Основы

Электрическое напряжение

Одна из наиболее часто употребляемых характеристик в электротехнике — это электрическое напряжение, или просто говорят — напряжение. Очень часто даже у опытных в электротехнике специалистов вызывает затруднение объяснить, что есть это самое напряжение. Такое явление вполне объяснимо тем, что для практических нужд обслуживания электрооборудования не требуется глубокого понимания сути напряжения, достаточно знаний напряжения в пределах понимания Закона Ома.

Тогда возникает вопрос. В каком случае и при каких обстоятельствах необходимо глубокое понимание того, в чем суть электрического напряжения? В первую очередь это необходимо для понимания природы (физики) электричества, а также для разработки новых электротехнических устройств и создания новых электротехнических материалов. С другой стороны, углубленное понимание напряжения способствует самопознанию.

Мысленный эксперимент с плоским конденсатором

Для того, чтобы перейти к объяснению сути электрического напряжения требуется понимать, что такое электрическое поле, силовые линии электрического поля и напряженность электрического поля.

Кроме силовых линий в описании поля присутствуют еще и эквипотенциальные линии, а значит есть еще одна характеристика такая как потенциал электрического поля. Представьте картину равномерно распределенных силовых линий электрического поля, которые пересекают эквипотенциальные линии, причем каждая такая линия будет иметь свое значение потенциала поля. Для такого представления удобно использовать картину электрического поля плоского конденсатора, который имеет две обкладки и полностью заряжен до некоторого максимального значения. На таком конденсаторе будет индуцирован электрический заряд, а пространство между обкладками пусть будет наполнено газообразным диэлектриком, например, воздухом. Каждая обкладка конденсатора имеет некоторое количество заряда Q. Так как обкладки конденсатора выполнены из металла в котором носителем зарядов являются отрицательного типа заряды — электроны, то на одной обкладке будет избыток электронов, а на другой недостаток. Таким образом можно обозначить одну обкладку как +Q, а другую как -Q, и силовые линии электрического поля будут направлены согласно правилам от +Q к -Q. В итоге мы получим картину приведенную на рисунке ниже.

Мысленный эксперимент с конденсатором

Давайте примем, что размер такого конденсатора больше человеческого роста в несколько раз, пусть обкладки будут представлять собой стены двух больших высоких зданий, которые обклеили металлическими листами сваренными вместе в единый лист. Вы можете свободно перемещаться внутри такого конденсатора от одной обкладки к другой в любом направлении. Мысленно можно представить, что там где изображены силовые линии, кто-то закрепил балки из сухого дерева, а на местах эквипотенциальных линий установлены лестницы из того же материала. В итоге вы сможете свободно перемещаться в таком пространстве внутри конденсатора. Если у вас хватит силы воображения, вы сможете представить такую конструкцию без проблем. Размер может быть любой, но при условии, что протяженность и высота обкладок во много раз больше чем расстояние между обкладками.

Электрическое поле полностью заряженного конденсатора в нашем случае будет статическим, то есть неизменным во времени, его характеристики не меняются с течением времени. Что мы имеем? У нас есть две обкладки обладающие некоторым количеством заряда равной величины, но противоположного знака. Эти обкладки будут притягиваться к друг другу в соответствии с Законом Кулона, но эта электрическая сила скомпенсирована тем, что обкладки прочно закреплены на стенах воображаемых зданий. Картина электрического поля такого конденсатора представлена силовыми и эквипотенциальными линиями, которые обозначены материальными предметами такими как деревянные балки и лестницы. Вы можете свободно путешествовать внутри такого конденсатора и выполнять необходимые измерения. Ни о каком электрическом токе, а тем более о силе тока речи здесь не идет, потому как нет свободных носителей заряда.

Опытный электрик может поинтересоваться, а какое напряжение будет на таком конденсаторе? Это закономерный и справедливый вопрос, но нам следует разобраться что такое это самое напряжение. Тут нам следует вспомнить о пробном заряде, который использовался для объяснения напряженности электрического поля. Предположим, что такой заряд появился и он может свободно перемещаться в пространстве между обкладками конденсатора. Что же это может быть? Представьте, что вы являетесь тем самым пробным зарядом и испытываете на себе дальнодействие электрических сил. Разумеется, в реальной жизни такое маловероятно, но в нашем мысленном эксперименте такое вполне допустимо.

Физическая работа пробного заряда в электрическом поле

Итак, вы превратились в пробный электрический заряд q во много раз меньший чем заряд Q на обкладках конденсатора и начали свое путешествие между обкладок конденсатора. При этом вы будете испытывать действие кулоновых сил. Допустим, что вы являетесь отрицательно заряженной частицей подобно электрону, тогда вас будет притягивать в сторону обкладки +Q, и вас будет отталкивать от обкладки с зарядом -Q. Чем ближе вы будете к одной из обкладок, тем сильнее вы будете испытывать ее силовое действие.

