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).
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 источника тока ? 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.
2) Диэлектрики в электрическом поле
В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются
связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются
вблизи узлов кристаллической решётки.
Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов
Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств
проводников - ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,
не распростаняется на диэлектрики.
2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.
3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.
4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о
«потенциале диэлектрика» не приходится.
Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).
Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством:
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
Ионная - смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 −13 с, без потерь.
Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
Самопроизвольная (спонтанная) - благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)
Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.
Напряжением в электрике называется работа, которую проделывает электрополе, чтобы элементарный заряд переместился по проводнику из одного места в другое. Каждый физик и электротехник должны знать, в каких единицах измеряется напряжение, как принято его обозначать и измерять.
Как возникает напряжение
Прежде, чем рассматривать единицы измерения электрического напряжения, необходимо выяснить природу этого явления. В составе атомов любого вещества имеются ядро, несущее «плюсовой» заряд, и быстро обращающиеся вокруг электроны с «минусовым». Поскольку число быстрых частиц идентично количеству протонов ядра, в обычном состоянии атом зарядом не обладает. Но при ликвидации одного или нескольких электронов атом начнет пытаться притянуть недостающие, образуя возле себя положительное поле. Отрицательный полевой потенциал возникает при появлении добавочных электронов.
Когда плюсовой и минусовой потенциалы сталкиваются, между ними возникает двустороннее притяжение. Чем более различаются потенциалы, тем активнее содержащиеся в отрицательно заряженном материале электроны переходят к имеющему обратный знак заряду, и тем, соответственно, больше напряжение электрического поля.
Когда соединяются потенциалы противоположно заряженных проводниковых элементов, появляется электрический ток. Так называется целенаправленное перемещение заряженных частиц, пытающееся ликвидировать потенциальную разность. Чтобы заряды двигались по проводнику, электрополе выполняет работу, характеризуемую напряжением.
В чем измеряется
Как обозначается напряжение в технической документации и на графических схемах? Единица измерения напряжения именуется вольт (В) по фамилии итальянского физика А. Вольта. Один вольт можно описать как потенциальную разницу двух точек поля, в котором с целью перемещения однокулонного заряда совершается работа в 1 джоуль.
Условное обозначение напряжения на схемах имеет вид заглавной латинской буквы V – символа единицы напряжения, заключенной в круг. Иногда вместо круга используется схематичное изображение измерительного прибора – вольтметра, идентифицируемое по литере V.
Важно! Если в некоторой сети имеется напряжение 220 В, это значит, что ее электрополе может затратить 220 джоулей с целью перемещения заряженных частиц через нагрузку и цепь. Для электрических приборов номинальное напряжение полагается обозначить в паспорте. Иногда оно указывается и в составе маркировки на передней панели корпуса (например, у счетчиков электроэнергии).
От чего зависит напряжение
Фиксируемый на участке электрической цепи показатель напряжения зависит от ряда факторов, например, от подсоединенной нагрузки (сопротивления). Также оказывают влияние характеристики вещества, из которого сделан проводниковый элемент, температура окружающего воздуха и самих компонентов сети.
Эффект Джозефсона
Так называется феномен сверхпроводящего тока, проходящего через слой диэлектрического материала малой толщины, изолирующий один сверхпроводящий предмет от другого. В научной работе деятеля, чьим именем назван эффект, было высказано предположение о том, что данное явление наблюдается только при использовании супертонкого слоя (значительно уступающего длине сверхпроводящей когерентности). Более поздние опыты продемонстрировали, что оно проявляет себя и при использовании куда более толстых слоев.
Применение данного феномена позволит производить высокоточные замеры напряжения, а также магнитных полей. Последнее делается возможным в силу огромной зависимости электротока, критичного для используемого в интерферометре соединения, от внешнего магнитного поля. Когда в джозефсонском переходе поддерживается константное напряжение, он может выступать в качестве генератора электромагнитного волнового излучения. Можно организовать и установку с противоположным, поглощающим эффектом. При этом как генерация, так и прием способны функционировать в частотном диапазоне, недоступном иным средствам.
Также ведутся исследования рассматриваемого эффекта и основанных на нем явлений переноса магнитного поля для передачи и накопления данных (квантовые компьютеры). Первый экспериментальный процессор такого типа был спроектирован японскими инженерами. В 2014 году работники физфака МГУ спроектировали микросхему для компьютера с использованием свойств сверхпроводников и данного эффекта.
