Напряжение

Напряжение , также известное как (электрическая) разность потенциалов , электрическое давление или электрическое напряжение, — это разность электрических потенциалов между двумя точками. ^[1]^[2] В статическом электрическом поле оно соответствует работе , необходимой на единицу заряда для перемещения положительного тестового заряда из первой точки во вторую. В Международной системе единиц (СИ) производной единицей напряжения является вольт (В) . ^[3]^[4]^[5]

Напряжение между точками может быть вызвано накоплением электрического заряда (например, конденсатор ) и электродвижущей силой (например, электромагнитной индукцией в генераторе ). ^[6]^{[7] В макроскопическом масштабе разность потенциалов может быть вызвана электрохимическими процессами (например, элементы и батареи),}пьезоэлектрическим эффектом , вызванным давлением , и термоэлектрическим эффектом . Поскольку это разность электрических потенциалов, это физическая скалярная величина . ^[8]

Вольтметр может использоваться для измерения напряжения между двумя точками в системе. [ ^9] Часто в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как заземление системы. Напряжение может быть связано либо с источником энергии, либо с потерей, рассеиванием или хранением энергии.

Определение

Единицей измерения работы на единицу заряда в системе СИ является джоуль на кулон , где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон заряда. ^{[ необходима ссылка ]} В старом определении вольта в системе СИ использовались мощность и ток ; начиная с 1990 года использовались квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона ^[10] , а в 2019 году физическим константам были даны определенные значения для определения всех единиц системы СИ.

Напряжение обозначается символически как , упрощенно V , ^[11] особенно в англоязычных странах. На международном уровне стандартизирован символ U. ^[12] Он используется, например, в контексте законов Ома или Кирхгофа . $\Delta V$

Электрохимический потенциал — это напряжение, которое можно измерить непосредственно с помощью вольтметра. ^[13]^[14] Потенциал Гальвани , который существует в структурах с соединениями разнородных материалов, также является работой на заряд, но не может быть измерен с помощью вольтметра во внешней цепи (см. § Потенциал Гальвани против электрохимического потенциала).

Напряжение определяется таким образом, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высоким напряжениям, а положительно заряженные объекты — к более низким напряжениям. ^[15]^[16] Таким образом, обычный ток в проводе или резисторе всегда течет от более высокого напряжения к более низкому.

Исторически напряжение обозначалось терминами «напряжение» и «давление». Даже сегодня термин «напряжение» все еще используется, например, в словосочетании « высокое напряжение » (HT), которое обычно используется в термоэлектронной ( вакуумной ) и автомобильной электронике.

Электростатика

В электростатике увеличение напряжения от точки до некоторой точки задается изменением электростатического потенциала от до . По определению ^[17]^{: 78} это: $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$ ${\textstyle V}$ $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$

{\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(\mathbf {r} _{B})-V(\mathbf {r} _{A})\\&=-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\left(-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{A}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\right)\\&=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\end{aligned}}

где - напряженность электрического поля. $\mathbf {E}$

В этом случае увеличение напряжения от точки A до точки B равно работе, проделанной на единицу заряда против электрического поля, чтобы переместить заряд из A в B, не вызывая никакого ускорения. ^[17]^{: 90–91} Математически это выражается как линейный интеграл электрического поля вдоль этого пути. В электростатике этот линейный интеграл не зависит от выбранного пути. ^[17]^{: 91}

Согласно этому определению, любая цепь, в которой существуют изменяющиеся во времени магнитные поля, например, цепи переменного тока , не будет иметь четко определенного напряжения между узлами цепи, поскольку электрическая сила в этих случаях не является консервативной силой . ^{[примечание 1]} Однако на более низких частотах, когда электрические и магнитные поля не изменяются быстро, этим можно пренебречь (см. электростатическое приближение ).

Электродинамика

Электрический потенциал может быть обобщен до электродинамики, так что различия в электрическом потенциале между точками хорошо определены даже при наличии изменяющихся во времени полей. Однако, в отличие от электростатики, электрическое поле больше не может быть выражено только в терминах электрического потенциала. ^[17]^{: 417} Более того, потенциал больше не определяется однозначно с точностью до константы и может принимать существенно разные формы в зависимости от выбора калибра . ^{[примечание 2]}^[17]^{: 419–422}

В этом общем случае некоторые авторы ^[18] используют слово «напряжение» для обозначения линейного интеграла электрического поля, а не разностей электрического потенциала. В этом случае рост напряжения вдоль некоторого пути от до определяется как: ${\mathcal {P}}$ $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathcal {P}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}

Однако в этом случае «напряжение» между двумя точками зависит от выбранного пути.