Предположим, что вы вошли в конденсатор со стороны обкладки -Q и вас тут же начало отталкивать от нее в сторону обкладки +Q. Вы не стали сопротивляться такому воздействию и решили не противится природе и двигаться в полном согласии с влечением. Для этих целей как раз удобно расположены балки и лестницы, по которым вы можете свободно добраться до обкладки +Q любым маршрутом. Так как на вас действуют электрическая кулоновская сила, то вы начинаете свободно набирать скорость, словно вас несет ветром. В итоге вы преодолели расстояние по балке от одной лестницы до другой в направлении от точки A к точке B (смотрите рисунок выше). Лестницы — это эквипотенциальные линии, и соответственно, вы преодолели расстояние от одного значения потенциала к другому. В нашем случае вы двигались от того потенциала, который для вас больший по величине, к тому, что меньше. Если же вы были бы зарядом другого знака, то есть +q, тогда потенциалы поменяли бы свои знаки и больший стал бы меньшим, а меньший большим. Математически это означает умножение потенциалов на -1.

На вас действовала сила и вы переместились из точки A в точку B, другими словами вы двигались от потенциала φa (большего) к потенциалу φb (меньшему). Это подобно тому, как если бы вы плыли по течению реки на плоту, когда вам не нужно грести веслами и не требуется мотора для движения. Можно сказать, что вами совершена механическая работа, которая является вычисляется как произведение силы на расстояние. Совершив такое перемещение, вы потеряли часть потенциальной энергии, которая перешла в кинетическую (скорость вашего движения), а затем выделилась вероятно в виде тепла при торможении. Проделав обратный путь из точки B в точку A, вы будете двигаться как бы против течения, вам придется затратить энергию, грести веслами, использовать мотор и т. п. Переместившись обратно вы увеличите свою потенциальную энергию, потому как переместитесь в точку с большим потенциалом и ваше энергетическое состояние увеличится.

Разность этих двух потенциалов φa и φb и будет являться электрическим напряжением. Это равнозначные понятия, но в практической электротехнике чаще всего употребляют выражение не разность потенциалов, а напряжение. При рассмотрении электрических цепей употребляют такое выражение как падение напряжения на участке цепи, а для источников электричество та же самая разность потенциалов определяется как электродвижущая сила (ЭДС).

Эквипотенциальные поверхности

Разность потенциалов Δφ=φ12 всегда показывает какую работу A может совершить носитель заряда q при перемещении этого заряда из точки с одним потенциалом φ1 в точку с другим потенциалом φ2. При вычислении надо иметь в виду, что потенциалы могут быть как со знаком плюс, так и со знаком минус.

Потенциал электростатического поля

Если заряду для такого перемещения требуется затратить энергию, а значит увеличить свой потенциал, то тогда работа А будет со знаком (-), а если носитель заряда перемещается из области высокого потенциала в область с низким потенциалом, тогда происходит выделение энергии и работа А будет со знаком (+). Таким образом электрическое напряжение — это энергетическая характеристика электрического поля и представляет собой разность потенциалов Δφ. Это значит, что принципиально неверно утверждать, что напряжение — это потенциал. Электрическое напряжение - это всегда разность потенциалов и она возможна только между двумя точками электрического поля. Если имеется одна точка в пространстве электрического поля, тогда уместно говорить только о потенциале этой точки, но никак ни о ее напряжении.

Необходимо совершенно ясно представлять в чем заключаются различия между такими понятиями как: напряженность электрического поля E, потенциал φ, и, конечно, разность потенциаловэлектрическое напряжение. Поняв эти различия, будет совершенно легко разобраться с тем, что такое электрический ток.

Единицы измерения электрического напряжения

Точно также как и потенциал электрического поля, электрическое напряжение измеряется в Вольтах и часто обозначается либо символом U, либо символом V. Чему равен 1 Вольт? Он равен работе в 1 Джоуль, которую совершает заряд в 1 Кулон. Таким образом, если разность потенциалов равна скажем 12 Вольт, и эту разность (эквипотенциальные линии и поверхности) преодолел заряд, допустим в 2 Кулона, то следует говорить, что была совершена работа 24 Джоуля (12 Вольт умноженные на 2 Кулона).

Единица измерения напряжения

Когда в электрических цепях существует электрический ток, то происходит движение носителей зарядов вдоль силовых линий электрического поля (направление зависит от знака), источником которого может быть электрогенератор или химический аккумулятор, то на участках цепи происходит падение напряжения (потенциала) и выделяется энергия. В источнике тока происходит обратное, там затрачивается энергия (или была затрачена) на создание ЭДС.

Дата: 01.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Возможно Вам будут интересны следующие статьи из этого раздела:

Если Вы не нашли ничего интересного в этом разделе, тогда Вам следует воспользоваться левым вертикальным меню, чтобы попасть в интересующий Вас раздел сайта.