Напряжение

Разница электрического потенциала между двумя точками пространства

Напряжение , также известное как электрическое давление , электрическое напряжение или (электрическая) разность потенциалов , представляет собой разность электрических потенциалов на линии от одной точки до второй точки. В статическом электрическом поле это соответствует работе , необходимой на единицу заряда для перемещения положительного пробного заряда из первой точки во вторую точку. В Международной системе единиц (СИ) производной единицей напряжения является вольт (В) . ^[1]

Напряжение между точками может быть вызвано накоплением электрического заряда (например, конденсатора ) и электродвижущей силой (например, электромагнитной индукцией в генераторе ). ^{[2] [3]} В макроскопическом масштабе разность потенциалов может быть вызвана электрохимическими процессами (например, в элементах и ​​батареях), пьезоэлектрическим эффектом , вызванным давлением , и термоэлектрическим эффектом . Поскольку это разность электрических потенциалов, это физическая скалярная величина .

Вольтметр можно использовать для измерения напряжения между двумя точками системы. Часто в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как земля системы. Напряжение может представлять собой либо источник энергии, либо потерю, рассеивание или накопление энергии.

Определение

Единицей работы в системе СИ на единицу заряда является джоуль на кулон , где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон заряда. В старом определении напряжения в системе СИ использовалась мощность и ток ; начиная с 1990 года использовались квантовый эффект Холла и Джозефсона ^[4] , а в 2019 году физическим константам были присвоены определенные значения для определения всех единиц СИ.

Напряжение обозначается символически , упрощенно V , ^[5], особенно в англоязычных странах. На международном уровне символ U стандартизирован. ^[6] Он используется, например, в контексте законов цепи Ома или Кирхгофа . ${\displaystyle \Delta V}$

Электрохимический потенциал — это напряжение, которое можно непосредственно измерить с помощью вольтметра. Потенциал Гальвани , который существует в структурах с соединениями разнородных материалов, также представляет собой работу на заряд, но не может быть измерен вольтметром во внешней цепи (см. § Потенциал Гальвани в сравнении с электрохимическим потенциалом).

Напряжение определяется таким образом, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высокому напряжению, а положительно заряженные объекты притягиваются к более низкому напряжению. 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, в составе фразы « высокое напряжение » (HT), которая обычно используется в электронике на основе термоэмиссионных клапанов ( вакуумных ламп ).

Электростатика

Электрическое поле вокруг стержня оказывает воздействие на заряженный пробковый шар в электроскопе .

В статическом поле работа не зависит от пути

В электростатике увеличение напряжения от точки к некоторой точке определяется изменением электростатического потенциала от до . По определению ^{[7] :78} это: ${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$ ${\textstyle V}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

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

где – напряженность электрического поля. ${\displaystyle \mathbf {E} }$

В этом случае увеличение напряжения от точки А к точке В равно работе, совершаемой на единицу заряда против электрического поля для перемещения заряда из А в точку Б, не вызывая никакого ускорения. ^{[7] : 90–91} Математически это выражается как линейный интеграл электрического поля на этом пути. В электростатике этот линейный интеграл не зависит от пройденного пути. ^{[7] : 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 в этих случаях электрическая сила не является консервативной силой . ^{[примечание 1]} Однако на более низких частотах, когда электрические и магнитные поля не меняются быстро, этим можно пренебречь (см. электростатическое приближение ).

Электродинамика

Электрический потенциал можно обобщить на электродинамику, так что различия в электрическом потенциале между точками четко определены даже при наличии изменяющихся во времени полей. Однако, в отличие от электростатики, электрическое поле уже нельзя выразить только через электрический потенциал. ^{[7] : 417} Кроме того, потенциал больше не определен однозначно с точностью до константы и может принимать существенно разные формы в зависимости от выбора калибровки . ^{[примечание 2] [7] : 419–422}

В этом общем случае некоторые авторы ^[8] используют слово «напряжение» для обозначения линейного интеграла электрического поля, а не разности электрических потенциалов. В этом случае рост напряжения на некотором пути от до определяется выражением: ${\displaystyle {\mathcal {P}}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$ ${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

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

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

Теория цепей

В анализе цепей и электротехнике модели с сосредоточенными элементами используются для представления и анализа цепей. Эти элементы представляют собой идеализированные и автономные элементы схемы, используемые для моделирования физических компонентов. ^[9]

