Чем измеряется напряжение. Напряжение тока. Отрицательные явления, вызываемые электрическим током

Эпоха научно-технического прогресса требует измерять всё. Электрические сети не являются исключением. Для проведения этих измерений важно знать, в каких единицах измеряется напряжение. В самой распространённой системе СИ единица измерения напряжения обозначается 1 Вольт или сокращённо – 1В. Может также обозначаться 1V. Это обозначение выбрано в честь физика из Италии Алессандро Вольта.

Что такое электрическое напряжение

Оно не может существовать само по себе, как вес. Есть два случая, требующих его измерения:

• Между разными узлами электрической цепи или концами проводника. 1 Вольт – это такой потенциал, при котором ток величиной 1 Ампер выделяет 1 Ватт мощности;
• Измерение напряженности электростатического поля проводится между двумя точками поля. Единица напряжения 1 Вольт – это такой потенциал, при котором заряд 1 Кулон совершает работу 1 Джоуль.

Эффект Джозефсона

С 1990 года есть ещё одно определение электрического напряжения. Его значение связано с эталоном частоты и цезиевыми часами. При этом используется нестационарный эффект Джозефсона6 при облучении специальной матрицы излучением на частоте 10-80 ГГц на ней появляется потенциал, величина которого не зависит от условий эксперимента.

Действующее значение напряжения

Определение величины электрического потенциала между участками сети производится по количеству тепла или работе, совершённой за определённое время. Но это справедливо только для постоянного тока. Переменное напряжение имеет синусоидальную форму. В максимуме амплитуды оно максимально, а при переходе от положительной полуволны к отрицательной равно нулю.

Поэтому для расчётов используется среднее значение, которое называется “действующее значение”, при расчетах приравнивающееся к постоянному той же величины.

От максимального оно отличается в 1,4 раза или √2. Для сети 220В максимальное значение составляет 311В. Это имеет значение при выборе конденсаторов, диодов и других элементов электронных схем.

Определение величины напряжения

Чем измеряется напряжение? Это производится специальным прибором – вольтметром. Он может иметь различную конструкцию, быть цифровым или стрелочным, но его сопротивление должно быть максимально возможным, а ток – минимальным. Это необходимо для того, чтобы свести к минимуму влияние прибора на сеть и потери в проводах, идущих от источника питания к вольтметру.

Сеть постоянного тока

Эти измерения производятся магнитоэлектрическими приборами. В последнее время широко используются устройства с цифровым табло.

Самый простой способ – прямое подключение прибора к месту измерения. Это возможно при соблюдении ряда условий:

• Предел измерения больше ожидаемого максимума. Если оно до начала измерений неизвестно, то следует выбрать наибольший предел и последовательно его уменьшать;
• Соблюдение полярности подключения. При неправильном подключении стрелка отклонится в обратную сторону, а цифровое табло покажет отрицательную величину.

Если предел измерений недостаточен, то его можно расширить при помощи добавочного сопротивления. Оно может быть внешним или внутренним. Можно использовать несколько сопротивлений и переключать их для изменения предела прибора. Так устроен мультиметр.

Сеть переменного тока

Напряжение измеряется в сети переменного электрического тока приборами всех типов, кроме магнитоэлектрических. Эти устройства можно использовать, только подключив их к выходу выпрямителя.

Для увеличения предела измерения есть несколько способов. Для этого к прибору подключается дополнительно одно из устройств:

• добавочные сопротивления;
• при неизменной частоте сети вместо сопротивления используются конденсаторы;
• самый распространённый вариант – применение трансформатора напряжения.

Требования к измерительным устройствам и дополнительным приспособлениям такие же, как к устройствам постоянного тока.

Возможно, ли представить свою жизнь без электричества? Современный человек плотно окружил себя бытовыми приборами, помогающими в жизни. Мы уже не можем представить себя и свою жизнь без умных домашних помощников.

В технике все чаще переходят на использование электроэнергии. Даже транспорт постепенно переводится на электродвигатели, что позволяет уменьшить существенный вред, наносимый природе.

Сегодня мы попытаемся дать ответ на следующие вопросы:

• Что такое электрический ток?
• Что такое электрическое напряжение?
• Как определить напряжение?
• В чем измеряется напряжение?

Что такое ток?

На заре изучения электричества его получали трением одного тела о другое. Больший запас заряда можно было получить во время грозы, используя естественный разряд - молнию. Известно, что этот способ стоил жизни ученику М. В. Ломоносова - Рихтеру.

Сам заряд использовать сложно и нерационально. Необходимо получить его направленное движение - электрический ток. Свойства тока:

• нагревание проводника;
• химическое действие;
• механическое действие;
• магнитное действие.