Теория цепей

В анализе цепей и электротехнике модели сосредоточенных элементов используются для представления и анализа цепей. Эти элементы являются идеализированными и автономными элементами цепей, используемыми для моделирования физических компонентов. [ ^19]

При использовании модели сосредоточенных элементов предполагается, что эффекты изменения магнитных полей, создаваемых схемой, соответствующим образом ограничиваются каждым элементом. ^[19] При этих предположениях электрическое поле в области, внешней по отношению к каждому компоненту, является консервативным, а напряжения между узлами в схеме четко определены, где ^[19]

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}

пока путь интегрирования не проходит через внутреннюю часть какого-либо компонента. Вышеприведенная формула является той же, что используется в электростатике. Этот интеграл, с путем интегрирования, проходящим вдоль измерительных проводов, является тем, что вольтметр фактически измерит. ^[20]^{[примечание 3]}

Если неконтролируемые магнитные поля по всей цепи не являются пренебрежимо малыми, то их эффекты можно смоделировать, добавив элементы взаимной индуктивности . Однако в случае физического индуктора идеальное сосредоточенное представление часто является точным. Это происходит потому, что внешние поля индукторов, как правило, пренебрежимо малы, особенно если индуктор имеет замкнутый магнитный контур . Если внешние поля пренебрежимо малы, мы обнаруживаем, что

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathrm {exterior} }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=L{\frac {dI}{dt}}

не зависит от пути, и на клеммах индуктора имеется четко определенное напряжение. ^[21] По этой причине измерения с помощью вольтметра на индукторе часто достаточно независимы от размещения измерительных проводов.

Вольт

Вольт (символ: $В$ ) — производная единица измерения электрического потенциала , напряжения и электродвижущей силы . ^[22]^[23] Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827), который изобрел вольтов столб , возможно, первую химическую батарею .

Гидравлическая аналогия

Простая аналогия для электрической цепи — вода, текущая по замкнутому контуру трубопровода , приводимая в движение механическим насосом . ^{[ требуется ссылка ]} Это можно назвать «водяным контуром». Разность потенциалов между двумя точками соответствует разности давлений между двумя точками. Если насос создает разность давлений между двумя точками, то вода, текущая из одной точки в другую, сможет выполнять работу, например, приводить в действие турбину . Аналогично, работа может выполняться электрическим током , приводимым в действие разностью потенциалов, обеспечиваемой аккумулятором . Например, напряжение, обеспечиваемое достаточно заряженным автомобильным аккумулятором, может «проталкивать» большой ток через обмотки стартера автомобиля . Если насос не работает, он не создает разности давлений, и турбина не будет вращаться. Аналогично, если аккумулятор автомобиля очень слабый или «разряжен» (или «разряжен»), то он не будет вращать стартер.

Гидравлическая аналогия — полезный способ понимания многих электрических концепций. В такой системе работа, совершаемая для перемещения воды, равна « падению давления » (сравните pd), умноженному на объем перемещенной воды. Аналогично, в электрической цепи работа, совершаемая для перемещения электронов или других носителей заряда, равна «разнице электрического давления», умноженной на количество перемещенных электрических зарядов. В отношении «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. « электрическая мощность ».)

Приложения

Указание измерения напряжения требует явного или неявного указания точек, в которых измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения напряжения один электрический вывод вольтметра должен быть подключен к первой точке, один — ко второй точке.

Термин «напряжение» обычно используется для описания падения напряжения на электрическом устройстве (например, резисторе). Падение напряжения на устройстве можно понимать как разницу между измерениями на каждом выводе устройства относительно общей точки отсчета (или заземления ). Падение напряжения — это разница между двумя показаниями. Две точки в электрической цепи, соединенные идеальным проводником без сопротивления и не находящиеся в изменяющемся магнитном поле, имеют напряжение, равное нулю. Любые две точки с одинаковым потенциалом могут быть соединены проводником, и ток между ними не будет течь.

