Как обозначается напряжение: основные понятия и формулы

Электричество играет важную роль в нашей повседневной жизни. Но мало кто задумывается, как обозначается и измеряется такой важный показатель, как напряжение в электрической цепи. Эта статья поможет разобраться в основных понятиях и формулах, связанных с электрическим напряжением.

Определение напряжения

Напряжение - это физическая величина, характеризующая энергетическое состояние электрического поля в данной точке. Она показывает, какая работа совершается электрическим полем по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля.

Напряжение является скалярной величиной и измеряется в вольтах (В). Один вольт - это напряжение, при котором работа перемещения заряда в 1 кулон равна 1 джоулю.

Напряжение численно равно разности потенциалов между двумя точками электрического поля или электрической цепи:

U = φ_A - φ_B

где φ_A и φ_B - потенциалы в точках A и B.

Таким образом, напряжение характеризует способность электрического поля совершать работу по перемещению электрических зарядов.

Виды напряжения

Различают следующие основные виды электрического напряжения:

• Постоянное напряжение - не изменяется со временем;
• Переменное напряжение - периодически изменяется по определенному закону (чаще всего синусоидальному);
• Однофазное и многофазное напряжение в электрических сетях;
• Линейное и фазное напряжение в трехфазных цепях;
• Выпрямленное напряжение - изменяется только в одну сторону относительно некоторого среднего уровня;
• Синусоидальное напряжение - переменное напряжение, изменяющееся по синусоидальному закону.

Для переменного напряжения вводятся такие понятия, как амплитудное, действующее (эффективное) и среднее значения. Амплитудное значение - это наибольшее мгновенное значение напряжения. Действующее значение равно такому постоянному напряжению, которое производит такой же тепловой эффект в нагрузке.

Обозначение напряжения

В электротехнических схемах напряжение принято обозначать буквой U. Также может использоваться буква E или символ напряжения ⎓.

Для различения напряжений в разных частях схемы используют индексы: U₁, U₂, U_вх и т.д. Стрелки указывают направление передачи напряжения.

Цветовое кодирование проводов в электропроводке позволяет быстро определить, под каким напряжением находится та или иная цепь. Например, провода под напряжением 220 В обычно имеют синий цвет.

На корпусах электроприборов номинальное рабочее напряжение указывается в вольтах или киловольтах в виде буквенного обозначения и цифр. Например, 220В, 380В, 660В.

Таким образом, напряжение в электротехнике обозначается различными способами, позволяющими однозначно идентифицировать его величину и назначение в конкретной цепи или устройстве.

Измерение напряжения

Для измерения напряжения в электрических цепях используется прибор, называемый вольтметром. Принцип действия вольтметра основан на взаимодействии магнитного поля подвижной катушки с током, протекающим через неподвижную катушку.

При измерении постоянного напряжения вольтметр включается параллельно тому участку цепи, на котором нужно определить напряжение. При этом вольтметр должен иметь сопротивление, намного превышающее сопротивление этого участка.

При измерении переменного напряжения для получения достоверных показаний используют электронные вольтметры. Они компенсируют искажения формы кривой напряжения.

Основные правила при измерении напряжения:

1. Правильно выбрать предел измерения вольтметра;
2. Подключать прибор к источнику через предохранитель;
3. Соблюдать полярность подключения.

Расчет напряжения в электрических цепях

Расчет напряжения в цепях постоянного тока производится по закону Ома:

U = I * R

где I - сила тока, А; R - сопротивление участка цепи, Ом.

В сложных цепях для расчета напряжений используются правила Кирхгофа. Напряжение источника питания распределяется между элементами цепи пропорционально их сопротивлениям.

При расчете напряжения в электрических сетях учитывается падение напряжения на участках сети из-за активного и реактивного сопротивления.

Напряжение и энергия электрического поля

Напряжение характеризует энергетическое состояние электрического поля. Чем выше напряжение, тем больше энергии содержится в поле.

При протекании электрического тока часть энергии поля переходит в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую. Так совершается работа тока.

Мощность, выделяемая в электрической цепи, определяется произведением напряжения на силу тока. Чем выше напряжение, тем больше мощность при одинаковой силе тока.

Применение напряжения в промышленности

Высокое напряжение широко используется в промышленности для осуществления различных технологических процессов:

• Электролиза;
• Электросварки;
• Электроэрозионной обработки;
• Электроимпульсного упрочнения;
• Электроосаждения металлов и др.

При этом точное значение и стабильность напряжения имеют большое значение для обеспечения требуемых параметров техпроцесса.

Напряжение также используется для электростатической окраски, где распыление краски происходит под действием электростатического поля высокого напряжения.

Безопасность при работе с напряжением

Работа с электроустановками, находящимися под напряжением, требует строгого соблюдения мер безопасности во избежание поражения электрическим током.

Основные меры безопасности при работе с напряжением:

• Использование средств индивидуальной защиты - диэлектрических перчаток, ковров, инструмента с изолированными рукоятками;
• Соблюдение правил работы в действующих электроустановках;
• Применение блокировок для исключения ошибочной подачи напряжения;
• Использование плакатов, ограждений в зоне работ.

Для защиты от поражения электрическим током применяют заземление, зануление, устройства защитного отключения. При прикосновении к токоведущим частям под напряжением опасный ток утекает в землю.

Контроль и регулирование напряжения

Для обеспечения нормальной работы электрооборудования необходимо поддерживать напряжение в заданных пределах. Это достигается с помощью систем контроля и регулирования напряжения.

Контроль напряжения осуществляется вольтметрами, датчиками, которые выдают сигналы на системы управления и автоматики.

Регулирование напряжения производится с помощью регуляторов, стабилизаторов, трансформаторов. Они компенсируют отклонения напряжения и поддерживают его в заданных пределах.

Напряжение пробоя диэлектрика

При превышении определенной величины между обкладками конденсатора или между проводами происходит электрический пробой диэлектрика - резкое уменьшение его сопротивления.

Величина напряжения, при котором происходит пробой, называется напряжением пробоя. Оно зависит от толщины и качества диэлектрика.

Напряжение пробоя определяет предельно допустимую напряженность электрического поля в изоляторе. Превышение этого значения приводит к повреждению изоляции.

Напряжение в бытовых электрических сетях

В бытовых электрических сетях используется переменное однофазное напряжение 220 или 380 вольт. Оно подается от распределительных трансформаторных подстанций.

Для безопасности людей напряжение в бытовой сети не должно превышать предельно допустимые нормы. Его значение контролируется с помощью вольтметров и автоматических регуляторов.

В розетках жилых помещений стандартное напряжение составляет 220 вольт. Оно обозначается цифрой 220 и знаком V на панели счетчика и электрощита.