

1. // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 246. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
2. Для любой частицы её электрический заряд постоянен. Измениться он может только если от частицы что-то заряженное отделится или если к ней что-то заряженное присоединится.
3. Хотя иногда его значения могут оказываться и одинаковыми в разных точках пространства; если E→{\displaystyle {\vec {E}}} одинаков всюду в пространстве (или какой-то области пространства), говорят об однородном электрическом поле —- это всего лишь частный случай электрического поля, хотя и наиболее простой; притом что в реальности электрическое поле может быть однородным лишь приближенно, то есть различия E→{\displaystyle {\vec {E}}} в разных точках пространства есть, но иногда они небольшие и ими можно пренебречь в рамках некоторого приближения.

4. Электромагнитное поле может быть выражено и по-другому, например через электромагнитный потенциал или в несколько иной математической записи (прячущей вектор напряженности электрического поля вместе с вектором магнитной индукции внутрь тензора электромагнитного поля), однако все эти способы записи тесно связаны между собой, таким образом, утверждение о том, что поле E→{\displaystyle {\vec {E}}} — одна из основных составляющих электромагнитного поля не утрачивает смысла.

5. Хотя исторически многие из них были открыты раньше.

Постоянный электрический ток

Электрический ток – направленное движение свободных носителей энергии в веществе или внутри вакуума. Этот показатель появляется при соблюдении главных условий:

• Есть источник энергии.
• Замкнутость пути, который используется для перемещения.

I – буква, которую применяют для обозначения силы тока.

Важно. Единица измерения – Амперы

Величина тока зависит от количества электричества или разрядов, которые проходят через поперечное сечение у проводника в единицу времени.

Когда речь о постоянном токе – предполагается, что с течением времени не меняются его направление, основная величина.

Амперметр – устройство, применяемое для измерения силы тока. Его подключение к цепи – последовательное. Показатель важен, поскольку от него зависят и сила воздействия и другие подобные параметры. На практике часто встречаются ситуации, когда сила тока заменяется плотностью. В данном случае единица измерения – Ампер на метр квадратный. Площадь сечения проводов выражается в мм 2 . И плотность тока предполагает опору на эту характеристику.

Электрическое поле можно назвать реально существующим явлением, как и любые предметы. Поле и вещества относят к основным формам существования материи. Способность действовать с силой на заряды – главное свойство. Его используют, чтобы обнаруживать, измерять явления. Ещё одна характеристика – распространение со скоростью света

Это тоже важно для тех, кто занимается изучением подобных факторов

https://youtube.com/watch?v=oMfwDl8yONc

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду:

– энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.

За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

– следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.

В СИ потенциал измеряется в вольтах:

Разность потенциалов

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.

Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора

Единица разности потенциалов

Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.

Связь между напряженностью и напряжением.

Из доказанного выше: →

напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).

Из этого соотношения видно:

1. Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
2. Электрическое поле существует, если существует разность потенциалов.
3. Единица напряженности: – Напряженность поля равна1 В/м, если между двумя точками поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга существует разность потенциалов 1 В.

Эквипотенциальные поверхности.

ЭПП – поверхности равного потенциала.

– работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;

– вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал заряженного шара

а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (. ) и равны потенциалу на поверхности шара.

б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.

Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.

Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

Электрическое напряжение: определение, формулы и как измеряется

В данной статье мы подробно разберем что такое напряжение, как просто его представить и измерить.

Определение

Напряжение — это электродвижущая сила, которая толкает свободные электроны от одного атома к другому в том же направлении.

В первые дни электричества напряжение было известно как электродвижущая сила (ЭДС). Именно поэтому в уравнениях, таких как закон Ома, напряжение представлено символом Е.

Алессандро Вольта

Единицей электрического потенциала является вольт, названный в честь Алессандро Вольта, итальянского физика, жившего между 1745 и 1827 годами.

Алессандро Вольта был одним из пионеров динамического электричества. Исследуя основные свойства электричества, он изобрел первую батарею и углубил понимание электричества.

Представление напряжения

Легче всего понять напряжении, представив давлении в трубе. При более высоком напряжении (давлении) будет течь более сильный ток

Хотя важно понимать, что напряжение (давление) может существовать без тока (потока), но ток не может существовать без напряжения (давления)

Напряжение часто называют разностью потенциалов, потому что между любыми двумя точками в цепи будет существовать разница в потенциальной энергии электронов. Когда электроны протекают через батарею, их потенциальная энергия увеличивается, но когда они протекают через лампочку, их потенциальная энергия будет уменьшаться, эта энергия покинет цепь в виде света и тепла.

