Электрическое напряжение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Напряже́ние
U
Размерность

L2MT-3I-1

Единицы измерения
СИ

вольт

 ⛭  Классическая электродинамика
VFPt Solenoid correct2.svg
Электричество · Магнетизм
См. также: Портал:Физика

Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поляфизическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля (включающего сторонние поля), совершаемой при переносе единичного пробного электрического заряда из точки A в точку B[1].

При этом считается, что перенос пробного заряда не изменяет распределения зарядов на источниках поля (по определению пробного заряда). Напряжение в общем случае формируется из вкладов двух работ: работы электрических сил и работы сторонних сил . Если на участке цепи не действуют сторонние силы (то есть, ), работа по перемещению включает только работу потенциального электрического поля (которая не зависит от пути, по которому перемещается заряд), и электрическое напряжение между точками A и B совпадает с разностью потенциалов между этими точками (поскольку ). В общем случае напряжение между точками A и B отличается от разницы потенциалов между этими точками[2] на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда. Эту работу называют электродвижущей силой на данном участке цепи:

Определение электрического напряжения можно записать в другой форме. Для этого нужно представить работу как интеграл вдоль траектории L, проложенной из точки A в точку B.

— интеграл от проекции эффективной напряжённости поля (включающего сторонние поля) на касательную к траектории L, направление которой в каждой точке траектории совпадает с направлением вектора в данной точке. В электростатическом поле, когда сторонних сил нет, значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов.

Размерность электрического напряжения в Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ), на которой основана Международная система единиц (СИ), — L2MT-3I-1. Единицей измерения напряжения в СИ является вольт (русское обозначение: В; международное: V).

Понятие напряжение ввёл Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 году эмпирического закона Ома: .

Напряжение в цепях постоянного тока[править | править вики-текст]

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

Напряжение в цепях переменного тока[править | править вики-текст]

Для описания цепей переменного тока применяются следующие напряжения:

  • мгновенное напряжение;
  • амплитудное значение напряжения;
  • среднее значение напряжения;
  • среднеквадратичное значение напряжения;
  • средневыпрямленное значение напряжения.

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Зависит от времени (является функцией времени):

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

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

Для сети переменного синусоидального напряжения со среднеквадратичным значением 220 В амплитудное напряжение равно приблизительно 311,127 В.

Амплитудное напряжение можно измерить с помощью осциллографа.

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) есть напряжение, определяемое за весь период колебаний, как:

Для синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения (устаревшие наименования: действующее, эффективное) есть напряжение, определяемое за весь период колебаний, как:

Среднеквадратичное значение напряжения наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу (например, лампа накаливания имеет ту же яркость свечения, нагревательный элемент выделяет столько же тепла), что и равное ему постоянное напряжение.

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

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

Средневыпрямленное значение напряжения есть среднее значение модуля напряжения:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

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[править | править вики-текст]

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки относительно нейтрали, 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 раз больше фазного.

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

Характерные значения и стандарты[править | править вики-текст]

Объект Тип напряжения Значение (на вводе потребителя) Значение (на выходе источника)
Электрокардиограмма Импульсное 1-2 мВ -
Телевизионная антенна Переменное высокочастотное 1-100 мВ -
Гальванический цинковый элемент типа АА («пальчиковый») Постоянное 1,5 В -
Литиевый гальванический элемент Постоянное 3 В — 3,5 В (в исполнении пальчикового элемента, на примере Varta Professional Lithium, AA) -
Логические сигналы компьютерных компонентов Импульсное 3,5 В; 5 В -
Батарейка типа 6F22 («Крона») Постоянное 9 В -
Силовое питание компьютерных компонентов Постоянное 5 В, 12 В -
Электрооборудование автомобилей 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 домашних электросетях США Переменное трёхфазное 120 В / 240 В (сплит-фаза) -
Напряжение в бытовых электросетях 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 -
На аноде кинескопа Постоянное 7—30 кВ -
Статическое электричество Постоянное 1—100 кВ -
На свече 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 слоя трансформаторного масла толщиной 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 Постоянное 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 -

Литература[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Миллер М. А., Пермитин Г. В. Напряжение электрическое // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 244—245. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
  2. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики. — 1977. — Т. 2.

Ссылки[править | править вики-текст]