Действующее значение напряжения
Значение электрического потенциала, имеющегося между двумя точками электросети, может быть определено по тому, какая работа была выполнена за некоторый временной отрезок, либо по выделенному количеству теплоты. В случае переменного напряжения поступают по-другому. Поскольку его характер колебаний имеет форму синусоидальной кривой, и максимальное значение показатель принимает на пике амплитуды (а при перемещении из плюсовой зоны кривой в минусовую напряжение нулевое), для вычислений применяют усредненный показатель. Именно его называют действующим, и он может быть приравнен к такому же значению постоянного напряжения.
Он меньше максимального допустимого показателя на величину, равную корню из двух от последнего (то есть примерно в 1,4 раза). У сети, имеющей номинальное напряжение 220 В, максимум, таким образом, будет равен 311 В. Эти показатели нужно учитывать, подбирая конденсаторы, диодные компоненты и другие подобные элементы для монтажа в ту или иную систему.
Определение величины напряжения
Выполняя электромонтажные работы, специалист сталкивается с разными типами напряжения. Например, розетки в квартирах и частных домах являются источниками переменного напряжения. Оно может быть понижено или повышено трансформатором, выпрямлено специальным устройством. Измерение напряжения трения производят в лабораторных условиях электрохимическим методом. Мастеру нужно знать об особенностях измерения разных видов напряжения.
Постоянное напряжение
Его можно измерить, используя магнитоэлектрические устройства. Сейчас в продаже можно найти высокоточные приборы, оснащенные цифровым дисплеем. Проще всего непосредственно подключить устройство к участку, на котором нужно провести измерения. При этом необходимо соблюдать следующие правила:
- Предельное значение должно превышать предполагаемый максимум. В случае, когда измерительные работы выполняются без знания этого параметра, полагается установить максимальный предел и постепенно снижать его.
- Учитывать полярность подсоединения. В противном случае у стрелочного прибора указатель наклонится в противоположную сторону, у цифрового – на экране высветится отрицательное число.
Переменное напряжение
В этом случае в ход идут измерительные приборы разных видов, за исключением магнитоэлектрических. Работают с такими аппаратами только посредством подключения к выходу выпрямителя.
Требования к измерительным приборам
Разобравшись, чем обычно измеряется напряжение, нужно понять, как решать проблему несоответствия прибора основополагающему требованию: достаточно высокому пределу измерения. Способы выхода из ситуации также зависят от тока, с которым работает мастер:
- При работе с постоянным током можно подключить внутреннее или внешнее дополнительное сопротивление. Еще один вариант – применять несколько сопротивлений для разных значений предела. Именно на этом принципе основано действие мультиметра.
- В случае переменного тока также можно подключить подходящее дополнительное сопротивление. Широко используют и трансформаторы напряжения.
Важно! Вольтметр, которым проводят измерения, должен иметь как можно более высокое сопротивление и низкий ток. Это нужно для минимизации влияния устройства на электросеть и потерь в кабелях, направляющихся к нему от источника питания.
Замеры разности потенциалов играют важную роль для отладки электросхем и электросетей. От правильно проведенных измерений зависит надежность функционирования техники, для их выполнения нужно знать о единицах измерения напряжения.
Видео
Одной из физических величин, которая была введена для характеристики действия электрического поля, является напряжение. Электрическое поле, оказывая силовое воздействие на заряженные частицы, приводит их в движение, создает электрический ток. При перемещении зарядов совершается работа, что приводит к изменению энергии.
В каких единицах измеряют напряжение
Отношение работы, совершаемой произвольным электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда называется напряжением между этими точками:
$ U = { A\over q } $ (1)
U — напряжение,
A — работа, Дж,
q — заряд, Кл.
Значит работа электрического поля при перемещении заряда равняется произведению напряжения U между точками на заряд q :
$ A = { q*U } $ (2)
Рис. 1. Работа электрического поля по перемещению зарядов.
При величине заряда равной 1 Кл будет выполняться равенство $ U = A $.
