Напряжение

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален
Найти источники: «Voltage» - новости · газеты · книги · ученый · JSTOR ( февраль 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Напряжение
Батареи являются источником напряжения во многих электрических цепях .
Общие символы	$V$ , $∆ V$ , $U$ , $∆ U$
Единица СИ	вольт
В базовых единицах СИ	кг⋅м ² ⋅с ⁻³ ⋅A ⁻¹
Производные от других величин	Напряжение = Энергия / заряд
Измерение	M L ² T ⁻³ I ⁻¹

Электромагнетизм
Статьи о

Электричество Магнетизм История Учебники
Электростатика Электрический заряд Закон Кулона Дирижер Плотность заряда Разрешающая способность Электрический дипольный момент Электрическое поле Электрический потенциал Электрический поток / потенциальная энергия Электростатический разряд Закон Гаусса Индукция Изолятор Плотность поляризации Статическое электричество Трибоэлектричество
Магнитостатика Закон Ампера Закон Био – Савара Закон Гаусса для магнетизма Магнитное поле Магнитный поток Магнитный дипольный момент Магнитная проницаемость Магнитный скалярный потенциал Намагничивание Магнитодвижущая сила Магнитный векторный потенциал Правило правой руки
Электродинамика Закон силы Лоренца Электромагнитная индукция Закон Фарадея Закон Ленца Ток смещения Уравнения Максвелла Электромагнитное поле Электромагнитный импульс Электромагнитное излучение Тензор Максвелла Вектор Пойнтинга Потенциал Льенара – Вихерта Уравнения Ефименко Вихревой ток Уравнения Лондона Математические описания электромагнитного поля.
Электрическая сеть Переменный ток Емкость Постоянный ток Электрический ток Электролиз Плотность тока Джоулевое нагревание Электродвижущая сила Импеданс Индуктивность Закон Ома Параллельная схема Сопротивление Резонансные полости Последовательная схема Напряжение Волноводы
Ковариантная формулировка Электромагнитный тензор ( тензор энергии-импульса ) Четырехтоковый Электромагнитный четырехпотенциальный
Ученые Ампер Биот Кулон Дэви Эйнштейн Фарадей Физо Гаусс Хевисайд Генри Герц Джоуль Ленц Лоренц Максвелл Ørsted Ом Ричи Savart Певица Тесла Вольта Вебер
v т е

Напряжение , разность электрических потенциалов , электродвижущая сила (ЭДС), электрическое давление или электрическое напряжение - это разность электрического потенциала между двумя точками, которая (в статическом электрическом поле ) определяется как работа, необходимая на единицу заряда для перемещения испытательного заряда. между двумя точками. В Международной системе единиц , в производной единицы для напряжения (разности потенциалов) называется вольт . ^[1]^{: 166} В единицах СИ работа на единицу заряда выражается в джоулях на кулон., где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон (заряда). Старое определение СИ для вольт используемой мощности и тока ; начиная с 1990 г. использовались квантовый эффект Холла и Джозефсона , а недавно (2019 г.) были введены фундаментальные физические константы для определения всех единиц СИ и производных единиц. ^[1]^{: 177f, 197f} Напряжение или разность электрических потенциалов символически обозначается $∆ V$ , упрощенно V , ^[2] или U , ^[3], например, в контексте Ом илиЗаконы Кирхгофа .

Разность электрических потенциалов между точками может быть физически вызвана накоплением электрического заряда или дисбалансом (например, хорошо известный «статический» и электронный конденсатор), а также электрическим током через магнитное поле и изменяющимися во времени магнитными полями (например, динамо-машина или генератор ) или их комбинацию. ^[4]^[5] Кроме того, в макроскопическом масштабе разность потенциалов может быть вызвана электрохимическими процессами (элементы и батареи), а также пьезоэлектрическим эффектом, вызванным давлением, и ЭДС, индуцированной нагревом на металлических переходах. Эти последние процессы на микроскопическом уровне имеют физическое происхождение, о котором упоминалось ранее. вольтметрможет использоваться для измерения напряжения (или разности потенциалов) между двумя точками в системе; часто в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как земля системы. Напряжение может представлять собой либо источник энергии ( электродвижущую силу ), либо потерянную, использованную или накопленную энергию ( падение потенциала ).

