Что такое напряжение
Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.
Напряжение с точки зрения гидравлики
Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий «бокал», заполненный водой.
Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!
А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.
Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.
Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.
Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.
А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.
Электрическое напряжение
Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.
Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.
Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.
С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.
В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.
Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.
Формула напряжения
В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.
A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули
U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты
На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.
Напряжение тока — что это означает?
Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.
Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).
Постоянное и переменное напряжение
Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.
На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?
Все любят качаться на качелях:
Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.
Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:
Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».
Осциллограммы постоянного и переменного напряжения
Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.
Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения — это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.
А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.
Про параметры переменного напряжения можете прочитать в этой статье.
Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.
Похожие статьи по теме
Напряжение тока.
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.
Перемещение заряженных частиц в телах и веществах происходит благодаря разности потенциалов или электрическому напряжению. Напряжение (напряжение тока) — это физическая величина равная отношению работы электрического поля затраченной на перенос электрического заряда из одной точки в другую (между полюсами) к этому заряду. Напряжение измеряется в Вольтах (В) и обозначается буквой V. Для того чтобы переместить между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль), необходимо напряжение тока равное 1 В.
Для лучшего понимания взаимосвязей между разностью потенциалов, электрическим зарядом и током воспользуемся следующим наглядным примером. Представим емкость с трубой внизу, наполненную до определенного уровня водой. Условимся, что количество воды соответствует величине заряда, высота воды в емкости (давление столба жидкости) – это напряжение, а интенсивность выхода потока воды из трубы – это электрический ток.
Чем больше воды в резервуаре, тем больше высота столба воды и выше давление. Аналогично в электрических явлениях: чем больше величина заряда, тем выше напряжение необходимое для его переноса. Начнем выпускать воду: давление в резервуаре будет уменьшаться. Т. е. с уменьшением величины заряда – снижается напряжение тока. Также наглядно это видно при работе фонарика с начавшими разряжаться батарейками: по мере того как разряжаются батарейки яркость лампочки становится все меньше и меньше.
Электрический ток.
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда, при этом, могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах, они могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Условно направлением движения тока считается направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы – от плюса к минусу.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в Амперах (А). Сила тока в 1 А возникает при прохождении через поперечное сечение проводника заряда в 1 К за 1 сек.
Вернемся к примеру, с водой в емкости. Возьмем два резервуара с одинаковым уровнем воды, но разными диаметрами труб на выходе.
Сравним характер вытекания воды из обоих резервуаров: уровень воды в левом баке уменьшается быстрее, чем в правом. Т. е. интенсивность истечения воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим в правый бак воду, таким образом увеличив высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, увеличит интенсивность истечения воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения тока, увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.
Приведенные примеры с водой наглядно демонстрируют связь между электрическим током, напряжением тока и сопротивлением.
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).
Единица измерения напряжения
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.
Напряжение на жилах проводника
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.
Синусоидальное напряжение с амплитудой 310 В эквивалентно постоянному, значение которого – 210 В
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.
Лабораторный вольтметр
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.
Мультиметры снабжают режимами для измерения 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