Единица измерения напряжения называется вольт. В кратком написании пишется с заглавной буквы В. Свое название единица получила в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (1745-1827г.г.), внесшего значительный вклад в понимание природы электрических явлений.
Из соображений размерности величин и формулы (1) следует, что:
$$ [В] = { [Дж]\over } $$
Таким образом, единица напряжения (1 Вольт) — это такое напряжение на участке цепи или на концах проводника, при котором совершается работа по передвижению электрического заряда величиной 1 Кл (1 кулон) равная 1 Дж (1 Джоулю).
Кратные единицы измерения напряжения
Реальные значения измеряемых напряжений могут быть в десятки тысяч раз как больше, так и меньше одного вольта. Поэтому для удобства записи (фиксации) дополнительно были введены следующие кратные и дольные единицы:
- 1 нановольт — 1 нВ=10 -9 В;
- 1 микровольт — 1 мкВ=10 -6 В;
- 1 милливольт — 1 мВ=10 -3 В;
- 1 киловольт — 1 кВ=10 3 В;
- 1 мегавольт — 1 МВ=10 6 В.
Необходимо помнить, что высокое напряжение представляет большую опасность для здоровья человека. Безопасным значением для человеческого организма считается напряжение 42 В в нормальных условиях и 12 В в условиях с повышенной опасностью (влажность, металлические полы, большая температура).
Как измеряют напряжение
Напряжение измеряется с помощью прибора называемого вольтметром. Различные модели вольтметров могут внешне отличаться друг от друга, но общим для них является принцип работы, основанный на электромагнитном действии тока. Латинская буква V используется для обозначения прибора на электрических схемах и на измерительных шкалах вольтметров.
Рис. 2. Обозначение вольтметра и схема включения вольтметра для измерения напряжения.
При проведении измерений необходимо учитывать следующие моменты:
- Вольтметры для измерения постоянного напряжения отличаются от вольтметров, предназначенных для измерений переменного напряжения. У вольтметров для измерения постоянных напряжений на измерительной шкале должен присутствовать знак “—”, а для переменного напряжения знак “~”. В последнее время часто используется обозначение с помощью аббревиатур из букв английского алфавита AC/DC (Alternative Current — переменный ток, Direct Current — постоянный ток);
- Клеммы вольтметров для постоянного напряжение помечены знаками “+” и “—” или выделены цветом (плюс — красный, минус — синий). При измерениях полярность следует соблюдать, иначе индикаторная стрелка отклонится в другую сторону;
- Вольтметр всегда подключается параллельно к участку цепи, где производятся измерения;
- Рекомендуется вначале провести монтаж всех элементов электрической цепи, а вольтметр подключать в самом конце.
Рис. 3. Примеры различных вольтметров
Все измерительные приборы не должны влиять на результат измерения, то есть должны иметь минимальную измерительную погрешность. Чтобы соответствовать этому требованию, вольтметры имеют очень большое входное сопротивление, поэтому ток, текущий через них, намного меньше тока на измеряемом участке цепи. Тогда падение напряжения на вольтметре становится не существенным.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали что напряжение — это физическая величина, равная работе по перемещению заряда 1 Кл в электрическом поле. Напряжение измеряется в единицах, которые называются вольтами. Для измерения напряжения используются вольтметры.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.5 . Всего получено оценок: 60.
Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.
Как возникает напряжение?
Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.
Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.
При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.
Чем больше будет величина различия – разность потенциалов – тем сильнее электроны из материала с их избыточным содержанием будут перетягиваться к материалу с их недостатком. Тем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.
Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический – направленное движение носителей заряда, стремящееся устранить разницу потенциалов. Для перемещения по проводнику зарядов силы электрического поля совершают работу, которая и характеризуется понятием электрического напряжения. 
В чем измеряется
Температуры;
Виды напряжения
Постоянное напряжение
Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический в этом случае имеет одно направление и является постоянным.
Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.
При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети , когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).
Переменное напряжение
Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.
Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.
Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.
Так получается за счет того, что возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.
Состоит из четырех проводов – трех фазных и одного нулевого. напряжение между проводами нулевым и фазным равно 220 В и называется фазным. Между фазными напряжение также существует, называется линейным и равно 380 В (разность потенциалов между двумя фазными проводами). В зависимости от вида подключения в трехфазной сети можно получить или фазное напряжение, или линейное.