Напряжение - Voltage

Напряжение
	Аккумуляторы являются источниками напряжения во многих электрические цепи.
Общие символы	V , ∆V , U , ∆U
Единица СИ	вольт
Производные от; другие количества	Напряжение = Энергия / обвинять
Измерение	M L2 Т−3 я−1

Напряжение, разность электрических потенциалов, электрическое давление или же электрическое напряжение разница в электрический потенциал между двумя точками, которые (в статике электрическое поле ) определяется как работай необходимо на единицу заряда для перемещения тестовая зарядка между двумя точками. в Международная система единиц, то производная единица для напряжения (разности потенциалов) называется вольт.^[1]^:166 В единицах СИ работа на единицу заряда выражается как джоули на кулон, где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон (заряда). Старое определение СИ для вольт использовал мощность и Текущий; начиная с 1990 г. квантовый зал и Эффект джозефсона были использованы, а недавно (2019 г.) были введены фундаментальные физические константы для определения всех единиц СИ и производных единиц.^[1]^{:177f, 197f} Напряжение или разность электрических потенциалов символически обозначается как $∆ V$ , упрощенный V,^[2] или же U,^[3] например в контексте Ома или же Законы цепи Кирхгофа.

Разность электрических потенциалов между точками может быть вызвана электрическим зарядом, электрическим током через магнитное поле, изменяющимися во времени магнитными полями или некоторой комбинацией этих трех.^[4]^[5] А вольтметр может использоваться для измерения напряжения (или разности потенциалов) между двумя точками в системе; часто общий опорный потенциал, такой как земля системы используется как одна из точек. Напряжение может представлять собой либо источник энергии (электродвижущая сила ) или потерянная, использованная или сохраненная энергия (потенциальное падение ).

Определение

Существует несколько полезных способов определения напряжения, включая стандартное определение, упомянутое в начале этой страницы. Существуют также другие полезные определения работы за плату (см. эта секция ).

Напряжение определяется таким образом, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высоким напряжениям, а положительно заряженные объекты - к более низким напряжениям. Следовательно обычный ток в проводе или резистор всегда течет от более высокого напряжения к более низкому напряжению.

Исторически для обозначения напряжения использовались такие термины, как «напряжение» и «давление». Даже сегодня термин «напряжение» все еще используется, например, во фразе «высокое напряжение "(HT), который обычно используется в термоэмиссионных клапанах (вакуумная труба ) на базе электроники.

Определение как потенциал электрического поля

Повышение напряжения с некоторой точки ${extstyle x_ {A}}$ в какой-то момент ${extstyle x_ {B}}$ дан кем-то

{displaystyle {egin {align} Delta V_ {AB} & = V (x_ {B}) - V (x_ {A}) & = - int _ {r_ {0}} ^ {x_ {B}} {vec {E}} cdot d {vec {l}} - left (-int _ {r_ {0}} ^ {x_ {A}} {vec {E}} cdot d {vec {l}} ight) & = -int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {vec {E}} cdot d {vec {l}} конец {выровнено}}}

Электрическое поле вокруг стержня действует на заряженный стержневой шар в электроскоп

В этом случае увеличение напряжения от точки A к точке B равно работе, совершаемой на единицу заряда против электрического поля, по перемещению заряда от точки A к точке B без какого-либо ускорения. Математически это выражается как линейный интеграл из электрическое поле по этому пути. Согласно этому определению, разность напряжений между двумя точками не определяется однозначно при наличии изменяющихся во времени магнитных полей, поскольку электрическая сила не является величиной консервативная сила в таких случаях.

В статическом поле работа не зависит от пути

Если используется это определение напряжения, любая цепь, в которой есть изменяющиеся во времени магнитные поля,^{[примечание 1]} такие как схемы, содержащие индукторы, не будет иметь четко определенного напряжения между узлами в цепи. Однако, если магнитные поля надлежащим образом содержатся в каждом компоненте, то электрическое поле является консервативным во внешней области.^{[заметка 2]} к компонентам, и напряжения четко определены в этой области.^[6] В этом случае напряжение на катушке индуктивности, если смотреть снаружи, оказывается равным

${displaystyle U = Delta V = -L {frac {dI} {dt}}}$

несмотря на то, что внутренне электрическое поле в катушке равно нулю^[6] (при условии, что это идеальный дирижер).

Определение через разложение электрического поля

Используя приведенное выше определение, электрический потенциал не определяется всякий раз, когда магнитные поля меняются со временем. В физике иногда полезно обобщить электрический потенциал, рассматривая только консервативную часть электрического поля. Это делается с помощью следующей декомпозиции, используемой в электродинамика:

${displaystyle {vec {E}} = - abla V- {frac {partial {vec {A}}} {partial t}}}$

куда ${extstyle {vec {A}}}$ это магнитный векторный потенциал. Приведенное выше разложение оправдано Теорема Гельмгольца.

В этом случае увеличение напряжения от ${extstyle x_ {A}}$ к ${extstyle x_ {B}}$ дан кем-то

${displaystyle {egin {align} Delta V_ {AB} & = - int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {vec {E}} _ {mathrm {conservative}} cdot d {vec {l} } & = - int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} left ({vec {E}} + {frac {partial {vec {A}}} {partial t}} ight) cdot d { vec {l}} & = - int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} ({vec {E}} - {vec {E}} _ {mathrm {индуцированный}}) cdot d {vec {l}} конец {выровнено}}}$

куда ${extstyle {vec {E}} _ {mathrm {индуцированный}}}$ - вращательное электрическое поле из-за изменяющихся во времени магнитных полей. В этом случае напряжение между точками всегда определяется однозначно.

Лечение в теории цепей

В анализ схем и электротехника, напряжение на катушке индуктивности не считается нулевым или неопределенным, как предполагает стандартное определение. Это потому, что инженеры-электрики используют модель с сосредоточенными элементами для представления и анализа схем.

При использовании модели с сосредоточенными элементами предполагается, что в области, окружающей цепь, нет магнитных полей и что их влияние содержится в `` сосредоточенных элементах '', которые представляют собой идеализированные и автономные элементы схемы, используемые для моделирования физических компонентов. .^[7] Если предположение о незначительной утечке полей слишком неточно, их эффекты можно смоделировать с помощью паразитарные компоненты.

Однако в случае физического индуктора идеальное сосредоточенное представление часто бывает точным. Это связано с тем, что поля катушки индуктивности, как правило, незначительны, особенно если катушка индуктивности тороид. Если утечки полей незначительны, мы обнаруживаем, что

${displaystyle int _ {mathrm {external}} {vec {E}} cdot d {vec {l}} = - L {frac {dI} {dt}}}$

не зависит от пути, и на выводах индуктора имеется четко определенное напряжение.^[6] Это причина того, что измерения с помощью вольтметра на катушке индуктивности часто достаточно независимы от размещения измерительных проводов.

Вольт

Вольт (обозначение: $V$ ) это производная единица за электрический потенциал, разность электрических потенциалов, и электродвижущая сила. Вольт назван в честь итальянского физика. Алессандро Вольта (1745–1827), который изобрел гальваническая свая, возможно, первый химический аккумулятор.

Гидравлическая аналогия

Простая аналогия для электрическая цепь течет вода в замкнутом контуре трубопровод, управляемый механическим насос. Это можно назвать «водяным контуром». Возможная разница между двумя точками соответствует перепад давления между двумя точками. Если насос создает разницу давлений между двумя точками, тогда вода, текущая из одной точки в другую, сможет выполнять работу, например, приводить в движение турбина. Точно так же работу может выполнять электрический ток управляемый разностью потенциалов, обеспечиваемой аккумулятор. Например, напряжение, обеспечиваемое достаточно заряженным автомобильным аккумулятором, может «протолкнуть» большой ток через обмотки автомобильного аккумулятора. пусковой двигатель. Если насос не работает, он не создает перепада давления, и турбина не вращается. Точно так же, если автомобильный аккумулятор очень слабый или «мертвый» (или «разряженный»), он не будет включать стартер.