Возьмите, например, обычную 1,5-вольтовую батарею AA, между двумя клеммами (+ и -) есть разность потенциалов 1,5 Вольт.

Напряжение =

1 вольт = 1 джоуль на кулон

100 вольт = 100 джоулей на кулон

1 кулон = 6 200 000 000 000 000 000 электронов (6,2 × 10 18 )

В чем измеряется напряжение

Мы измеряем напряжение в единицах «Вольт», которые обычно обозначаются просто буквой «V» на чертежах и технической литературе. Часто необходимо количественно определить величину напряжения, это делается в соответствии с единицами СИ, наиболее распространенные величины напряжения, которые вы увидите:

• мегавольт (мВ)
• киловольт (кВ)
• вольт (В)
• милливольт (мВ)
• микровольт (мкВ)

Напряжение всегда измеряется в двух точках с помощью устройства, называемого вольтметром. Вольтметры являются либо цифровыми, либо аналоговыми, причем последний является наиболее точным.

Вольтметры обычно встроены в портативные цифровые мультиметровые устройства, как показано ниже, они являются распространенным и часто важным инструментом для любого электрика или инженера-электрика.

Обычно вы найдете аналоговые вольтметры на старых электрических панелях, таких как распределительные щиты и генераторы, но почти все новое оборудование будет поставляться с цифровыми счетчиками в качестве стандарта.Портативный цифровой мультиметр с функцией вольтметра

На электрических схемах вы увидите устройства вольтметра, обозначенные буквой V внутри круга, как показано ниже:

Расчет напряжения

В электрических цепях напряжение может быть рассчитано в соответствии с треугольником Ома. Чтобы найти напряжение (V), просто умножьте ток (I) на сопротивление (R).

Напряжение (V) = ток (I) * сопротивление (R)

V = I *R

Ток в цепи (I) = 10 А Сопротивление цепи (R) = 2 Ом

Напряжение (V) = 10 А * 2 Ом

Ответ: V = 20В

Резюме

• Напряжение — это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому
• Напряжение также известно как разность потенциалов
• Напряжение измеряется в единицах «вольт» (В)
• Батареи увеличивают потенциальную энергию электронов
• Лампочки и другие нагрузки уменьшают потенциальную энергию электронов
• Напряжение измеряется с помощью вольтметра
• Напряжение цепи можно рассчитать путем умножения тока и сопротивления

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии – они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

• Магнитные линии не поддаются гравитации.
• Никогда не пересекаются между собой.
• Всегда образуют замкнутые петли.
• Имеют определенное направление с севера на юг.
• Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
• Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке “а” или на рисунке “б”?

Видим, что на рисунке “а” мало силовых магнитных линий, а на рисунке “б” их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке “б” больше, чем на рисунке “а”.

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф – магнитный поток, Вебер

В – плотность магнитного потока, Тесла

а – угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S – площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер – это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Понятие электрического поля.

Теперь несколько замечаний об электрическом поле. На вопрос о том, что такое
электрическое поле, реально ли оно или это некий числовой коэффициент, ответить
очень трудно. “Есть вещи, которые вы спокойно можете объяснить два раза, не
рискуя, что кто-нибудь поймет, о чем вы говорите”, — считала Сова в сказке о
Винни-Пухе. К понятию поля мы будем возвращаться неоднократно. Пока речь идет
об электростатическом поле. А ведь есть еще магнитное и электрическое вихревое,
и даже электромагнитное.

Понятие “электрическое поле” имеет смысл. Оно сообщает пространству локальное
свойство, а именно: если нам известно значение поля, то мы знаем без дальнейших
рассуждений, что случится с любыми зарядами в этой точке, и для этого нам совсем
не нужно знать, как это поле было создано. Напряженность — это количественная
характеристика поля.

Что такое электрическое поле

Однажды Бенджамин Франклин, чей портрет можно увидеть на стодолларовой купюре, запускал воздушного змея во время дождя с грозой. Столь странное занятие он выбрал не просто так, а с целью исследования природы молнии. Заметив, что на промокшем шнуре волоски поднялись вверх (т. е. он наэлектризовался), Франклин хотел прикоснуться к металлическому ключу. Но стоило ему приблизить палец, раздался характерный треск и появились искры. Сработало электрическое поле.

Это случилось в середине XVIII века, но еще целое столетие ученые не могли толком объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым выяснил, что между ними есть некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, который установил, что для воздействия одного такого объекта на другой нужно время, а значит, они взаимодействуют через «посредника».

Объекты, несущие одноименные заряды, будут отталкиваться, а тела с разноименными зарядами — притягиваться.