Определение [ править ]

Существует несколько полезных способов определения напряжения, включая стандартное определение, упомянутое ранее. Есть также другие полезные определения работы за плату (см. Этот раздел ).

Напряжение определяется так, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высоким напряжениям, а положительно заряженные объекты - к более низким напряжениям. Следовательно, обычный ток в проводе или резисторе всегда течет от более высокого напряжения к более низкому напряжению.

Исторически для обозначения напряжения использовались такие термины, как «напряжение» и «давление». Даже сегодня термин «напряжение» все еще используется, например, во фразе « высокое напряжение » (HT), которая обычно используется в электронике на основе термоэмиссионного клапана ( вакуумной трубки ).

Определение как потенциал электрического поля [ править ]

Увеличение напряжения от точки до некоторой точки определяется выражением ${\ textstyle x_ {A}}$ ${\ textstyle x_ {B}}$

{\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta V_ {AB} & = V (x_ {B}) - V (x_ {A}) \\ & = - \ int _ {r_ {0}} ^ {x_ { B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} - \ left (- \ int _ {r_ {0}} ^ {x_ {A}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ right) \\ & = - \ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ конец {выровнен}}}

Электрическое поле вокруг стержня воздействует на заряженный стержневой шар в электроскопе.

В этом случае увеличение напряжения от точки A к точке B равно работе, совершаемой на единицу заряда против электрического поля, чтобы переместить заряд из точки A в точку B, не вызывая какого-либо ускорения. Математически это выражается как криволинейный интеграл от электрического поля вдоль этого пути. Согласно этому определению, разность напряжений между двумя точками не определяется однозначно при наличии изменяющихся во времени магнитных полей, поскольку электрическая сила в таких случаях не является консервативной силой .

В статическом поле работа не зависит от пути

Если используется это определение напряжения, любая цепь, в которой есть изменяющиеся во времени магнитные поля ^{[примечание 1],} например цепи, содержащие индукторы , не будет иметь четко определенного напряжения между узлами в цепи. Однако, если магнитные поля надлежащим образом содержатся в каждом компоненте, то электрическое поле является консервативным в области, внешней ^{[примечание 2]} по отношению к компонентам, и напряжения в этой области четко определены. ^[6] В этом случае напряжение на катушке индуктивности, если смотреть снаружи, оказывается равным

$U=\Delta V=-L{\frac {dI}{dt}}$

несмотря на то, что внутреннее электрическое поле в катушке равно нулю ^[6] (при условии, что это идеальный проводник).

Определение через разложение электрического поля [ править ]

Используя приведенное выше определение, электрический потенциал не определяется всякий раз, когда магнитные поля меняются со временем. В физике иногда полезно обобщить электрический потенциал, рассматривая только консервативную часть электрического поля. Это делается с помощью следующей декомпозиции, используемой в электродинамике :

${\vec {E}}=-\nabla V-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}$

где - магнитный векторный потенциал . Приведенное выше разложение оправдывается теоремой Гельмгольца . ${\textstyle {\vec {A}}}$

В этом случае увеличение напряжения от до определяется выражением ${\textstyle x_{A}}$ ${\textstyle x_{B}}$

${\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}{\vec {E}}_{\mathrm {conservative} }\cdot d{\vec {l}}\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}\left({\vec {E}}+{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}\right)\cdot d{\vec {l}}\\&=-\int _{x_{A}}^{x_{B}}({\vec {E}}-{\vec {E}}_{\mathrm {induced} })\cdot d{\vec {l}}\end{aligned}}$

где - вращательное электрическое поле, обусловленное изменяющимися во времени магнитными полями. В этом случае напряжение между точками всегда определяется однозначно. ${\textstyle {\vec {E}}_{\mathrm {induced} }}$

Лечение в теории цепей [ править ]

В анализе цепей и электротехнике напряжение на катушке индуктивности не считается нулевым или неопределенным, как следует из стандартного определения. Это связано с тем, что инженеры-электрики используют модель с сосредоточенными элементами для представления и анализа цепей.

