Электрическое напряжение. Единицы напряжения

Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле. Задачу по созданию и поддержанию электрического поля выполняют источники тока.

После создания электрического поля, на свободные заряженные частицы в проводнике начинают действовать электрические силы, которые и приводят их в движение.

Получается, что у нас есть силы и частицы, которые перемещаются под их действием. Значит, совершается какая-то работа. Этот же факт говорит нам о том, что электрическое поле обладает некоторой энергией.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим, что же за работу совершает электрическое поле, от чего она зависит и придем к определению еще одной важной характеристики в электричестве — электрическому напряжению.

Работа тока

Сразу введем новое определение.

Работа тока — это работа, которую совершают силы электрического поля, создающего электрический ток.

В процессе этой работы энергия электрического тока переходит в другие различные виды энергии (механическую, внутреннюю и др.). Более подробно мы говорили об этом, когда рассматривали действия тока.

От чего зависит работа тока?

Логично предположить, что работа тока будет зависеть от того, какой заряд протекает по цепи за определенное время. То есть, работа тока будет зависеть от силы тока.

Проверим это на простом опыте. Соберем цепь, состоящую из ключа, источника тока, амперметра и подключенной к проводам натянутой никелевой проволоки (рисунок 1).

Используя один источник тока, в цепи была определенная сила тока. Проволока нагрелась.

Если же мы заменим источник тока, который даст нам большую силу тока, чем предыдущий, то заметим определенные изменения. Наша проволока нагревается намного сильнее. Вот вам наглядное доказательство того, что тепловое действие (а значит, и работа тока) проявляется сильнее с увеличением силы тока в цепи.

Но дело в том, что сила тока — не единственная характеристика, от которой зависит работа тока. Другая (и не менее важная) величина называется электрическим напряжением или просто напряжением.

Электрическое напряжение

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле.

Обозначается электрическое напряжение буквой $U$.

Давайте рассмотрим опыт, который наглядно нам покажет, как же эта величина может описать нам электрическое поле.

Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, источника тока, электрической лампы и амперметра. За источник тока возьмем небольшую батарейку (гальванический элемент), а электрическую лампу возьмем от карманного фонарика (рисунок 2).

А теперь соберем похожую цепь. Заменим лампочку от фонарика большой лампой для освещения помещений. Батарейку тоже заменим. Теперь источником тока у нас является городская осветительная сеть (рисунок 3).

Взгляните на показания амперметров в этих двух цепях. Они одинаковы!

Сила тока в цепях одинакова, но ведь большая лампа дает намного больше света и тепла, чем маленькая лампочка от фонарика. Вот здесь и появляется наша новая величина — напряжение.

Связь работы тока и напряжения

Проведенные нами опыты объясняются следующим.

При одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного $1 \space Кл$, различна.

Получается, что эта работа тока и определяет нашу новую физическую величину — электрическое напряжение.

Теперь мы может объяснить до конца наши опыты. Напряжение, которое создается батарейкой в первой цепи, меньше напряжение городской осветительной сети. Поэтому лампа, подключенная к сети, дает больше света и тепла. При этом сила тока в обеих цепях одинакова. Вся причина различий — в создаваемом напряжении.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Формула для расчета напряжения

Если мы знаем работу тока $A$ на рассматриваемом участке цепи и весь электрический заряд $q$, который прошел по нему, то мы можем рассчитать напряжение $U$. По физическому смыслу, мы определим работу тока при перемещении единичного электрического заряда.

$U = \frac{A}{q}$
Напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.

Из этой формулы мы также будем использовать два ее следствия:

$A = Uq$,
$q = \frac{A}{U}$.

Это интересно: факты об электричестве и напряжении

Единица измерения напряжения

Если единица силы тока была названа в честь ученого, то и с единицей измерения напряжения у нас такая же история.

Она названа вольтом в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (рисунок 4).

Единица напряжения — это такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в $1 \space Кл$ по этому проводнику равна $1 \space Дж$:
$1 \space В = 1 \frac{Дж}{Кл}$.

Дольные и кратные единицы напряжения

Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике? Это дольные и кратные единицы вольта: милливольт ($мВ$) и киловольт ($кВ$).

$1 \space мВ = 0.001 \space В$,
$1 \space кВ = 1000 \space В$.

Значение напряжения для некоторых устройств и природных явлений

В таблице 1 представлены для ознакомления некоторые значения напряжения.

Опасные и безопасные значения напряжения

Все знают, что большое (высокое) напряжение опасно для жизни. Проведем простую аналогию для лучшего понимания.

Например, напряжение между проводом высоковольтной линии передачи и землей составляет $100 \space 000 \space В$. Соединим этот провод с землей. Получается, что при прохождении по нему заряда всего в $1 \space Кл$ совершается работа в $100 \space 000 \space Дж$. Такая же работа будет совершена грузом массой $1000 \space кг$, если он упадет с высоты в $10 \space м$. Похожие разрушения, может вызывать высокое напряжение.

Обычно безопасным считают напряжение не более $42 \space В$. Такое напряжение создают, например, гальванические элементы.

Наверное, многие помнят, как в детстве родители запрещали засовывать пальцы в розетку. Да и разбирать самостоятельно лучше не стоит. Доверять такие работу лучше специалистам. Почему? Ток в такой сети идет от генераторов, и напряжение обычно составляет $220 \space В$. Такое напряжение может нанести существенный вред здоровью.

Примеры задач

$A — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

На графике выберем удобные для нас точки с точными значениями заряда и работы. Для графика $I$ выберем точку со значениями $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 70 \space Дж$. Для графика $II$: $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 40 \space Дж$. Запишем условие задачи и решим ее.

Дано:
$q_1 = q_2 = 0.35 \space Кл$
$A_1 = 70 \space Дж$
$A_2 = 40 \space Дж$

$U_1 — ?$
$U_2 — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть