Напряжение
Под напряжением понимают разность потенциалов между точками участка электрической цепи.
Напряжение – это энергия, которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки a в точку b. Это скалярная физическая величина. Единица измерения — Вольт (В).
Другое определение понятия «напряжение» — это энергия, которую заряд тратит в потребителе, численно равная разности потенциалов на зажимах потребителя.
Считается, что электрический ток всегда течёт от более высокого потенциала к более низкому. Следовательно, на участке ((φа >φb) величина падения напряжения (IR) или (φа=φb +IR), откуда (φа-φb=Uab=IR)). Данная выкладка соответствует участку без источника ЭДС. Напряжение чаще всего называют падением напряжения. Его направление совпадает с направление протекания тока.
С учетом ЭДС напряжение Uac равно φa-φc. Выражая φb через φс получаем:
В случае изменения напряжения, ЭДС
Следовательно, изменение чередования индексов равносильно изменению знака.
В общем случае Uac=Σ(IkRk)+ΣEk, где со знаком плюс в первую сумму входят IR, совпадающие с выбранным направлением. С минусом, если не совпадают.
Во вторую сумму ЭДС входят с минусом, если их направление совпадает с выбранным направлением, а с плюсом наоборот.
Лекции по ТОЭ
- История электротехники
- ТОЭ и электроника
- Основные сведения
- Основные определения
- Топология цепи
- Преобразование цепей
- Элементы электрической цепи
- Режимы работы
- Постояный ток
- Переменный ток
- Постоянный ток
- Переменный ток
- Мощность
- Магнитное поле
- Постоянная МДС
- Переменная МДС
- Ферромагнитные материалы
- Однофазный трансформатор
- Трехфазный трансформатор
- Постоянный ток
- Переменный ток
- Электропривод
- Параметры
- Уравнения
- Схемы замещения
- Фильтры
- Холостой ход
- Короткое замыкание
- Характеристическое сопротивление
- Коэффициент распространения
- Передаточная функция
- Обратные связи
- Общие сведения
- Классический метод
- Операторный метод
- Интеграл Дюамеля
- Основная литература
- Дополнительная литература
- Сборники задач
Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение
Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела.
Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический заряд , т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов, если мы тело заряжаем отрицательно, или отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет обладать определенной степенью электризации, т. е. тем или иным потенциалом, причем тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, — отрицательным потенциалом.
Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов .
Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.
Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.
Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.
Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что иное, как создание разности потенциалов между расческой и волосами человека.
Действительно, при трении расчески о волосы часть электронов переходит на расческу, заряжая ее отрицательно, волосы же, потеряв часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Созданная таким образом разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот обратный переход электронов легко обнаруживается на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Характерное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.
Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела.
Так, например, рассмотрим, что произойдет в куске медной проволоки, если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов.
Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.
Электродвижущая сила и напряжение
Д ля поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.
Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока , обладающие определенной электродвижущей силой , которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.
Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буквой Е . Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой «В», а в международном обозначении — буквой «V».
Итак, чтобы получить непрерывное течение электрического тока, нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электрического тока.
Первым таким источником тока был так называемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким образом, одним из способов получения электродвижущей силы является химическое взаимодействие некоторых веществ, в результате чего химическая энергия превращается в энергию электрическую. Источники тока, в которых таким путем создается электродвижущая сила, называются химическими источниками тока .
В настоящее время химические источники тока — гальванические элементы и аккумуляторы — широко применяются в электротехнике и электроэнергетике.
Другим основным источником тока, получившим широкое распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы .
Генераторы устанавливаются на электрических станциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных предприятий, электрического освещения городов, электрических железных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.
Как у химических источников электрического тока (элементов и аккумуляторов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совершенно одинаково. Оно заключается в том, что ЭДС создает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее длительное время.
Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом.
Соответственно этому один полюс источника тока называется положительным (+), другой — отрицательным (—).
Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов — потребителей тока. Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением и обозначается буквой U.
Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.
Если, например, надо записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U — 12 В.
Для измерения ЭДС или напряжения применяется прибор, называемый вольтметром.