При использовании модели с сосредоточенными элементами предполагается, что в области, окружающей цепь, нет магнитных полей, и что их влияние содержится в `` сосредоточенных элементах '', которые представляют собой идеализированные и автономные элементы схемы, используемые для моделирования физических компонентов. . ^[7] Если предположение о незначительной утечке полей слишком неточно, их эффекты могут быть смоделированы паразитными компонентами .

Однако в случае физического индуктора идеальное сосредоточенное представление часто бывает точным. Это связано с тем, что поля утечки индуктора обычно незначительны, особенно если индуктор представляет собой тороид . Если просочившиеся поля незначительны, мы обнаруживаем, что

$\int _{\mathrm {exterior} }{\vec {E}}\cdot d{\vec {l}}=-L{\frac {dI}{dt}}$

не зависит от пути, и на выводах индуктора имеется четко определенное напряжение. ^[6] Это причина того, что измерения с помощью вольтметра на катушке индуктивности часто достаточно независимы от размещения измерительных проводов.

Вольт [ править ]

Вольт (символ: $В$ ) - это производная единица для электрического потенциала , разности электрических потенциалов и электродвижущей силы . Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827), который изобрел гальваническую батарею , возможно, первую химическую батарею .

Гидравлическая аналогия [ править ]

Простая аналогия для электрической цепи - вода, протекающая по замкнутому контуру трубопровода , приводимая в действие механическим насосом . Это можно назвать «водяным контуром». Разница потенциалов между двумя точками соответствует разнице давлений между двумя точками. Если насос создает разницу давлений между двумя точками, тогда вода, текущая из одной точки в другую, сможет выполнять работу, например приводить в движение турбину . Точно так же работа может выполняться электрическим током, управляемым разностью потенциалов, обеспечиваемой батареей.. Например, напряжение, обеспечиваемое достаточно заряженным автомобильным аккумулятором, может «протолкнуть» большой ток через обмотки автомобильного стартера . Если насос не работает, он не создает перепада давления, и турбина не вращается. Точно так же, если автомобильный аккумулятор очень слабый или «мертвый» (или «разряженный»), он не включит стартер.

Гидравлическая аналогия - полезный способ понять многие электрические концепции. В такой системе работа по перемещению воды равна « падению давления » (сравните pd), умноженному на объем перемещенной воды. Точно так же в электрической цепи работа, выполняемая для перемещения электронов или других носителей заряда, равна «разнице электрического давления», умноженной на количество перемещенных электрических зарядов. Что касается «потока», чем больше «разница давления» между двумя точками (разность потенциалов или разность давлений воды), тем больше поток между ними (электрический ток или поток воды). (См. « Электроэнергия ».)

Приложения [ править ]

Работа на высоковольтных линиях электропередачи

Определение измерения напряжения требует явного или неявного указания точек, в которых измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения разности потенциалов один электрический провод вольтметра должен быть подключен к первой точке, а другой - ко второй точке.

Термин «напряжение» обычно используется для описания падения напряжения на электрическом устройстве (например, резисторе). Падение напряжения через устройство может быть понято как разница между измерениями на каждый терминале устройства по отношению к общей опорной точке (или земле ). Падение напряжения - это разница между двумя показаниями. Две точки в электрической цепи, которые соединены идеальным проводником без сопротивления и не находятся в пределах изменяющегося магнитного поля, имеют нулевое напряжение. Любые две точки с одинаковым потенциалом могут быть соединены проводником, и между ними не будет протекать ток.

