Напряжение единица измерения в физике

Электрическое напряжение. Определение, виды, единицы измерения

Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.

1. Как возникает напряжение?
2. В чем измеряется
3. От чего зависит напряжение?
4. Виды напряжения
5. Постоянное напряжение
6. Переменное напряжение

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.

Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический ток – 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

Единицей напряжения называют вольт (В). Один Вольт выражается в разности потенциалов двух точек электрического поля, силы которого совершают работу в 1 Дж для перемещения заряда в 1 Кл из первой точки во вторую. Измеряют напряжение специальным прибором — вольтметром.

От чего зависит напряжение?

Напряжение участка цепи зависит от:

Виды напряжения

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический ток 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 постоянного тока, 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 ток устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 герц 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 переменный ток возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.

Переменный ток применяют при необходимости передавать энергию на значительные расстояния. В этих случаях эффективно использование трехфазных сетей: потери электроэнергии в проводах минимальны, простая электрогенерация (благодаря трехфазным электродвигателям без коллектора), выгодно экономически.

Трехфазный ток получают в трехфазных электродвигателях.

В них имеются сразу три катушки проводов, расположенных равномерно по кругу – через 120 градусов. Поэтому и синусоиды трехфазного тока отстают друг от друга на этот угол. Геомертическое представление трехфазного напряжения и тока выглядит в виде векторной диаграммы.

Напряжение единица измерения в физике

Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока ( I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.

За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н. Эта единица и называется ампером (1 А).

Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.

Амперметр

Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.

У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.

Напряжение

Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.

Напряжение ( U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .

Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.

Единица напряжения: [U] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).

Вольтметр

Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.

У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.

Формулы и определения.

1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.

2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.

3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).

4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)

5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).

Конспект урока «Сила тока. Напряжение».

В чем измеряется напряжение

Электрический ток характеризуется такими величинами, как сила тока, напряжение и сопротивление, связанными между собой. Прежде чем рассматривать вопрос, в чем измеряется напряжение необходимо точно выяснить, что это за величина, и какова ее роль в образовании тока.

1. Как действует напряжение
2. Единица измерения напряжения
3. Как измерить напряжение и ток

Как действует напряжение

Общее понятие электрического тока заключается в направленном движении заряженных частиц. Эти частицы представляют собой электроны, перемещение которых происходит под действием электрического поля. Чем больше зарядов нужно переместить, тем большая работа совершается полем. На эту работу влияет не только сила тока, но и напряжение.

Физический смысл этой величины заключается в том, что работа тока на каком-либо участке цепи соотносится с величиной заряда, который проходит по данному участку. В процессе этой работы положительный заряд перемещается из точки, где имеется небольшой потенциал, в точку с большим значением потенциала. Таким образом, напряжение определяется в виде разности потенциалов или электродвижущей силы, а сама работа является энергией.

Работа электрического тока измеряется в джоулях (Дж), а величиной электрического заряда является кулон (Кл). В результате, напряжение представляет собой отношение 1 Дж/Кл. Полученная единица напряжения называется вольтом.

Чтобы наглядно объяснить физический смысл напряжения, нужно обратиться к примеру шланга, наполненного водой. В данном случае, объем воды будет играть роль силы тока, а ее давление будет эквивалентно напряжению. При движении воды без наконечника, она свободно и в большом количестве перемещается по шлангу, создавая невысокое давление. Если же конец шланга прижать пальцем, то произойдет уменьшение объема при одновременном повышении давления воды. Сама струя будет перемещаться на значительно большее расстояние.

В электричестве получается то же самое. Сила тока определяется количеством или объемом электронов, перемещающихся по проводнику. Значение напряжения, по сути, является силой, с которой происходит проталкивание этих электронов. Отсюда следует, что при условии одинакового напряжения, проводник, проводящий большее количество тока, должен обладать и большим диаметром.

Единица измерения напряжения

Напряжение может быть постоянным или переменным, в зависимости от тока. Эта величина может обозначаться в виде буквы В (русское обозначение) или V, соответствующее международному обозначению. Для обозначения переменного напряжения применяется значок «

», который ставится перед буквой. Для постоянного напряжения существует знак «-», однако на практике он почти не применяется.

Рассматривая вопрос, в чем измеряется напряжение, следует помнить, что для этого существуют не только вольты. Большие величины измеряются в киловольтах (кВ) и мегавольтах (мВ), что означает соответственно 1 тысячу и 1 миллион вольт.