Чтобы измерить ЭДС или напряжение источника тока, надо вольтметр подключить непосредственно к его полюсам. При этом, если электрическая цепь разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.
ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
ЭДС, разность потенциалов и напряжение — что это и в чем разница
В материалах по электротехнике и электронике часто можно встретить три физические величины, имеющие одну и ту же единицу измерения — Вольт: разность электрических потенциалов, электрическое напряжение и ЭДС — электродвижущая сила.
Чтобы раз и навсегда избавиться от путаницы в терминах, давайте разберемся, в чем же заключаются различия между этими тремя понятиями. Для этого подробно рассмотрим каждое из них по отдельности.
Разность электрических потенциалов
На сегодняшний день физикам известно, что источниками электрических полей являются электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля. Когда же мы рассматриваем определенные точки А и В в электростатическом поле известной напряженности E, то можем тут же говорить и о разности электростатических потенциалов между двумя данными точками в текущий момент времени.
Эта разность потенциалов находится как интеграл электрической напряженности между точками А и В, расположенными в данном электрическом поле на определенном расстоянии друг от друга:
Практически такая характеристика как потенциал относится к одному электрическому заряду, который теоретически может быть неподвижно установлен в данную точку электростатического поля, и тогда величина электрического потенциала для этого заряда q будет равна отношению потенциальной энергии W (взаимодействия данного заряда с данным полем) к величине этого заряда:
Отсюда следует, что разность потенциалов оказывается численно равна отношению работы A (работа по сути — изменение потенциальной энергии заряда), совершаемой данным электростатическим полем при переносе рассматриваемого заряда q из точки поля 1 в точку поля 2, к величине данного пробного заряда q:
В этом и заключается практический смысл термина «разность потенциалов», применительно к электротехнике, электронике, и вообще — к электрическим явлениям.
И если мы говорим о какой-нибудь электрической цепи, то можем судить и о разности потенциалов между двумя точками такой цепи, если в ней в данный момент действует электростатическое поле, причем как раз потому, что рассматриваемые точки цепи будут находится одновременно и в электростатическом поле определенной напряженности.
Как было сказано выше, разность электрических потенциалов измеряется в вольтах (1 вольт = 1 Дж/1Кл).
Электростатическое поле — электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами. Для того, чтобы электрические заряды были неподвижны, на них не должны действовать силы в тех местах, где эти заряды могли бы двигаться. Но внутри проводников заряды могут свободно двигаться, поэтому при наличии электрического поля внутри проводников в них возникло бы движение зарядов (электрический ток).
Следовательно, заряды могут оставаться неподвижными только в том случае, если они создают такое поле, которое везде внутри проводников равно нулю, а на поверхности проводников направлено перпендикулярно к поверхности (т. к. иначе заряды двигались бы вдоль поверхности).
Для этого неподвижные заряды должны располагаться только по поверхности проводников и при том именно таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводников было равно нулю, а на поверхности перпендикулярно к ней.
Все сказанное относится к случаю неподвижных зарядов. В случае движения зарядов, т. е. наличия токов в проводниках, в них должно существовать электрическое поле (т. к. иначе не могли бы течь токи) и, следовательно, движущиеся заряды располагаются в проводниках, вообще говоря, не так, как неподвижные, и создают электрические поля, отличные по своей конфигурации от электростатического поля. Но по своим свойствам электростатическое поле ничем не отличается от электрического поля движущихся зарядов.
Электрическое напряжение U
Теперь рассмотрим такое понятие как электрическое напряжение U между точками А и В в электрическом поле или в электрической цепи. Электрическим напряжением называется скалярная физическая величина, численно равная работе эффективного электрического поля (включая и сторонние поля!), совершаемой при переносе единичного электрического заряда из точки А в точку В.
Электрическое напряжение измеряется в вольтах, как и разность электрических потенциалов. В случае с напряжением принято считать, что перенос заряда не изменит распределения зарядов, являющихся источниками эффективного электростатического поля. И напряжение в этом случае будет складываться из работы электрических сил и работы сторонних сил.