Гидравлическая аналогия - полезный способ понять многие электрические концепции. В такой системе работа по перемещению воды равна давление умноженный на объем воды переместилось. Точно так же в электрической цепи работа, выполняемая для перемещения электронов или других носителей заряда, равна «электрическому давлению», умноженному на количество перемещенных электрических зарядов. Что касается «потока», чем больше «разница давлений» между двумя точками (разность потенциалов или разница давлений воды), тем больше поток между ними (электрический ток или поток воды). (Видеть "электроэнергия ".)

Приложения

Работа над высокое напряжение линии электропередач

Определение измерения напряжения требует явного или неявного указания точек, в которых измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения разности потенциалов один электрический провод вольтметра должен быть подключен к первой точке, а другой - ко второй точке.

Обычно термин «напряжение» используется для описания падения напряжения на электрическом устройстве (например, резисторе). В падение напряжения поперек устройства можно понимать как разницу между измерениями на каждом выводе устройства по отношению к общей контрольной точке (или земля ). Падение напряжения - это разница между двумя показаниями. Две точки в электрической цепи, соединенные идеальным проводником без сопротивления и не в пределах изменяющейся магнитное поле иметь нулевое напряжение. Любые две точки с одинаковым потенциалом могут быть соединены проводником, и ток между ними не будет.

Сложение напряжений

Напряжение между А и C это сумма напряжений между А и B и напряжение между B и C. Различные напряжения в цепи можно вычислить, используя Законы цепи Кирхгофа.

Когда мы говорим о переменный ток (AC) существует разница между мгновенным напряжением и средним напряжением. Мгновенные напряжения могут быть добавлены для постоянный ток (Постоянного тока) и переменного тока, но средние напряжения могут быть осмысленно добавлены только тогда, когда они применяются к сигналам, которые имеют одинаковую частоту и фазу.

Измерительные приборы

Мультиметр набор для измерения напряжения

К приборам для измерения напряжения относятся: вольтметр, то потенциометр, а осциллограф. Аналоговые вольтметры, такие как приборы с подвижной катушкой, работают, измеряя ток через фиксированный резистор, который, согласно Закон Ома, пропорционально напряжению на резисторе. Потенциометр работает, уравновешивая неизвестное напряжение с известным напряжением в мостовая схема. Электронно-лучевой осциллограф работает за счет усиления напряжения и его использования для отклонения электрон луч с прямой траектории, чтобы отклонение луча было пропорционально напряжению.

Типичные напряжения

Общее напряжение для батарейки для фонарика составляет 1,5 В постоянного тока. Общее напряжение для автомобильные аккумуляторы составляет 12 вольт (постоянный ток).

Стандартные напряжения, подаваемые энергокомпаниями потребителям, составляют от 110 до 120 вольт (переменного тока) и от 220 до 240 вольт (переменного тока). Напряжение в передача электроэнергии линии, используемые для распределения электроэнергии от электростанций, могут быть в несколько сотен раз больше, чем напряжение потребителей, обычно от 110 до 1200 кВ (переменного тока).

Напряжение, используемое в воздушные линии для питания железнодорожных локомотивов составляет от 12 кВ до 50 кВ (переменного тока) или от 0,75 кВ до 3 кВ (постоянного тока).

Гальванический потенциал против электрохимического потенциала

Внутри проводящего материала на энергию электрона влияет не только средний электрический потенциал, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. вольтметр связан между двумя разными типами металла, он измеряет не разность электростатических потенциалов, а что-то еще, на что влияет термодинамика.^[8]Величина, измеренная вольтметром, является отрицательной величиной разности электрохимический потенциал электронов (Уровень Ферми ), деленное на заряд электрона и обычно называемое разностью напряжений, в то время как чистая нескорректированная электростатический потенциал (не измеряется вольтметром) иногда называют Гальванический потенциал. Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к либо из них в разных контекстах.