Как измерить напряжение и ток

В чем измеряется работа тока

Что такое сила тока

Что такое напряжение тока

В чем измеряется мощность электрического тока

Единица измерения напряжения электрического тока

Напряжением принято называть движущую силу, которая помогает в определённом направлении толкать свободные электроны от одного атома к другому. Чтобы обеспечить прохождение зарядов, нужно иметь цепь с замкнутым контуром, который поможет создать оптимальные условия. Процесс направленного перемещения частиц будет прекращён в том случае, если есть обрыв электроцепи. Для решения задач по физике нужно знать единицу измерения напряжения.

1. Краткое описание
2. Значение напряжения
3. Постоянная скалярная физическая величина
4. Переменные показатели
5. Правила измерения
6. Факторы, влияющие на результат

Краткое описание

Чтобы разбираться в основных понятиях, которые касаются размерности напряжения, нужно понять природу этого явления. Любое вещество состоит из атомов, которые содержат ядро, несущее положительный заряд. Дополнительно присутствуют электроны с отрицательным значением. Так как количество стремительно вращающихся частиц прямо пропорционально числу протонов ядра, в стандартной ситуации атом не обладает зарядом.

В случае ликвидации одного или сразу нескольких электронов атом предпринимает попытки восполнить недостающие элементы. В результате этого формируется положительное поле. Потенциал с отрицательным значением может возникнуть только в случае появления добавочных электронов.

Двустороннее напряжение возникает в тех ситуациях, когда сталкиваются ядра с положительными и отрицательными зарядами. Чем больше будет различаться их потенциал, тем быстрее электроны со знаком «минус» перейдут на противоположную сторону. На фоне этого возрастёт напряжение электрического поля.

В электрических цепях определение напряжения можно выполнить в соответствии с треугольником Ома. Для решения подобных задач нужно использовать следующую формулу: V = l * R. Расшифровка выглядит так:

• напряжение — V;
• ток в цепи — l;
• сопротивление цепи — R.

Ток появляется, когда соединяются потенциалы противоположно заряженных проводниковых элементов. Именно так в конспекте обозначается целенаправленное перемещение мелких частиц, которые стараются устранить имеющуюся потенциальную разность. Электрическое поле выполняет работу, которая задана напряжением, за счёт чего заряды могут двигаться по проводнику.

Значение напряжения

Показатели электрического потенциала между двумя точками электросети могут определяться благодаря работе, которая была выполнена за конкретный промежуток времени. Также можно учесть количество выделенной теплоты.

Если речь идет о переменном напряжении, тогда действовать нужно по-другому. Интенсивность колебаний имеет вид синусоидальной кривой. Только на пике амплитуды показатель сможет достичь максимального значения. Для решения задач по физике принято использовать усреднённый показатель, который ещё называют действующим. Полученное значение можно приравнять к аналогичному показателю постоянного напряжения.

Действующее значение немного меньше максимального параметра (примерно в 1,4 раза). Если сеть имеет минимальное напряжение 220 В, тогда максимум будет равен 311 В.

Эти цифры особенно важны в том случае, когда нужно правильно подобрать конденсаторы, диодные элементы либо другие приспособления для успешного монтажа электрической сети.

Постоянная скалярная физическая величина

Измерить напряжение можно при помощи специального магнитоэлектрического устройства. В продаже представлены высокоточные профессиональные устройства, которые оснащены цифровым дисплеем. Для получения достоверной информации прибор необходимо подключить к участку сети, на котором предстоит выполнить необходимые измерения напряжённости. Эта процедура должна быть совершена в соответствии со следующими правилами:

1. Установленное предельное значение должно превышать возможный максимум. Бывают ситуации, когда нужно выполнить измерительные работы, но необходимые параметры неизвестны. Специалисты рекомендуют изначально установить максимальное значение, чтобы постепенно его снижать.
2. Должна быть учтена полярность подсоединения. Если это правило не учтено, тогда стрелка прибора наклонится в противоположную сторону. На экране цифрового устройства высветится отрицательное число.

Для измерения напряжения можно использовать разные приборы, кроме магнитоэлектрических приспособлений. С такими устройствами можно работать только посредством подключения к выходу выпрямителя.

Переменные показатели

Если в рамках эксперимента попробовать менять полярность потенциалов или просто перемещать их в пространстве, то в итоге электрический ток будет течь в обратном направлении. Такие изменения призваны показать основную характеристику, которая в физике называется частотой. Например, стандартные 60 герц означают, что в рамках электрической сети полярность меняется 60 раз в секунду.