Если сторонние силы отсутствуют, то работу совершит лишь потенциальное электрическое поле, и в этом случае электрическое напряжение между точками А и В цепи будет численно в точности равно разности потенциалов между данными точками, то есть отношению работы по переносу заряда из точки А в точку В к величине заряда q:
Однако в общем случае напряжение между точками A и B отличается от разности потенциалов между этими точками на работу сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:
Эту работу сторонних сил как раз и называют электродвижущей силой на данном участке цепи, сокращенно — ЭДС:
Электродвижущая сила — ЭДС
Электродвижущая сила — ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.
ЭДС является скалярной физической величиной, характеризующей работу непосредственно действующих сторонних сил (любых сил за исключением электростатических) в цепях постоянного или переменного тока. В частности, в замкнутой проводящей цепи ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Здесь при необходимости вводят в рассмотрение электрическую напряженность сторонних сил Еex, являющуюся векторной физической величиной, равной отношению величины действующей на пробный электрический заряд сторонней силы к величине данного заряда. Тогда в замкнутом контуре L ЭДС будет равна:
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке электрической цепи. Это будет, по сути, удельная работа сторонних сил лишь на рассматриваемом ее участке. ЭДС гальванического элемента, к примеру, есть ни что иное, как работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда только внутри этого гальванического элемента, а именно — от одного его полюса к другому.
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит (!) от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока за пределами данного источника равна нулю.
ЭДС может быть получена различными способами, из которых можно назвать следующие:
- при помощи источников ЭДС, использующих химические процессы (гальванические элементы, аккумуляторы — химические источники тока);
- при помощи источников ЭДС, в которых используются свойства магнитного поля (электрические машины — генераторы);
- при помощи источников ЭДС, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую (термоэлектрические преобразователи);
- при помощи источников ЭДС, преобразующих энергию светового излучения в электрическую (фотоприемники, солнечные батареи).
- Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры
- Что такое индуктивная и емкостная нагрузка
- Трёхфазная система электроснабжения
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Разность потенциалов и электрический ток
Не до конца понимаю суть электрического тока. Интересуюсь для себя, не домашнее задание.
Допустим, есть источник постоянного тока, создающий достаточное напряжение для обнаружения тока в этом эксперименте. Подсоединим к «минусу» провод и воткнём другой конец в землю (в прямом смысле — закопаем конец провода) . Будет ли пл проводу течь ток? Ведь наверняка есть некая разница потенциалов.
Какой результат даст тот же эксперимент при подсоединении к плюсу? С переменным током?Лучший ответ
Для некоторых физических величин абсолютная величина — не определена, значение имеет только разность величин. К таким относится и электрический потенциал. Рассмотрим источник постоянного тока (гальванический элемент, аккумулятор) , для определенности, с разностью потенциалов, равной 1,5 В. Чему равны абсолютные потенциалы его полюсов, определить невозможно. Поэтому, условно, потенциал одного из них принимают за 0. Если мы примем за ноль потенциал катода (минусовой конец) , то потенциал анода (плюсовой конец) считаем равным (+1,5) В. Если примем за ноль потенциал анода, то потенциал катода считаем равным (-1,5) В. Если мы соединим (например плюс с плюсом, т. е. аноды) двух источников А и В (для разнообразия с разными ЭДС, например у А 1,5 В, у Б 6 В) .
Тогда естественно, за ноль принять потенциал соединенных между собой точек (анодов) . Тогда относительно этой точки потенциалы других концов (катодов) равны у А (-1,5) В, у Б (-6) В, а между катодами будет разность потенциалов 4,5 В, причем потенциал катода Б относительно катода А равен (-4,5) В, а потенциал катода А относительно катода Б (+4,5) В.
Если мы соединим анод А с катодом Б, то за ноль, опять, естественным образом, примем точку соединения. Тогда катод А относительно общей точки имеет потенциал (-1,5) В, а потенциал анода Б относительно общей точки имеет потенциал (+6) В. Относительно катода А анод Б имеет потенциал (+7,5) В, а потенциал катода А относительно анода Б имеет потенциал (-7,5) В.