Сложение напряжений [ править ]

Напряжение между A и C является суммой напряжения между A и B , и напряжение между B и C . Различные напряжения в цепи можно вычислить, используя законы Кирхгофа .

Когда говорят об переменном токе (AC), есть разница между мгновенным напряжением и средним напряжением. Мгновенные напряжения могут быть добавлены для постоянного тока (DC) и переменного тока, но средние напряжения могут быть добавлены осмысленно только тогда, когда они применяются к сигналам, которые имеют одинаковую частоту и фазу.

Измерительные приборы [ править ]

Набор мультиметра для измерения напряжения

К приборам для измерения напряжения относятся вольтметр , потенциометр и осциллограф . Аналоговые вольтметры , такие как приборы с подвижной катушкой, работают, измеряя ток через фиксированный резистор, который, согласно закону Ома , пропорционален напряжению на резисторе. Потенциометр работает путем уравновешивания неизвестного напряжения с известным напряжением в мостовой схеме . Электронно -лучевой осциллограф работает путем усиления напряжения и использования его для отклонения электронного луча от прямого пути, так что отклонение луча пропорционально напряжению.

Типичные напряжения [ править ]

Обычное напряжение для батареек фонарика составляет 1,5 В (постоянный ток). Обычное напряжение для автомобильных аккумуляторов составляет 12 вольт (постоянный ток).

Стандартные напряжения, подаваемые энергокомпаниями потребителям, составляют от 110 до 120 вольт (переменного тока) и от 220 до 240 вольт (переменного тока). Напряжения в передаче электрической энергии линий , используемых для распределения электроэнергии от электростанций может быть в несколько сотен раз больше , чем потребительские напряжения, как правило , от 110 до 1200 кВ (переменного тока).

Напряжение, используемое на воздушных линиях для питания железнодорожных локомотивов, составляет от 12 кВ до 50 кВ (переменного тока) или от 0,75 кВ до 3 кВ (постоянного тока).

Гальванический потенциал против электрохимического потенциала [ править ]

Внутри проводящего материала на энергию электрона влияет не только средний электрический потенциал, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. Когда вольтметр подключается между двумя разными типами металла, он не измеряет электростатическая разность потенциалов, но вместо этого что-то еще, на что влияет термодинамика. ^[8] Величина, измеренная вольтметром, является отрицательной величиной разности электрохимического потенциала электронов ( уровня Ферми ), деленной на заряд электрона и обычно называемой разностью напряжений, в то время как чистый нескорректированный электростатический потенциал (не измеряемый с помощью вольтметр) иногда называютГальванический потенциал . Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к любому из них в разных контекстах.

История [ править ]

Термин электродвижущая сила впервые был использован Вольтой в письме к Джованни Альдини в 1798 году и впервые появился в опубликованной в 1801 году статье в Annales de chimie et de Physique . ^[9]^{: 408} Вольта под этим подразумевает силу, которая не является электростатической силой, в частности, электрохимической силой. ^[9]^{: 405} Этот термин был использован Майклом Фарадеем в связи с электромагнитной индукцией в 1820-х годах. Однако четкого определения напряжения и метода его измерения в то время не было разработано. ^[10]^{: 554}Вольта отличал электродвижущую силу (ЭДС) от напряжения (разности потенциалов): наблюдаемая разность потенциалов на выводах электрохимической ячейки, когда она была разомкнута, должна точно уравновешивать ЭДС ячейки, чтобы ток не протекал. ^[9]^{: 405}

См. Также [ править ]

Поражение электрическим током
Электроэнергия по странам (список стран с сетевым напряжением и частотой)
Холостое напряжение
Фантомное напряжение

Ссылки [ править ]