Их используют в быту и технике. Необходимым условием существования тока считают наличие свободных электрических зарядов и замкнутого проводника.

История вопроса

В 1792 году известный итальянский физик, физиолог и изобретатель заинтересовался выводами соотечественника Луиджи Гальвани о природе импульсов тока в органах животных. Длительное наблюдение за поведением лапок лягушек, закрепленных на металлических крючках, позволило ему сделать вывод, что источником электричества является не живой организм, а контакт разнородных металлов. Именно это обстоятельство способствует протеканию электричества, а реакция нервных окончаний - только физиологическое действие тока.

Уникальное открытие привело к созданию первого в мире источника получившего название «Вольтов столб». Разнородные металлы (Вольта утверждал, что они должны быть удалены друг от друга в ряду химических элементов) прокладываются бумагой, пропитанной жидким «проводником второго рода».

Этот прибор стал первым источником постоянного напряжения. Единица измерения электрического напряжения увековечила имя Алессандро Вольта.

Источник постоянного тока

Основной элемент электрической цепи - источник тока. Его назначение - создавать электрическое поле, под действием которого свободные заряженные частицы (электроны, ионы) приходят в направленное движение. Накапливаемые на отдельных элементах источника заряды (их называют полюсами) имеют различные знаки. Сам заряд перераспределяется внутри источника под действием сил неэлектрической природы (механических, химических, магнитных, тепловых и так далее). Электрическое поле, созданное полюсами вне источника тока, производит работу по передвижению заряда в замкнутом проводнике. О необходимости замкнутой цепи для создания постоянного тока говорил еще Алессандро Вольта.

Поскольку в источниках под действием сил неэлектрической природы происходит движение заряда, значит, можно утверждать, что эти силы совершают работу. Назовем их сторонними. Отношение работы сторонних сил по переносу заряда внутри источника тока к величине заряда называют электродвижущей силой.

Математическая запись этого соотношения:

• Ε = А ст: q,

где Е - электродвижущая сила (ЭДС), А ст - работа сторонних сил, q - заряд, переносимый сторонними силами в источнике.

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

Напряжение

Отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда получило название электрического напряжения.

Чтобы его определить, нужно величину работы поля разделить на величину заряда. Пусть A - работа, совершенная электрическим полем источника тока по перемещению заряда q. U - Математическая запись соответствующей формулы:

• U = A: q.

Как любая физическая величина, напряжение имеет единицу измерения. В чем измеряется напряжение? По фамилии изобретателя первого в мире источника постоянного тока Алессандро Вольта этой величине дали собственную единицу измерения. В системе интернациональной напряжение измеряется в вольтах (В).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл.

• В = Дж/Кл = Н.м/(А.с) = кг.м/(А.с 3).

В основных единицах системы СИ единица измерения электрического напряжения:

• кг.м/(А.с 3).

Необходимая величина

Почему недостаточно, характеризуя ток, вводить понятие силы тока? Проведем мысленный эксперимент. Возьмем две различные лампы: обыкновенную бытовую лампу и лампу от карманного фонарика. При подключении их к разным источникам тока (городской сети и батарейке) можно получить абсолютно одинаковое значение силы тока. При этом бытовая лампа дает больше света, то есть работа тока в ней значительно больше.

Разные источники тока имеют различное напряжение. Поэтому эта величина крайне необходима.

Полезная аналогия

Понимание физического смысла электрического напряжения приходит, если вникнуть в интересную аналогию. В жидкость перетекает из трубки в трубку, если в них существует разность давлений. Ток жидкости прекращается в случае равенства давлений.

Если ток жидкости сопоставить с течением электрического заряда, то разность давлений столбов жидкости играет ту же роль, что и разность потенциалов в источнике тока.

Пока внутри источника тока происходят процессы, сопровождающие перераспределение заряда на полюсах, он способен создавать ток в проводнике. Напряжение электрического тока измеряется в вольтах, разность давлений имеет единицу измерения - паскаль.

Переменный ток

Электрический ток, периодически меняющий свое направление, называется переменным. Создается он источником переменного напряжения. Чаще всего это генератор. Попробуем пояснить: в чем измеряется напряжение переменного тока?

Сам принцип генерации тока основан на явлении электромагнитной индукции. Вращение замкнутого контура в магнитном поле приводит к появлению разности потенциалов в проводнике. измеряется в вольтах и в случае меняющегося тока.

Можно ли утверждать, что напряжение не меняется? Очевидно, что вследствие изменения угла между плоскостью контура и нормалью к нему, создаваемое напряжение изменяется с течением времени. Его значение растет от нуля до некоторого максимального значения, затем падает вновь до нуля. Говорить об определенной величине не приходится. Вводят так называемое действующее значение напряжения:

• U д = U: √2.