Добавление напряжений

Напряжение между A и C равно сумме напряжения между A и B и напряжения между B и C. Различные напряжения в цепи можно вычислить с помощью законов Кирхгофа .

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

Измерительные приборы

Мультиметр настроен на измерение напряжения

Приборы для измерения напряжений включают 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, уравновешивая неизвестное напряжение известным напряжением в мостовой схеме . Электронно-лучевой осциллограф работает, усиливая напряжение и используя его для отклонения электронного луча от прямого пути, так что отклонение луча пропорционально напряжению.

Типичные напряжения

Обычное напряжение для батареек для фонариков — 1,5 вольта (постоянный ток). Обычное напряжение для автомобильных аккумуляторов — 12 вольт (постоянный ток).

Обычные напряжения, поставляемые энергетическими компаниями потребителям, составляют 110–120 вольт (переменный ток) и 220–240 вольт (переменный ток). Напряжение в линиях электропередачи, используемых для распределения электроэнергии с электростанций, может быть в несколько сотен раз больше, чем напряжение потребителей, обычно 110–1200 кВ (переменный ток).

Напряжение, используемое в воздушных линиях электропередачи для питания железнодорожных локомотивов, составляет от 12 кВ до 50 кВ (переменный ток) или от 0,75 кВ до 3 кВ (постоянный ток).

Гальванический потенциал против электрохимического потенциала

Внутри проводящего материала энергия электрона зависит не только от среднего электрического потенциала, но и от конкретной тепловой и атомной среды, в которой он находится. Когда вольтметр подключен между двумя различными типами металла, он измеряет не разность электростатических потенциалов, а вместо этого что-то другое, на что влияет термодинамика. ^[24] Величина, измеряемая вольтметром, представляет собой отрицательную разность электрохимического потенциала электронов ( уровень Ферми ), деленную на заряд электрона и обычно называемую разностью напряжений, в то время как чистый нескорректированный электростатический потенциал (неизмеримый вольтметром) иногда называют потенциалом Гальвани . Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны, поскольку на практике они могут относиться к любому из них в разных контекстах.

История

Термин электродвижущая сила был впервые использован Вольтой в письме Джованни Альдини в 1798 году и впервые появился в опубликованной статье в 1801 году в Annales de chimie et de physique . ^[25]^{: 408} Под этим Вольта подразумевал силу, которая не была электростатической силой, а именно электрохимическую силу. ^[25]^{: 405} Термин был взят 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. ^[26]^{: 554} Вольта различал электродвижущую силу (ЭДС) от напряжения (разности потенциалов): наблюдаемая разность потенциалов на клеммах электрохимической ячейки, когда она была разомкнута, должна точно уравновешивать ЭДС ячейки, чтобы ток не протекал. ^[25]^{: 405}

Смотрите также

Поражение электрическим током
Электроснабжение по странам (список стран с напряжением и частотой электросети)
Напряжение холостого хода
Фантомное напряжение