^ a b Международное бюро мер и весов (2019-05-20), Брошюра SI: Международная система единиц (SI) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0
^ IEV: электрический потенциал
^ IEV: напряжение
↑ Деметриус Т. Пэрис и Ф. Кеннет Херд, Основная электромагнитная теория , McGraw-Hill, Нью-Йорк 1969, ISBN 0-07-048470-8 , стр. 512, 546
^ П. Хаммонд, Электромагнетизм для инженеров , стр. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 .
^ a b c Р. Фейнман; и другие. "Лекции Фейнмана по физике, том II, глава 22: Цепи переменного тока" . Калтех . Проверено 4 декабря 2018 .
^ А. Агарвал & J. Lang (2007). «Курсовые материалы для 6.002 Схемы и электроника» (PDF) . MIT OpenCourseWare . Проверено 4 декабря 2018 .
^ Bagotskii, Владимир Сергеевич (2006). Основы электрохимии . п. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
^ a b c Роберт Н. Варни, Леон Х. Фишер, "Электродвижущая сила: забытая концепция Вольта" , Американский журнал физики , вып. 48, вып. 5. С. 405–408, май 1980 г.
^ CJ Brockman, "Происхождение гальванического электричества: контакт против химической теории до того, как была разработана концепция ЭДС" , Journal of Chemical Education , vol. 5, вып. 5. С. 549–555, май 1928 г.

Сноски [ править ]

^ Если есть изменяющиеся во времени электрические поля или ускоряющие заряды, тогда будут изменяющиеся во времени магнитные поля. Это означает, что в цепях переменного тока всегда есть некоторые неограниченные магнитные поля. Однако, за исключением более высоких частот, ими пренебрегают.
^ Это основано на том факте, что каждый компонент имеет конечный объем. Если бы компонент имел бесконечную протяженность, область, внешняя по отношению к компонентам, не была бы односвязной, и, таким образом, интегралы через нее все равно зависели бы от пройденного пути.

Внешние ссылки [ править ]

Найдите напряжение в Викисловаре, бесплатном словаре.

Электрическое напряжение V , ток I , удельное сопротивление R , полное сопротивление Z , мощность P

[SI-Bro-1] Международное бюро мер и весов (2019-05-20), Брошюра SI: Международная система единиц (SI) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0

[2] IEV: электрический потенциал

[3] IEV: напряжение

[4] Деметриус Т. Пэрис и Ф. Кеннет Херд, Основная электромагнитная теория , McGraw-Hill, Нью-Йорк 1969, ISBN 0-07-048470-8 , стр. 512, 546

[5] П. Хаммонд, Электромагнетизм для инженеров , стр. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 .

[:0-8] Р. Фейнман; и другие. "Лекции Фейнмана по физике, том II, глава 22: Цепи переменного тока" . Калтех . Проверено 4 декабря 2018 .

[9] А. Агарвал & J. Lang (2007). «Курсовые материалы для 6.002 Схемы и электроника» (PDF) . MIT OpenCourseWare . Проверено 4 декабря 2018 .

[10] Bagotskii, Владимир Сергеевич (2006). Основы электрохимии . п. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.

[Varney-11] Роберт Н. Варни, Леон Х. Фишер, "Электродвижущая сила: забытая концепция Вольта" , Американский журнал физики , вып. 48, вып. 5. С. 405–408, май 1980 г.

[12] CJ Brockman, "Происхождение гальванического электричества: контакт против химической теории до того, как была разработана концепция ЭДС" , Journal of Chemical Education , vol. 5, вып. 5. С. 549–555, май 1928 г.

[6] Если есть изменяющиеся во времени электрические поля или ускоряющие заряды, тогда будут изменяющиеся во времени магнитные поля. Это означает, что в цепях переменного тока всегда есть некоторые неограниченные магнитные поля. Однако, за исключением более высоких частот, ими пренебрегают.

[7] Это основано на том факте, что каждый компонент имеет конечный объем. Если бы компонент имел бесконечную протяженность, область, внешняя по отношению к компонентам, не была бы односвязной, и, таким образом, интегралы через нее все равно зависели бы от пройденного пути.