Электр напряжение. Что такое ток и напряжение простыми словами

Инструкция

Электрическое напряжение измеряют вольтметрами, которые делятся на милливольтметры, вольтметры, киловольтметры и т.д.

Трехфазные сети

Вся энергосистема планеты строится на трехфазной сети. Она несет два вида напряжения: линейное и фазное . Линейное напряжение сети – это напряжение между двумя проводниками, а фазовое – между проводником и нейтральным проводом или нулем. Поэтому, когда мы подсоединяем нагрузку по треугольной схеме, линейное напряжение становится равным фазовому, а когда мы подсоединяем нагрузку по схеме «звезда», то линейное напряжение увеличивается в корень из трех раз. Отсюда такие обозначения трехфазной сети, как 220/380 В или 127/220 В. Первое число указывает на фазовое напряжение, а второе – на линейное.
Для общего представления о величинах электрического напряжения на различных объектах, приведем их.

Напряжение на некоторых объектах

Напряжение между электродами, когда снимают электрокардиограмму, - 1-2 мВ.
Пальчиковая батарейка – 1,5 В.
Телефонная линия – 60 В.
Электрический угорь – 650 В.
Высокочастотная телевизионная антенна – от 1 до 100 мВ.
Контакты трамвайной линии – 550 В.
Грозовое облако – 10 гигавольт.

Когда оборванный провод касается земли, может возникнуть шаговое напряжение. До определенного момента оно не очень опасно. Смертельным оно становится лишь тогда, когда меняется путь движения электричества в человеческом теле.

Шаговое напряжение – напряжение шага одного человека. Ноги представляют собой контакты, и ток движется по замкнутой цепи нога-нога. Это – опасное состояние, но не смертельное, так как через сердце проходит мизерная часть электричества. Если ток приведет к неконтролируемым сокращениям мышц и человек упадет, поменяется путь прохождения тока и увеличится шаговое напряжение . Это – смертельная ситуация. Ее ни в коем случае нельзя допустить. Для этого выходить из опасной зоны надо быстро, но очень маленькими шажками, так как шаговое напряжение прямо пропорционально расстоянию между точками контакта. Но лучше скакать на одной ноге из зоны поражения.

Электрическое напряжение - это энергетическая характеристика электрического поля. Напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряженной частицы q к величине заряда данной частицы.

Если для перемещения заряда величиной один кулон совершили работу величиной один джоуль, то величина электрического напряжения - один вольт. Вольт - единица измерения напряжения по международной системе СИ. Названа в честь Алессандро Вольта, который открыл первый в мире источник электрической энергии (гальванический элемент).

Об электрическом напряжении иногда говорят как о разности потенциалов. Допустим, что потенциал одной точки поля равен 5 кулон, а второй точки поля 10 кулон. Напряжение между двумя точками будет равно разности потенциалов двух точек 10 Кл - 5 Кл = 5 В.

Для записи значения напряжения часто используют киловольты (1 кВ=1000 В), милливольты (1 мВ=0,001 В). Реже встречается величина мегавольт (1 МВ=1000 кВ), гигавольт (1 ГВ=1000 МВ), а также микровольт (1 мкВ=0,001 мВ) и нановольт (1 н=0,001 мкВ). Как правило, в электроустановках рабочим напряжением до 1000 В для обозначения параметра используют вольты, а в электроустановках свыше 1000 В - киловольты. Для определения значения напряжения используют специальные электроизмерительные приборы - вольтметры. В зависимости от величины измеряемого напряжения помимо вольтметров применяют милливольтметры и киловольтметры.

Электрическое напряжение в трехфазной сети

Основа всей нашей энергосистемы - трехфазная сеть. В трехфазной сети различают два вида электрического напряжения: линейное и фазное. Линейное напряжение сети - это напряжение между двумя линейными проводами трехфазной сети. Фазное напряжение сети - значение напряжения между началом и концом одной из трех фаз электрической сети, то есть напряжение между линейным проводом и нейтральным (нулевым) проводом. При соединении нагрузки потребителей по схеме "треугольник" линейное напряжение равно фазному напряжению сети. При соединении потребителей электрической энергии по схеме "звезда" линейное напряжение в корень из трех больше фазного. Например, линейное напряжение 380 вольт, а фазное напряжение - 220 вольт.

Напряжение в трехфазной сети принято обозначать дробью, в которой числитель - фазное напряжение сети, а знаменатель - линейное напряжение сети. Например, 127/220 В, 220/380 В, 380/660 В.

Существует общепринятый ряд стандартных (номинальных) значений напряжений в трехфазной электрической сети:

В электроустановках до 1000 В: 127, 220, 380, 660 В. - в электроустановках выше 1000 вольт: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 кВ. Значительное превышение определенного стандартами номинального значения напряжения именуется .

Номинальные значения электрического напряжения некоторых объектов

(объект, тип и величина напряжения):

электрокардиограмма: импульсное, 1-2 мВ;
пальчиковая батарейка: постоянное, 1,5 В;
антенна телевизионная: высокочастотное, 1-100 мВ;
батарея «крона»: постоянное, 9 В;
питание ноутбука: постоянное, 12 В;
телефонная линия: постоянное, 60 В;
разряд угря электрического: постоянное, 650 В;
разряд ската электрического: постоянное, 250 В;
контактная система трамвая: постоянное, 550 В;
электросеть России: переменное 220/380 В;
электросеть США: переменное 110/190 В;
электросеть Японии: переменное 100/172 В.
грозовое облако: постоянное, до 10 ГВ. (10 гигавольт = 10000000000 вольт!!!)

Прежде чем рассматривать понятие напряжение электрического тока, кратко напомним понятие тока вообще. В самом общем понятии - это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц (электронов), производимое под воздействием электрического поля. Также нельзя забывать и о силе тока - одной из основных величин электричества. При перемещении зарядов электрическое поле совершает определенную работу.

Принцип действия напряжения тока

Чем больший заряд необходимо переместить за 1 секунду в электрической цепи, тем большую работу совершает электрическое поле. Поэтому его работа полностью зависит от . Однако, кроме силы тока существует еще одна величина, влияющая на работу. Это и будет напряжение, о котором пойдет речь.

Напряжение это отношение работы тока на отрезке цепи к величине заряда, проходящего по этому участку электрической цепи. Иначе говоря, это работа (энергия), расходуемая при перемещении одного положительного заряда из точки с маленьким потенциалом в точку с большим потенциалом. Напряжение определяют еще как разность потенциалов или электродвижущую силу.

Единицей измерения работы электрического тока является джоуль (Дж), электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Таким образом, единица измерения напряжения - 1 Дж/Кл. Эту единицу назвали вольт (В), в честь Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта (1745-1827) - итальянского ученого физика и химика, одного из основоположников учения об электричестве.

Как на практике работает эта единица измерения

Если объяснять просто, для непосвященных, вольт будет считаться мерой «давления» или воздействия, заставляющее электрический ток передвигаться по цепи или проводу. В то же время ампер будет его мерой «объема». Чтобы наглядно объяснить работу вольта и ампера, в качестве примера можно использовать принцип «воды в шланге». Здесь напряжение в вольтах будет аналогично давлению воды, а сила в амперах - объему воды. Если вода поступает в шланг без наконечника, то через него проходит большое количество воды (), давление, при этом возникает небольшое (вольт). Когда мы прижимаем наконечник шланга пальцем, то объем проходящей по нему воды снижается, зато давление воды увеличивается и струя брызгает намного дальше.

Сравнивая этот пример с электричеством, мы видим, что сила тока - это количество электронов, проходящих по проводу, а напряжение показывает нам, с какой силой эти электроны проталкиваются. Из этого следует вывод, что при одинаковом напряжении у провода, проводящего больший электрический ток, должен быть и больший диаметр.

Для возникновения напряжения в электрической сети обязательно необходим какой - либо источник тока. Когда электрическая цепь находится в разомкнутом состоянии, то напряжение существует лишь на клеммах самого источника. При включении источника тока в электрическую цепь, на отдельных ее участках возникает напряжение. Одновременно в цепи возникает сила тока. Наблюдаем взаимосвязь: без напряжения - нет и силы тока.

Для измерения напряжения используют специальный электроизмерительный прибор, который называется вольтметр. По своему внешнему виду он, практически, похож на , и отличается лишь шкалой. На шкале у амперметра - буква «А », у вольтметра - буква «V ». При проведении измерений амперметр включается в цепь последовательно, а вольтметр -параллельно.

Это проходящие через проводник электроны, несущие отрицательный заряд. Объем этого заряда или, иными словами, количество электричества характеризует силу тока . Мы знаем, что сила тока одинакова во всех местах цепи.

Электроны не могут исчезать или «спрыгивать» с проводов и нагрузки. Поэтому, силу тока мы можем измерить в любом месте электрической цепи . Однако, будет ли одинаковым действие тока на разные участки этой цепи? Давайте разберемся.

Проходя по проводам, ток лишь слегка их нагревает, однако не совершает при этом большой работы. Проходя же через спираль электрической лампочки, ток не просто сильно нагревает ее, он нагревает ее до такой степени, что она, раскаляясь, начинает светиться. То есть в данном случае ток совершает механическую работу , и довольно приличную работу. Ток тратит свою энергию. Электроны в том же количестве продолжают бежать дальше, но энергии у них уже поменьше.

Определение электрического напряжения

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии . То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока - это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

где U - напряжение,
A - работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи - все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах ? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

где U - напряжение, A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока ? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

2) Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются

связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются

вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов

Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств

проводников - ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,

не распростаняется на диэлектрики.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о

«потенциале диэлектрика» не приходится.

Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.

Ионная - смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 −13 с, без потерь.

Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

Самопроизвольная (спонтанная) - благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)

Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.