Каким прибором измеряется напряжение?

Прибор для измерения электрического напряжения - вольтметр. Принцип его действия основан на взаимодействии контура с током и магнитного поля постоянного магнита. Известно, что контур с током вращается в магнитном поле. В зависимости от величины тока в контуре угол поворота меняется.

Если к контуру прикрепить стрелку, то она отклоняется от нулевого значения при протекании тока в контуре (чаще катушке). В зависимости от того, в чем измеряется напряжение, градуируют шкалу прибора. Возможно применение дольных и кратных величин.

В случае низких значений электрическое напряжение измеряется в милливольтах или микровольтах. Наоборот, в высоковольтных сетях используют кратные единицы.

Любой вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором проводится измерение напряжения. Основным свойством контура прибора можно назвать высокое омическое сопротивление. Вольтметр, независимо от того, в чем измеряется напряжение, не должен влиять на силу тока в цепи. По нему пропускается незначительный ток, существенно не влияющий на основное значение.

Таблица напряжений

Практическое применение вольтметра

Для эффективного использования вольтметра стоит научиться им пользоваться. Любопытному экспериментатору можно посоветовать обратиться к школьным педагогам.

Школьные кабинеты физики снабжены лабораторными и демонстрационными приборами для измерения напряжений.

Эксплуатировать любой вольтметр стоит с осторожностью, соблюдая простые правила:

1. Вольтметр имеет максимальный предел измерения. Это наибольшее значение на его шкале. Не стоит подключать его в цепь, содержащую элемент большего напряжения.
2. Если нет другого источника или вольтметра, можно использовать систему дополнительных сопротивлений. При этом шкала вольтметра также должна быть изменена.
3. В цепь постоянного тока электроприборы подключаются в зависимости от указаний знака заряда на его клеммах. Положительная клемма источника тока обязательно подключается к положительному разъему вольтметра, отрицательная - к отрицательному. Если перепутать, то стрелки прибора могут погнуться, что крайне нежелательно.
4. Все подключения делают исключительно к обесточенной цепи.

Вредно для здоровья

Действие электрического тока может оказаться небезопасным для человека. Считается безвредным напряжение менее 24 В.

Действие тока под напряжением городской сети (220 В) достаточно ощутимо. Прикосновение к оголенным контактам сопровождается существенным «ударом тока».

Напряжение во время грозы пропускает столь высокий ток через тело человека, что грозит ему летальным исходом. Не стоит рисковать своей жизнью и здоровьем.

Совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B , к величине пробного заряда.

При этом считается, что перенос пробного заряда не изменяет распределения зарядов на источниках поля (по определению пробного заряда). В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд. В этом случае электрическое напряжение между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

Альтернативное определение -

Интеграл от проекции поля эффективной (включающего сторонние поля) на расстояние между точками A и B вдоль заданной траектории, идущей из точки A в точку B . В электростатическом поле значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов .

Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт .

Напряжение в цепях постоянного тока

Среднее значение напряжения

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) определяется за весь период колебаний, как:

Для чистой синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения

Среднеквадратичное значение (устаревшее наименование: действующее, эффективное) наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу (например, лампа накаливания имеет ту же яркость свечения, нагревательный элемент выделяет столько же тепла), что и равное ему постоянное напряжение:

В технике и быту при использовании переменного тока под термином «напряжение» имеется в виду именно эта величина, и все вольтметры проградуированы исходя из её определения. Однако конструктивно большинство приборов фактически измеряют не среднеквадратичное, а средневыпрямленное (см. ниже) значение напряжения, поэтому для несинусоидального сигнала их показания могут отличаться от истинного значения.

Средневыпрямленное значение напряжения

Средневыпрямленное значение есть среднее значение модуля напряжения:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

На практике используется редко, однако большинство вольтметров переменного тока (те, в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала и проградуирована по среднеквадратичным значениям.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки, а под линейным - напряжение между подводящими фазными проводами. При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в знаменателе которой стоит линейное напряжение, а в числителе - фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли). Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В ; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В .

Стандарты

Это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока . Мы знаем, что сила тока одинакова во всех местах цепи.

Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов и нагрузки. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи . Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Давайте разберемся.

Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, однако не совершает при этом большой работы. Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться. То есть в данном случае ток совершает механическую работу , и довольно приличную работу. Ток тратит свою энергию. Электроны в том же количестве продолжают бежать дальше, но энергии у них уже поменьше.

Определение электрического напряжения

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии . То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока - это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

где U - напряжение,
A - работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи - все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах ? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

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.