История

Период, термин электродвижущая сила впервые был использован Вольтой в письме к Джованни Альдини в 1798 г. и впервые появилась в опубликованной статье в 1801 г. Анналы химии и тела.^[9]^:408 Под этим Вольта имел в виду силу, которая не была электростатический сила, в частности, электрохимический сила.^[9]^:405 Срок был принят Майкл Фарадей в связи с электромагнитная индукция в 1820-е гг. Однако четкого определения напряжения и метода его измерения в то время не было разработано.^[10]^:554 Вольта отличил электродвижущую силу (ЭДС) от напряжение (разность потенциалов): наблюдаемая разность потенциалов на выводах электрохимической ячейки, когда она была разомкнута, должна точно уравновешивать ЭДС ячейки, чтобы ток не протекал.^[9]^:405

Смотрите также

Переменный ток (AC)
Постоянный ток (ОКРУГ КОЛУМБИЯ)
Электрический потенциал
Поражение электрическим током
Электрические измерения
Электрохимический потенциал
Уровень Ферми
Высокое напряжение
Сети электроэнергии (статья о напряжениях в бытовых электросетях)
Электроэнергия по странам (список стран с сетевым напряжением и частотой)
Закон Ома
Ом
Холостое напряжение
Фантомное напряжение

Сноски

^ Если есть изменяющиеся во времени электрические поля или ускоряющие заряды, тогда будут изменяющиеся во времени магнитные поля. Это означает, что в цепях переменного тока всегда есть некоторые неограниченные магнитные поля. Однако ими пренебрегают, за исключением высоких частот.
^ Это основано на том факте, что каждый компонент имеет конечный объем. Если бы компонент имел бесконечную протяженность, область, внешняя по отношению к компонентам, не была бы односвязной, и, следовательно, интегралы через нее все равно зависели бы от пройденного пути.

внешняя ссылка

Электрическое напряжение V, Текущий я, удельное сопротивление р, импеданс Z, мощность п

[SI-Bro-1] а ^б Международное бюро мер и весов (2019-05-20), Брошюра СИ: Международная система единиц (СИ) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0

[2] IEV: электрический потенциал

[3] IEV: Напряжение

[4] Деметриус Т. Пэрис и Ф. Кеннет Херд, Основная электромагнитная теория, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1969, ISBN 0-07-048470-8, стр. 512, 546

[5] П. Хэммонд, Электромагнетизм для инженеров, п. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336.

[:0-8] а ^б ^c Р. Фейнман; и другие. "Лекции Фейнмана по физике, том II, глава 22: Цепи переменного тока". Калтех. Получено 4 декабря 2018.

[9] А. Агарвал и Дж. Ланг (2007). «Курсовые материалы по 6.002 Схемы и электроника» (PDF). MIT OpenCourseWare. Получено 4 декабря 2018.

[10] Багоцкий, Владимир Сергеевич (2006). Основы электрохимии. п. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.

[Varney-11] а ^б ^c Роберт Н. Варни, Леон Х. Фишер, «Электродвижущая сила: забытая концепция Вольта», Американский журнал физики, т. 48, вып. 5. С. 405–408, май 1980 г.

[12] К. Дж. Брокман, «Происхождение гальванического электричества: контакт против химической теории до разработки концепции Э. М. Ф.», Журнал химического образования, т. 5, вып. 5. С. 549–555, май 1928 г.

[6] Если есть изменяющиеся во времени электрические поля или ускоряющие заряды, тогда будут изменяющиеся во времени магнитные поля. Это означает, что в цепях переменного тока всегда есть некоторые неограниченные магнитные поля. Однако ими пренебрегают, за исключением высоких частот.

[7] Это основано на том факте, что каждый компонент имеет конечный объем. Если бы компонент имел бесконечную протяженность, область, внешняя по отношению к компонентам, не была бы односвязной, и, следовательно, интегралы через нее все равно зависели бы от пройденного пути.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[примечание 1]

[заметка 2]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]