У чому вимірюється напруга? Одиниця потенціалу

Можливо, чи уявити своє життя без електрики? Сучасна людина щільно оточив себе побутовими приладами, що допомагають у житті. Ми вже не можемо уявити себе і своє життя без розумних домашніх помічників.

У техніці все частіше переходять на використання електроенергії. Навіть транспорт поступово переводиться на електродвигуни, що дозволяє зменшити істотну шкоду, що наноситься природі.

Сьогодні ми спробуємо дати відповідь на наступні питання:

• Що таке електричний струм?
• Що таке електрична напруга?
• Як визначити напругу?
• У чому вимірюється напруга?

Що таке струм?

На зорі вивчення електрики його отримували тертям одного тіла про інше. Більший запас заряду можна було отримати під час грози, використовуючи природний розряд - блискавку. Відомо, що цей спосіб коштував життя учневі М. В. Ломоносова - Ріхтером.

Сам заряд використовувати складно і нераціонально. Необхідно отримати його спрямований рух - електричний струм. Властивості струму:

• нагрівання проводніка;
• хімічне дія;
• механічне дія;
• магнітне дію.

Їх використовують в побуті і техніці. Необхідною умовою існування струму вважають наявність джерела струму, вільних електричних зарядів і замкнутого провідника.

Історія питання

У 1792 році відомий італійський фізик, фізіолог і винахідник Алессандро Вольта зацікавився висновками співвітчизника Луїджі Гальвані про природу імпульсів струму в органах тварин. Тривале спостереження за поведінкою лапок жаб, закріплених на металевих гачках, дозволило йому зробити висновок, що джерелом електрики є не живий організм, а контакт різнорідних металів. Саме ця обставина сприяє протіканню електрики, а реакція нервових закінчень - тільки фізіологічна дія струму.

Унікальне відкриття привело до створення першого в світі джерела постійного струму, отримав назву «Вольтів стовп». Різнорідні метали (Вольта стверджував, що вони повинні бути віддалені один від одного в ряду хімічних елементів) прокладаються папером, просоченою рідким «провідником другого роду».

Цей прилад став першим джерелом постійної напруги. Одиниця потенціалу увічнила ім`я Алессандро Вольта.

Джерело постійного струму

Основний елемент електричного кола - джерело струму. Його призначення - створювати електричне поле, під дією якого вільні заряджені частинки (електрони, іони) приходять в спрямований рух. Накопичуються на окремих елементах джерела заряди (їх називають полюсами) мають різні знаки. Сам заряд перерозподіляється всередині джерела під дією сил неелектричної природи (механічних, хімічних, магнітних, теплових і так далі). Електричне поле, створене полюсами поза джерела струму, виробляє роботу по пересуванню заряду в замкнутому провіднику. Про необхідність замкнутої ланцюга для створення постійного струму говорив ще Алессандро Вольта.

Оскільки в джерелах під дією сил неелектричної природи відбувається рух заряду, значить, можна стверджувати, що ці сили здійснюють роботу. Назвемо їх сторонніми. Ставлення роботи сторонніх сил по перенесенню заряду всередині джерела струму до величини заряду називають електрорушійної силою.

Математична запис цього співвідношення:

• Epsilon- = А_ст: q,

де Е - електрорушійна сила (ЕРС), А_ст - робота сторонніх сил, q - заряд, стерпний сторонніми силами в джерелі.

ЕРС характеризує здатність джерела створювати струм, але основною характеристикою джерела іноді вважають електрична напруга (різниця потенціалів).

Напруга

Ставлення роботи поля по пересуванню заряду в провіднику до величини заряду отримало назву електричної напруги.

Щоб його визначити, потрібно величину роботи поля розділити на величину заряду. Нехай A - робота, здійснена електричним полем джерела струму з переміщення заряду q. U - електрична напруга. Математична запис відповідної формули:

• U = A: q.

Як будь-яка фізична величина, напруга має одиницю вимірювання. У чому вимірюється напруга? На прізвище винахідника першого в світі джерела постійного струму Алессандро Вольта цій величині дали власну одиницю виміру. В системі інтернаціональної напруга вимірюється в вольтах (В).

Напругою в 1 В вважається напруга електричного поля, коїть роботу в 1 Дж по переміщенню заряду в 1 Кл.

• В = Дж / Кл = Н•м / (А•с) = кг•м / (А•с³).

В основних одиницях системи СІ одиниця вимірювання електричної напруги:

• кг•м / (А•с³).

