Электричество окружает нас повсюду. Без него невозможно представить современный мир. Но мало кто задумывается, что же такое электрическое напряжение, благодаря которому работают все электроприборы. В этой статье мы разберемся, что представляет собой напряжение, объясним этот термин простыми словами и рассмотрим основные виды напряжения.
Что такое напряжение: простое объяснение
Напряжение - одна из базовых величин в электротехнике. Это физическая величина, характеризующая электрическое поле в проводнике или между проводниками.
По определению, напряжение - это работа электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки цепи в другую. Иными словами, напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле, чтобы перенести положительный заряд в 1 кулон из пункта A в пункт B.
Напряжение является причиной возникновения электрического тока в цепи. Именно благодаря разности потенциалов (напряжению) электроны начинают двигаться по проводнику, образуя электрический ток.
U = A / Q
где U - напряжение, В (вольт);
A - работа электрического поля, Дж (джоуль); Q - величина перемещаемого заряда, Кл (кулон).
Для наглядности можно провести аналогию с водой в сосудах, находящихся на разной высоте. Если соединить эти сосуды трубкой, вода потечет из более высокого сосуда в более низкий под действием силы тяжести. Чем больше будет разница высот сосудов, тем интенсивнее будет поток воды. Аналогично в электрической цепи - чем выше напряжение, тем сильнее электрический ток.
Виды электрического напряжения
Различают два основных вида электрического напряжения:
- Постоянное напряжение
- Переменное напряжение
При постоянном напряжении полярность потенциалов в цепи не меняется. Классическим примером источника постоянного напряжения является батарейка или аккумулятор. Напряжение на их выводах всегда имеет постоянную величину и направление (от "+" к "-").
Переменное напряжение периодически изменяет свою полярность. Это происходит за счет вращения катушек в электрогенераторах. Наиболее распространен переменный ток промышленной частоты 50 Гц, когда полярность меняется 50 раз в секунду.
Переменный ток может быть однофазным или трехфазным. В бытовой сети используется однофазный переменный ток. А вот для промышленных установок чаще применяют трехфазный ток, который эффективнее передает энергию.
Для описания переменного напряжения используют такие понятия как амплитудное, действующее (эффективное) и мгновенное значения:
- Амплитудное - максимальное мгновенное значение;
- Действующее - среднеквадратичное за период;
- Мгновенное - текущее значение в данный момент времени.
Единицы измерения напряжения
В СИ напряжение измеряется в вольтах (В).
1 В - это напряжение, при котором работа по переносу заряда в 1 Кл составляет 1 Дж.
Другие распространенные единицы напряжения:
- 1 мВ = 0.001 В
- 1 кВ = 1000 В
- 1 МВ = 106 В
Напряжение бытовой электросети в России составляет 220 В. А вот для передачи электроэнергии на большие расстояния используют высоковольтные линии с напряжением в сотни киловольт.
Измерение напряжения
Для измерения напряжения в электрических цепях используется прибор, называемый вольтметр. Он позволяет определить величину электрического напряжения между двумя точками цепи.
При измерении постоянного напряжения нужно следить за правильностью подключения прибора - его плюс должен быть соединен с положительным полюсом источника напряжения, а минус - с отрицательным.
Порядок измерения напряжения с помощью вольтметра:
- Выбрать нужный предел измерения
- Подсоединить прибор параллельно участку цепи
- Снять показания
Типичные значения напряжений различных источников:
- Батарейка АА - 1,5 В
- Автомобильный аккумулятор - 12 В
- Бытовая розетка - 220 В
- Линия электропередач - 110 кВ
что такое напряжение и Закон Ома
Напряжение тесно связано с двумя другими важными характеристиками электрической цепи - электрическим током и сопротивлением. Их взаимозависимость описывается законом Ома:
U = I * R
где U - напряжение, В; I - сила тока, А; R - сопротивление, Ом.
Из этой формулы видно, что при постоянном напряжении сила тока зависит от величины сопротивления. Чем больше сопротивление - тем меньше ток в цепи при таком напряжении.
Для потребителя важна не только величина напряжения, но и сила тока, поскольку от этого зависит мощность by выражена формулой:
P = U * I
Распределение напряжения в электрической цепи
Как распределяется общее напряжение источника по различным участкам цепи, зависит от типа соединения.
При последовательном соединении проводников напряжение источника делится между элементами пропорционально их сопротивлениям согласно закону Ома.
А в цепи с параллельным соединением напряжение на всех участках одинаково и равно напряжению источника. Поэтому для измерения напряжения вольтметр всегда включают параллельно.
Применение напряжения различной величины
В зависимости от области применения используется напряжение различной величины:
- Малое напряжение (до 42 В) - бытовая техника, автомобили
- Среднее напряжение (до 10 кВ) - распределительные сети в городах
- Высокое напряжение (десятки-сотни кВ) - магистральные ЛЭП
- Сверхвысокое напряжение (мегавольты) - линии электропередачи на большие расстояния
Чем выше напряжение, тем меньше потери энергии при передаче. Поэтому для снижения потерь на большие расстояния целесообразно использовать именно высокое напряжение.