Воздействие поля на заряды

При воздействии полей предполагается, что в полную силу входят магнитные и электрические составляющие. Она выражается в так называемой формуле по силе Лоренца:

F = qE + qv x B

Своим значением наделён каждый элемент в этом определении напряжённости электрического поля, формула без них не будет точной:

1. Q – обозначение заряда.
2. V – скорость.
3. B – вектор относительно магнитной индукции. Это основная характеристика, присущая магнитному пространству. Без неё измерять нельзя.

Косой крест применяют для обозначения векторного произведения. Единицы измерения для формулы – СИ. Заряды тоже становятся частью общей системы.

Специальный прибор

Новые значения – более общие по сравнению с формулой, чьё описание приведено ранее. Причина – в том, что частица под воздействием сил.

Обратите внимание. Предполагается, что частица в этом случае – точечная. Но благодаря этой формуле просто определить воздействие на тела вне зависимости от текущей формы

При этом распределение зарядов и токов внутри не имеет значения. Главное – уметь рассчитывать E и B, чтобы применять формулу правильно. Тогда проще проводить и определение напряжённости поля, формулы с другими цифрами

Но благодаря этой формуле просто определить воздействие на тела вне зависимости от текущей формы. При этом распределение зарядов и токов внутри не имеет значения. Главное – уметь рассчитывать E и B, чтобы применять формулу правильно. Тогда проще проводить и определение напряжённости поля, формулы с другими цифрами.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Графическое представление поля.

Чтобы наглядно представить себе поле, мы можем с каждой точкой пространства связать
вектор напряженности,
длину которого рисовать в соответствии с числовым значением (рис.4.5а и рис.4.5.б)

Другой способ — это изображение линий напряженности
или силовых линий, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением
поля в этой точке. Эти линии являются гладкими и непрерывными, за исключением
таких особенностей, как заряд. Густота линий выбирается таким образом, чтобы
количество линий, пронизывающих единицу поверхности перпендикулярной к линиям
площадки было пропорционально Е. Тогда по картине линий напряженности,
можно судить о направлении и величине Е. Эти линии начинаются на положительных,
а заканчиваются на отрицательных зарядах (или на бесконечности) и нигде не пересекаются.
На рис.4.6 представлены линии напряженности для разноименных (слева) и одноименных
(справа) зарядов.

Если эту картину привести
во вращение вокруг оси, соединяющей заряды, то получим объемную картину распределения
поля.

Для зарядов разной величины
картина может выглядеть весьма причудливым образом (рис.4.7).

Линии напряженности можно воспроизвести и в эксперименте. С этой целью в сосуд
с плоским дном наливают какую-нибудь изолирующую жидкость, (вазелин, касторовое
масло) в которой, по возможности равномерно, распределены кристаллики хинина,
манная крупа или вообще какие-нибудь небольшие тельца удлиненной формы. Погрузив
в такую жидкость два электрода, можно увидеть, как эти частицы, наэлектризовавшись
и притянувшись друг к другу, образуют собою кривые линии (рис.4.8) как раз той
же самой формы, которая была рассчитана теоретическим путем. Мелкие частицы
в поле выстраиваются вдоль силовых линий. (Почему? Ведь поле есть в любой точке
?!)

Воздействие поля на заряды

При воздействии полей предполагается, что в полную силу входят магнитные и электрические составляющие. Она выражается в так называемой формуле по силе Лоренца:

Своим значением наделён каждый элемент в этом определении напряжённости электрического поля, формула без них не будет точной:

1. Q – обозначение заряда.
2. V – скорость.
3. B – вектор относительно магнитной индукции. Это основная характеристика, присущая магнитному пространству. Без неё измерять нельзя.

Косой крест применяют для обозначения векторного произведения. Единицы измерения для формулы – СИ. Заряды тоже становятся частью общей системы.

Новые значения – более общие по сравнению с формулой, чьё описание приведено ранее. Причина – в том, что частица под воздействием сил.

Обратите внимание. Предполагается, что частица в этом случае – точечная

Но благодаря этой формуле просто определить воздействие на тела вне зависимости от текущей формы. При этом распределение зарядов и токов внутри не имеет значения. Главное – уметь рассчитывать E и B, чтобы применять формулу правильно. Тогда проще проводить и определение напряжённости поля, формулы с другими цифрами.

Похожие записи:

Виды и размеры кабель канала: пластиковый короб для наружной и внутренней проводки Сколько ватт в киловатте? Что такое лазер? принцип работы и применение Равноускоренное движение: формулы, примеры Как заменить лампу ближнего света на opel astra h: излагаем детально Доработка блоков питания codegen и других, jnc-подобных…