Во многих случаях в электротехнике и электронике применяется заземление. Условились всегда считать, (хотя конечно в некоторых ситуациях могут быть исключения) , что потенциал всех точек Земли одинаков, и каким бы (в абсолютном смысле) он ни был, считать его равным нулю.
Теперь, рассмотрим описанную Вами ситуацию (заземление) одного конца источника тока (пусть это будет рассмотренный нами выше элемент Б с ЭДС 6 В) . Для определенности, предположим, что каким-то образом (например, с использованием электрофорной машинки) мы сообщили катоду элемента потенциал (относительно земли) +100 В. Тогда потенциал анода станет равным +106 В. Теперь заземляем катод. Как только мы подведем провод достаточно близко к земле (доли миллиметра) , то проскочит искра, (как при разряде конденсатора или срабатывании пьезоэлемента, например в зажигалке) , т. е пробежит кратковременный (микросекунды) ток, и потенциалы катода и земли выровняются. На этом всё. Больше ток идти не будет. Для того, чтобы пошел ток, мы должны и анод соединить с землей. Но это будет по сути — короткое замыкание. А если соединим через лампочку от фонарика, то будет идти нормальный ток до тех пор, пока не разрядится источник или мы не разорвем контакт.
Я не случайно, перед заземлением катода «зарядил» катод источника потенциалом +100 В, чтобы наглядно показать, что в момент соединения кратковременный ток проскочит. Реально источник ведь не висел до этого в вакууме, он где-то на чем-то лежал, а это что-то имеет связь с землей. Поэтому сам по себе источник (и его электроды) не может иметь такой большой потенциал (как в примере +100 В) относительно земли, в худшем случае какие-то доли вольта, поэтому, при соединении с землей только одного электрода источника (неважно, катода или анода) , мы реально никакого тока не заметим, и можно считать, что в этот момент ток не идет.
Переменный ток. Рассмотрим однофазный генератор, с частотой 50 герц и с амплитудой напряжения 220 В. Один конец обмотки соединим с землей и обозначим З (заземленный) , другой конец обозначим С (свободный) . Пока ротор (якорь) не вращается, потенциалы обоих концов обмотки одинаковы, и равны нулю. Когда мы приведем ротор во вращение, то на конце С появится потенциал, допустим что положительный. В течение 0,005 с (секунд) он растет (по синусоиде) до +220 В, в течение следующих 0,005 с снижается до нуля, в течение следующих 0,005 с он уменьшается до (-220) В, в течение следующих 0,005 с растет до нуля и т. д.
К сожалению, больше нет места.Остальные ответы
Те же результаты — будет разность потенциалов, будет ток.Я думаю так. Если заряженное тело (неважно положительно или отрицательно) соеденить с землей проводом, то по нему потечет ток. Если в качестве источника тока вы собираетесь использовать гальванический елемент или аккумулятор, то при соединении одного из его полюсов тока не будет, чтобы он тек нужно соеденить с землей оба полюса — замкнуть цепь. В гальваническом элементе анод (и катод) сами по себе не заряжены, разность потенциалов образуется за счет химической реакции для протекания которой нужно поступление зарядов на один электрод и уход с другого, т. е. замкнутая цепь. Что касается переменного — в розетку подходят два провода: «фаза» и «ноль», если соединить с землей проводом «фазу» то по нему потечет ток (и по земле от провода тоже) , если соединить «ноль» не будет ничего.
Если коротко, чтобы шел ток, должна быть замкнутая цепь. Есть батарея, + и -, разность потенциалов между ними, а не между одним из них — и землей, поэтому при втыкании любого из них в грунт никакого тока не будет. При переменном токе все немного иначе, то, что наз. «ноль» соединено с массой, зазаемлением, поэтому ток между фазой и закопанным в грунт проводом будет. Если взять отдельный генератор переменного тока и не заземлять нулевой провод — да хоть и фазовый, это достаточно условно, никакого тока не будет — ему неоткуда взяться, замкнутой цепи нет, Примерно так))