Необхідна величина

Чому недостатньо, характеризуючи струм, вводити поняття сили струму? Проведемо уявний експеримент. Візьмемо дві різні лампи: звичайну побутову лампу і лампу від кишенькового ліхтарика. При підключенні їх до різних джерел струму (міської мережі і батарейці) можна отримати абсолютно однакове значення сили струму. При цьому побутова лампа дає більше світла, тобто робота струму в ній значно більше.

Різні джерела струму мають різну напругу. Тому ця величина вкрай необхідна.

Корисна аналогія

Розуміння фізичного сенсу електричної напруги приходить, якщо вникнути в цікаву аналогію. В сполучених посудинах рідина перетікає з трубки в трубку, якщо в них існує різниця тисків. Струм рідини припиняється у разі рівності тисків.

Якщо струм рідини зіставити з плином електричного заряду, то різниця тисків стовпів рідини відіграє ту ж роль, що і різниця потенціалів в джерелі струму.

Поки всередині джерела струму відбуваються процеси, які супроводжують перерозподіл заряду на полюсах, він здатний створювати струм в провіднику. Напруга електричного струму вимірюється в вольтах, різниця тисків має одиницю виміру - паскаль.

Змінний струм

Електричний струм, періодично міняє свій напрямок, називається змінним. Створюється він джерелом змінної напруги. Найчастіше це генератор. Спробуємо пояснити: у чому вимірюється напруга змінного струму?

Сам принцип генерації струму заснований на явищі електромагнітної індукції. Обертання замкнутого контуру в магнітному полі призводить до появи різниці потенціалів в провіднику. Напруга струму вимірюється в вольтах і у випадку мінливого струму.

Чи можна стверджувати, що напруга не змінюється? Очевидно, що внаслідок зміни кута між площиною контуру і нормаллю до нього, створюване напруга змінюється з часом. Його значення зростає від нуля до деякого максимального значення, потім падає знову до нуля. Говорити про певну величиною не доводиться. Вводять так зване діюче значення напруги:

• U_д = U: radic-2.

Яким приладом вимірюється напруга?

Прилад для вимірювання електричної напруги - вольтметр. Принцип його дії заснований на взаємодії контуру зі струмом і магнітного поля постійного магніту. Відомо, що контур зі струмом обертається в магнітному полі. Залежно від величини струму в контурі кут повороту змінюється.

Якщо до контуру прикріпити стрілку, то вона відхиляється від нульового значення при протіканні струму в контурі (частіше котушці). Залежно від того, в чому вимірюється напруга, градуіруют шкалу приладу. Можливе застосування часткових і кратних величин.

У разі низьких значень електрична напруга вимірюється в мілівольтах або мікровольтах. Навпаки, у високовольтних мережах використовують кратні одиниці.

Будь вольтметр підключається паралельно тому ділянці ланцюга, на якому проводиться вимір напруги. Основною властивістю контуру приладу можна назвати високу омічний опір. Вольтметр, незалежно від того, в чому вимірюється напруга, не повинен впливати на силу струму в колі. По ньому пропускається незначний струм, істотно не впливає на основне значення.

Таблиця напруг

Практичне застосування вольтметра

Для ефективного використання вольтметра варто навчитися ним користуватися. Цікавому експериментатору можна порадити звернутися до шкільних педагогів.

Шкільні кабінети фізики забезпечені лабораторними та демонстраційними приладами для вимірювання напруг.

Експлуатувати будь вольтметр варто з обережністю, дотримуючись простих правил:

1. Вольтметр має максимальну межу вимірювання. Це найбільше значення на його шкалі. Не варто підключати його в ланцюг, що містить елемент більшої напруги.
2. Якщо немає іншого джерела або вольтметра, можна використовувати систему додаткових опорів. При цьому шкала вольтметра також повинна бути змінена.
3. У ланцюг постійного струму електроприлади підключаються залежно від вказівок знака заряду на його клемах. Позитивна клема джерела струму обов`язково підключається до позитивного роз`єму вольтметра, негативна - до негативного. Якщо переплутати, то стрілки приладу можуть погнутися, що вкрай небажано.
4. Всі підключення роблять виключно до знеструмленій ланцюга.

Шкідливо для здоров`я

Дія електричного струму може виявитися небезпечним для людини. Вважається нешкідливим напруга менше 24 В.

Дія струму під напругою міської мережі (220 В) досить відчутно. Дотик до оголених контактам супроводжується істотним «ударом струму».

Напруга під час грози пропускає настільки високий струм через тіло людини, що загрожує йому летальним результатом. Не варто ризикувати своїм життям і здоров`ям.