Ссылки

^ Крети, Анна; Фонтини, Фульвио (2019-05-30). Экономика электроэнергии: рынки, конкуренция и правила. Cambridge University Press. стр. 18. ISBN 978-1-107-18565-4.
^ Трегуб, Станислав (2020-08-08). Теория энергетической гармонии: механизм фундаментальных взаимодействий. Станислав Трегуб. стр. 26. ISBN 978-5-6044739-2-4.
^ Дэвид Б. Ньюэлл, Eite Tiesinga (август 2019 г.). Международная система единиц (СИ) (PDF) (Отчет). Национальный институт стандартов и технологий. стр. 31. Получено 2 января 2024 г.
^ Холлоуэй, Майкл Д.; Холлоуэй, Эмма (2020-12-09). Словарь промышленной терминологии. John Wiley & Sons. стр. 1259. ISBN 978-1-119-36410-8.
^ Аслам, доктор С.; Шарма, доктор Прадош Кумар; Рахул, Сатьякам; Салуджа, доктор Хитаншу (26 января 2024 г.). Интеграция электрических систем с интеллектуальными вычислениями. Издательство «Академический гуру». п. 17. ISBN 978-81-19843-91-6.
^ Деметриус Т. Пэрис и Ф. Кеннет Хёрд, Основы электромагнитной теории , 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.
^ Эксперты, Disha (29.08.2017). 10 в одном учебном пакете для CBSE Physics Class 12 с 5 модельными работами. Disha Publications. стр. 64. ISBN 978-93-86323-72-9.
^ International, Petrogav. Производственный курс для найма на морские нефтяные и газовые платформы. Petrogav International. С. 328.
^ Дэвид Б. Ньюэлл, Eite Tiesinga (август 2019 г.). Международная система единиц (СИ) (PDF) (Отчет). Национальный институт стандартов и технологий. стр. 88. Получено 2 января 2024 г.
^ IEV: электрический потенциал Архивировано 28.04.2021 на Wayback Machine
^ IEV: напряжение Архивировано 2016-02-03 на Wayback Machine
^ Фишер, Трауготт (2009-03-13). Материаловедение для студентов инженерных специальностей. Academic Press. стр. 434. ISBN 978-0-08-092002-3.
^ Pulfrey, David L. (2010-01-28). Понимание современных транзисторов и диодов. Cambridge University Press. стр. 93. ISBN 978-1-139-48467-1.
^ Вадари, Мани (2013). Эксплуатация электрических систем: переход к современной сети. Artech House. стр. 41. ISBN 978-1-60807-549-2.
^ Вадари, Субраманиан (2020-01-31). Эксплуатация электрических систем: переход к современной сети, второе издание. Artech House. стр. 47. ISBN 978-1-63081-689-6.
^ abcde Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
^ Мун, Парри; Спенсер, Домина Эберле (2013). Основы электродинамики. Dover Publications. стр. 126. ISBN 978-0-486-49703-7. Архивировано из оригинала 2022-03-19 . Получено 2021-11-19 .
^ abc A. Agarwal & J. Lang (2007). "Материалы курса 6.002 Схемы и электроника" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Архивировано (PDF) из оригинала 9 апреля 2016 г. . Получено 4 декабря 2018 г. .
^ Боссавит, Ален (январь 2008 г.). «Что измеряют вольтметры?». COMPEL — Международный журнал по вычислениям и математике в электротехнике и электронике . 27 : 9–16. doi :10.1108/03321640810836582 — через ResearchGate.
^ Фейнман, Ричард; Лейтон, Роберт Б.; Сэндс, Мэтью. «Лекции Фейнмана по физике, том II, гл. 22: Цепи переменного тока». Caltech . Получено 09.10.2021 .
^ Ханссен, Стивен; Хэмпсон, Джеффри (2022-09-12). Принципы торговли электрооборудованием 6e. Cengage AU. стр. 3. ISBN 978-0-17-045885-6.
^ Кардарелли, Франсуа (2012-12-06). Научный перевод единиц: практическое руководство по метрике. Springer Science & Business Media. стр. 340. ISBN 978-1-4471-3394-0.
^ Багоцкий, Владимир Сергеевич (2006). Основы электрохимии. John Wiley & Sons. стр. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
^ abc Роберт Н. Варни, Леон Х. Фишер, «Электродвижущая сила: забытая концепция Вольта» Архивировано 16 апреля 2021 г. в Wayback Machine , American Journal of Physics , т. 48, вып. 5, стр. 405–408, май 1980 г.
^ CJ Brockman, «Происхождение гальванического электричества: контакт против химической теории до разработки концепции ЭДС». Архивировано 17 июля 2022 г. в Wayback Machine , Journal of Chemical Education , т. 5, № 5, стр. 549–555, май 1928 г.

Сноски

^ Это следует из уравнения Максвелла-Фарадея : Если в некоторой односвязной области существуют изменяющиеся магнитные поля , то ротор электрического поля в этой области не равен нулю, и в результате электрическое поле не является консервативным. Подробнее см. Консервативная сила § Математическое описание . $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$
^ Например, в калибровке Лоренца электрический потенциал является запаздывающим потенциалом , который распространяется со скоростью света ; тогда как в калибровке Кулона потенциал изменяется мгновенно, когда изменяется распределение заряда источника.
^ Это утверждение делает несколько предположений о природе вольтметра (они обсуждаются в цитируемой статье). Одно из этих предположений заключается в том, что ток, потребляемый вольтметром, пренебрежимо мал.

Внешние ссылки

Найдите значение слова «напряжение» в Викисловаре, бесплатном словаре.

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