При использовании модели с сосредоточенными элементами предполагается, что эффекты изменения магнитных полей, создаваемых цепью, соответствующим образом сдерживаются каждым элементом. ^[9] При этих предположениях электрическое поле во внешней области каждого компонента является консервативным, а напряжения между узлами цепи четко определены, где ^[9]

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

до тех пор, пока путь интеграции не проходит через внутренности какого-либо компонента. Вышеупомянутая формула используется в электростатике. Этот интеграл, путь интегрирования которого проходит вдоль измерительных выводов, и является тем, что на самом деле измеряет вольтметр. ^{[10] [примечание 3]}

Если неудерживаемые магнитные поля по всей цепи не пренебрежимо малы, то их влияние можно смоделировать путем добавления элементов взаимной индуктивности . Однако в случае физического индуктора идеальное представление с сосредоточенными параметрами часто оказывается точным. Это связано с тем, что внешние поля индукторов обычно незначительны, особенно если индуктор имеет замкнутый магнитный путь . Если внешними полями пренебречь, мы находим, что

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

не зависит от пути, и на клеммах дросселя имеется четко определенное напряжение. ^[11] Именно по этой причине измерения вольтметром на катушке индуктивности часто практически не зависят от расположения измерительных проводов.

Вольт

Вольт (обозначение: В ) — производная единица измерения электрического потенциала , напряжения и электродвижущей силы . Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольты (1745–1827), который изобрел гальваническую батарею , возможно, первую химическую батарею .

Гидравлическая аналогия

Простая аналогия электрической цепи – это вода, текущая по замкнутому контуру трубопроводов , приводимая в движение механическим насосом . Это можно назвать «водяным контуром». Разность потенциалов между двумя точками соответствует разнице давлений между двумя точками. Если насос создает разницу давлений между двумя точками, то вода, текущая из одной точки в другую, сможет совершать работу, например, приводить в движение турбину . Точно так же работа может совершаться электрическим током , вызванным разностью потенциалов, создаваемой батареей . Например, напряжение, обеспечиваемое достаточно заряженным автомобильным аккумулятором, может «пропускать» большой ток через обмотки стартера автомобиля . Если насос не работает, он не создает разницы давления, и турбина не будет вращаться. Аналогично, если аккумулятор автомобиля очень разряжен или «разряжен» (или «разряжен»), стартер не будет вращаться.

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

Приложения

Работа на линиях электропередачи высокого напряжения.

Определение измерения напряжения требует явного или неявного указания точек, в которых измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения напряжения один электрический вывод вольтметра необходимо подключить к первой точке, другой — ко второй точке.

Термин «напряжение» обычно используется для описания напряжения, падающего на электрическом устройстве (например, резисторе). Падение напряжения на устройстве можно понимать как разницу между измерениями на каждом выводе устройства относительно общей опорной точки (или земли ). Падение напряжения представляет собой разницу между двумя показаниями. Две точки электрической цепи, соединенные идеальным проводником без сопротивления и не находящиеся в изменяющемся магнитном поле, имеют нулевое напряжение. Любые две точки с одинаковым потенциалом можно соединить проводником, и между ними не будет течь ток.

Сложение напряжений

Напряжение между A и C представляет собой сумму напряжения между A и B и напряжения между B и C. Различные напряжения в цепи можно рассчитать, используя законы цепи Кирхгофа .

Говоря 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 для измерения напряжения

К приборам для измерения напряжения относятся вольтметр , потенциометр и осциллограф . Аналоговые вольтметры , такие как приборы с подвижной катушкой, работают путем измерения тока через постоянный резистор, который, согласно закону Ома , пропорционален напряжению на резисторе. Потенциометр работает путем балансировки 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

Обычное напряжение для аккумуляторов для фонариков составляет 1,5 Вольт (постоянный ток). Обычное напряжение автомобильных аккумуляторов составляет 12 вольт (постоянный ток).

Обычное напряжение, поставляемое энергетическими компаниями потребителям, составляет от 110 до 120 вольт (переменный ток) и от 220 до 240 вольт (переменный ток). Напряжение в линиях электропередачи , используемых для распределения электроэнергии от электростанций, может в несколько сотен раз превышать напряжение потребителей, обычно от 110 до 1200 кВ (переменный ток).

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

Потенциал Гальвани против электрохимического потенциала

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 подключают между двумя разными типами металлов, он измеряет не электростатический потенциал. разность потенциалов, а нечто иное, на что влияет термодинамика. ^[12] Величина, измеряемая вольтметром, представляет собой отрицательную величину разности электрохимических потенциалов электронов ( уровня Ферми ), деленную на заряд электрона и обычно называемую разностью напряжений, в то время как чистый нескорректированный электростатический потенциал (не поддающийся измерению с помощью вольтметр) 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 « Анналах химии и физики» . ^{[13] : 408} Вольта подразумевал под этим силу, которая не была электростатической силой, а именно электрохимической силой. ^{[13] : 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. ^{[14] : 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. ^{[13] : 405}

Смотрите также

• Портал электроники

• Электрический шок
• Сетевое электричество по странам (список стран с указанием напряжения и частоты сети)
• Холостое напряжение
• Фантомное напряжение

Рекомендации

1. Дэвид Б. Ньюэлл, Eite Tiesinga (август 2019 г.). Международная система единиц (СИ) (PDF) (Отчет). Национальный институт стандартов и технологий. п. 31 . Проверено 2 января 2024 г.
2. Деметриус Т. Пэрис и Ф. Кеннет Херд, Основная теория электромагнетизма , McGraw-Hill, Нью-Йорк, 1969, ISBN 0-07-048470-8 , стр. 512, 546. 
3. П. Хаммонд, Электромагнетизм для инженеров , с. 135, Pergamon Press, 1969 , OCLC  854336.
4. Дэвид Б. Ньюэлл, Eite Tiesinga (август 2019 г.). Международная система единиц (СИ) (PDF) (Отчет). Национальный институт стандартов и технологий. п. 88 . Проверено 2 января 2024 г.
5. IEV: электрический потенциал. Архивировано 28 апреля 2021 г. в Wayback Machine.
6. IEV: напряжение. Архивировано 3 февраля 2016 г. на Wayback Machine.
7. Гриффитс, Дэвид Дж. (1999). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 013805326X.
8. Мун, Парри; Спенсер, Домина Эберле (2013). Основы электродинамики. Дуврские публикации. п. 126. ИСБН 978-0-486-49703-7. Архивировано из оригинала 19 марта 2022 г. Проверено 19 ноября 2021 г.
9. А. Агарвал и Дж. Ланг (2007). «Материалы курса 6.002 Схемы и электроника» (PDF) . MIT OpenCourseWare . Архивировано (PDF) из оригинала 9 апреля 2016 года . Проверено 4 декабря 2018 г.
10. 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.
11. Фейнман, Ричард; Лейтон, Роберт Б.; Сэндс, Мэтью. «Лекции Фейнмана по физике, том II, глава 22: Цепи переменного тока». Калтех . Проверено 9 октября 2021 г.
12. Багоцкий, Владимир Сергеевич (2006). Основы электрохимии. Джон Уайли и сыновья. п. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
13. Роберт Н. Варни, Леон Х. Фишер, «Электродвижущая сила: забытая концепция Вольты». Архивировано 16 апреля 2021 г. в Wayback Machine , American Journal of Physics , том. 48, вып. 5, стр. 405–408, май 1980 г.
14. Си Джей Брокман, «Происхождение гальванического электричества: контактная и химическая теория до того, как была разработана концепция ЭДС». Архивировано 17 июля 2022 г. в Wayback Machine , Journal of Chemical Education , vol. 5, нет. 5, стр. 549–555, май 1928 г.

Сноски

1. Это следует из уравнения Максвелла-Фарадея : если в некоторой односвязной области существуют изменяющиеся магнитные поля , то ротор электрического поля в этой области отличен от нуля, и, как следствие, электрическое поле не является консервативным. Подробнее см. Консервативная сила § Математическое описание . ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$
2. Например, в калибровке Лоренца электрический потенциал представляет собой запаздывающий потенциал , который распространяется со скоростью света ; тогда как в кулоновской калибровке потенциал меняется мгновенно при изменении распределения заряда источника.
3. Это утверждение делает несколько предположений о природе вольтметра (они обсуждаются в цитируемой статье). Одно из этих предположений состоит в том, что ток, потребляемый вольтметром, пренебрежимо мал.

Внешние ссылки

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