Амплитудой переменного тока lm принято называть максимальное абсолютное значение за один полупериод колебаний. Это правило учат на уроках физики в 8 классе. К разряду временных функций относится напряжение в электрических сетях переменного тока. Чаще всего для решения задач используется закон синусоидальных колебаний.

В катушках асинхронных двигателей переменный ток образуется за счёт вращения электромагнита. Если попробовать развернуть такие обороты по времени, то получится синусоид. В случае необходимости передать энергию на большое расстояние используется переменный ток. Большой спрос получило применение трёхфазных сетей. Благодаря этому потери электроэнергии в проводах снижены до минимума, что очень выгодно с финансовой стороны.

Благодаря специальным электродвигателям получают трёхфазный ток. В таких агрегатах установлены сразу 3 катушки проводов, которые расположены через каждые 120°. За счёт этого присутствующие в трёхфазном токе синусоиды отстают друг от друга. В геометрическом плане такая система имеет вид векторной диаграммы.

Трёхфазная электрическая сеть состоит из одного нулевого и трёх фазных проводов. Между ними присутствует напряжение 220 В. Фазные провода тоже можно задействовать для решения различных задач. Между ними проложено линейное напряжение, которое составляет 380 В.

Правила измерения

Чтобы понять, в каких единицах измеряется напряжение, можно задействовать научную литературу и графические схемы. В технической документации электрический ток может выражаться только с помощью вольт (В). Такое значение было установлено в честь известного итальянского физика А. Вольта. Потенциальную разницу двух точек поля помогает описать 1 В. В этом случае для перемещения однокулонного заряда должна быть совершена работа в 1 Дж.

Для составления схем используется условное обозначение напряжения. Буква V указывает на единицу тока, которая заключена в круг. В некоторых документах может присутствовать схематическое изображение измерительного прибора. Особого значка в этом случае не предусмотрено. Чтобы разбираться в основных понятиях, которые касаются электрического напряжения, нужно учесть следующие нюансы:

1. Лампочки и другие виды нагрузки снижают итоговую потенциальную энергию электронов.
2. Для измерения напряжения нужно использовать вольтметр.
3. Аккумуляторные батареи увеличивают потенциальную энергию электронов.
4. Напряжение представляет собой силу, которая позволяет перемещать электроны от одного атома к другому.

Если в сети присутствует напряжение 220 В, то это указывает на то, что имеющееся электрическое поле может затратить до 220 Дж для перемещения заряженных частиц через цепь и линию нагрузки. Для всех электроприборов номинальное напряжение должно указываться производителем в паспорте. Также этот параметр может числиться в составе маркировки на передней панели корпуса.

Факторы, влияющие на результат

Итоговый показатель напряжения на анализируемом участке электрической цепи зависит от многих нюансов, например, от подсоединённой нагрузки. Не меньшее значение имеет характеристика материала, из которого изготовлена проводниковая деталь. Дополнительно нужно учитывать температуру воздуха и самих элементов сети.

На уроках физики можно узнать, каков реальный эффект Джозефсона. Речь идёт о сверхпроводящем токе, который проходит сквозь имеющийся слой диэлектрического материала небольшой толщины. В результате удаётся изолировать один сверхпроводящий предмет от другого. В научной работе талантливого физика Джозефсона было указано, что добиться такого результата можно только в том случае, если задействовать максимально тонкий слой диэлектрика. Многочисленные опыты смогли доказать, что сверхпроводящий ток эффективен даже при использовании более толстых слоёв.

Научное открытие Джозефсона позволило проводить высокоточные замеры магнитных полей и напряжения. В первом случае весь процесс построен на большой зависимости электротока от внешнего магнитного поля. Если поддерживать константное напряжение в созданном переходе, то такое изобретение будет выступать в роли генератора электромагнитного волнового излучения. Если есть необходимые инструменты, тогда можно попробовать воссоздать установку с поглощающим, то есть противоположным эффектом. Приём и генерация напряжения смогут работать в диапазоне, который недоступен другим установкам.

В научной среде продолжают проводить исследования по поводу того, как эффект Джозефсона может помочь в переносе магнитного поля для последующей передачи и накопления информации (например, квантовые компьютеры).

Впервые экспериментальный процессор такого типа был создан японскими инженерами. В 2014 году работники физико-математического факультета МГУ в России смогли спроектировать микросхему для компьютера. Они задействовали свойства сверхпроводников и эффект Джозефсона.

