Электрическое напряжение

Напряже́ние
Единицы измерения
СИ	вольт

Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда.

$U_{AB} =\frac{A^{field}_{q:A->B}}{q}.$

При этом считается, что перенос пробного заряда не изменяет распределения зарядов на источниках поля (по определению пробного заряда). В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд. В этом случае электрическое напряжение U_AB между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

Альтернативное определение — $U_{AB}=\int\limits_A^B (\vec E,d\vec l)$

— интеграл от проекции поля эффективной напряжённости поля $~\vec E$ (включающего сторонние поля) на расстояние между точками A и B вдоль заданной траектории, идущей из точки A в точку B. В электростатическом поле значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт.

Напряжение в цепях постоянного тока

Напряжение в цепи постоянного тока определяется так же, как и в электростатике.

Напряжение в цепях переменного тока

Для описания цепей переменного тока применяются следующие понятия:

Мгновенное напряжение

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Оно является функцией времени:

u = u(t).

Амплитудное значение напряжения

Амплитуда напряжения есть максимальное по модулю значение мгновенного напряжения за весь период колебаний:

U_M = max( | u(t) | ).

Для гармонических (синусоидальных) колебаний напряжения мгновенное значение напряжения выражается как:

u(t) = U_Mcos(ωt + ϕ).

Для сети со среднеквадратичным значением 220 В амплитудное равно приблизительно 311,127 В.

Среднее значение напряжения

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) определяется за весь период колебаний, как:

$U_m=\frac{1}{T}\int_0^T u(t) dt$

Для чистой синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения

Среднеквадратичное значение (устаревшее наименование: действующее, эффективное) наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу, что и равное ему постоянное напряжение:

$U_q=\sqrt{\frac{1}{T}\int\limits_0^T u^2(t) dt}$

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

$U_q = {1 \over \sqrt{2}}U_M \approx 0,707U_M;\qquad U_M = \sqrt{2}U_q \approx 1,414U_q$

В технике и быту при использовании переменного тока под термином «напряжение» имеется в виду именно эта величина, и все вольтметры проградуированы исходя из её определения. Однако конструктивно большинство приборов измеряют не среднеквадратичное, а средневыпрямленное (см. ниже) значение напряжения, поэтому для несинусоидального сигнала их показания могут отличаться от истинного значения.

Средневыпрямленное значение напряжения

Средневыпрямленное значение есть среднее значение модуля напряжения:

$U_m=\frac{1}{T}\int\limits_0^T |u(t)| dt.$

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

$U_m = {2 \over \pi}U_M (\approx 0,637U_M) = {2\sqrt{2} \over \pi}U_q (\approx 0,9U_q).$

На практике используется редко, однако большинство вольтметров переменного тока (те, в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала и проградуирована по среднеквадратичным значениям.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки, а под линейным — напряжение между подводящими фазными проводами. При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в $\sqrt{3}$ раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в знаменателе которой стоит линейное напряжение, а в числителе — фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли). Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В.

Стандарты

Объект	Тип напряжения	Значение (на вводе потребителя)	Значение (на выходе источника)
Электрокардиограмма	Импульсное	1-2 мВ	-
Телевизионная антенна	Переменное высокочастотное	1-100 мВ	-
Батарейка AA («пальчиковая»)	Постоянное	1,5 В	-
Литиевая батарейка	Постоянное	3 В	-
Управляющие сигналы компьютерных компонентов	Постоянное	3,5 В, 5 В	-
Батарейка типа 6F22 («Крона»)	Постоянное	9 В	-
Силовое питание компьютерных компонентов	Постоянное	12 В	-
Электрооборудование автомобиля	Постоянное	12/24 В	-
Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов	Постоянное	19 В	-
Сеть «безопасного» пониженного напряжения для работы в опасных условиях	Переменное	36-42 В	-
Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова	Постоянное	55 В	-
Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке)	Постоянное	60 В	-
Напряжение в электросети Японии	Переменное трёхфазное	100/172 В	-
Напряжение в электросети США	Переменное трёхфазное	110/190 В	-
Напряжение в электросети России	Переменное трёхфазное	220/380 В	230/400 В
Разряд электрического ската	Постоянное	до 200—250 В	-
Контактная сеть трамвая и троллейбуса	Постоянное	550 В	600 В
Разряд электрического угря	Постоянное	до 650 В	-
Контактная сеть метрополитена	Постоянное	750 В	825 В
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток)	Постоянное	3 кВ	3,3 кВ
Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности	Переменное трёхфазное	6-20 кВ	6,6-22 кВ
Генераторы электростанций, мощные электродвигатели	Переменное трёхфазное	10-35 кВ	-
Анод кинескопа	Постоянное	7-30 кВ	-
Статическое электричество	Постоянное	1-100 кВ	-
Свеча зажигания автомобиля	Импульсное	10-25 кВ	-
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток)	Переменное	25 кВ	27,5 кВ
Пробой воздуха на расстоянии 1 см		10-20 кВ	-
Катушка Румкорфа	Импульсное	до 50 кВ	-
Пробой трансформаторного масла на расстоянии 1 см		100-200 кВ	-
Воздушная линия электропередачи большой мощности	Переменное трёхфазное	35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ	38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ
Электрофорная машина		50-500 кВ	-
Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные)	Переменное трёхфазное	500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ	545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ
Трансформатор Тесла	Импульсное высокочастотное	до нескольких МВ	-
Генератор Ван де Граафа	Постоянное	до 7 МВ	-
Грозовое облако	Постоянное	От 2 до 10 ГВ	-

См. также

• Источник напряжения
• Список параметров напряжения и силы электрического тока
• Закон Пашена

Ссылки

• Электрическое напряжение — статья из Большой советской энциклопедии
• Напряжение электрическое — статья из Физической энциклопедии
• Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение
• "Глоссарий.ру": Cловарь по естественным наукам.