Единица измерения напряжения

Определение и единица измерения напряжения

Напряжением ($U$) на участке цепи называют величину, равную отношению суммарной работы ($A$), при перемещении заряда, к величине этого заряда ($q$):

В Международной системе единиц (СИ) вольт — единица измерения напряжения. Обозначается буквой В. Эта единица измерения была названа в честь итальянского ученого А. Вольты (Он изобрел известный вольтов столб — это была первая электрическая батарея). Один вольт — единица измерения напряжения, равная работе в один джоуль над зарядом в 1 кулон при перемещении заряда из одной точки в другую:

Иногда используют другое определение вольта, при этом говорят, что один вольт — это электрическое напряжение, которое взывает в цепи постоянный ток, имеющий силу в 1 ампер при мощности один ватт:

Вольт является производной единицей измерения в системе СИ. Через основные единицы вольт можно выразить, используя его определение, например:

С вольтом используют любые стандартные приставки системы СИ, применяемые для формирования кратных и дольных единиц. Например:

В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) единицы потенциала — единица измерения напряжения. Между вольтами и единицами измерения потенциала имеется следующее соотношение:

Вольт — единица измерения напряжения и эффект Джозефсона

В 1990 году была проведена стандартизация вольта в измерениях, при этом использовался нестационарный эффект Джозефсона. При пропускании через контакт Джозефсона тока больше критического, падение напряжения на контакте и сила тока через него помимо постоянной составляющей будет обладать переменной компонентой (говорят, что контакт излучает электромагнитные волны). Частота ($nu $) этой составляющей определяется из фундаментального выражения:

[hnu =2q_eU left(2right),]

где $h$ — постоянная Планка; $q_e$ — элементарный заряд. Данный эффект можно наблюдать и измерять при размещении контакта во внешнем электромагнитном поле высокой частоты. Если частота внешнего поля совпадает (или кратна) с частотой электромагнитного излучения, то появляется резонанс. Вольт — амперная характеристика для средних величин тока и напряжения является ступенчатой кривой. Ширина «ступенек» (ступеньки Шапиро) в направлении оси напряжений составляет величину $frac<2q_e>$. Данные ступеньки позволяют измерять частоту внешнего поля вместо слабого электромагнитного излучения. Так, измерив напряжение, которое соответствует ступени и частоту излучения, находят отношение $frac$. Так как радиочастоту измеряют с высокой точностью (подобная точность в измерении напряжения не достигнута), то точность измерения величины $frac$ достаточно велика, в связи с этим эффект Джозефсона использовали для стандартизации вольта, как единицы напряжения.

Примеры задач с решением

Задание. Выразите вольт через основные единицы измерения системы СИ, используя его определение через мощность и силу тока.

Решение. Используем определение вольта: 1 вольт — это электрическое напряжение, которое взывает в цепи постоянный ток, имеющий силу в 1 ампер при мощности один ватт:

Ватт, как и вольт является производной единицей в системе СИ, его выразим как:

Ампер — основная единица измерения в СИ, следовательно, получим:

Задание. В плоском конденсаторе поток электронов движется между пластинами. Кинетическая энергия этих электронов равна $E_k=12,8cdot <10>^<-16>$Дж. Длина пластин конденсатора равна $x=0,05$м, расстояние, между пластинами составляет $d=0,02$ м. Каково напряжение меду пластинами, если смещение пучка электронов на выходе из конденсатора равно $y=0,008$ м? Ответ выразите в кВ.

Решение. Сделаем рисунок.

Кинетическая энергия электронов равна:

где $m_e$ — масса электрона. Из формулы (2.1) выразим начальную скорость движения электронов:

Электроны по оси X движутся с постоянной скоростью, по оси Yод воздействием электрического поля движутся с ускорением, направленным вдоль оси Y. Из кинематических уравнений движения электрона имеем:

Из уравнения (2.3) получим время движения электрона:

В соответствии со вторым законом Ньютона, если считать, что масса электрона мала, имеем:

где $E$ — напряженность электрического поля между пластинами конденсатора; $q_em_e$ — заряд электрона. Из (2.6) ускорение равно:

Подставим правую часть (2.7) вместо ускорения в (2.4), вместо времени правую часть (2.5) выразим напряжение:

Вычислим напряжение, учитывая, что$q_e=$ $1,6cdot <10>^<-19>Кл$: