Электрическое напряжение как физическая величина. Вольтметр

Электрическое напряжение – это одно из основных понятий в таком разделе физики, как электричество. Оно играет ключевую роль в понимании и изучении электрических явлений. Это важная физическая величина, без которой невозможно представить современную технику и технологии. Понимание природы и свойств электрического напряжения, а также способов его измерения открывает перед нами удивительный мир электричества и позволяет более глубоко изучать окружающий нас мир.

Для лучшего понимания природы электрического напряжения представим себе простую аналогию с водой. Представьте два бака, наполненных водой, но находящихся на разной высоте. Между этими баками существует разница в уровне воды, которая создает напор, или давление. Это давление и есть аналог электрического напряжения. Чем больше разница в уровне воды, тем выше напор, и тем больше напряжение. Точно так же в электрической цепи разность потенциалов между двумя точками создает электрическое напряжение, которое заставляет электрические заряды двигаться.

Итак, напряжение – разность электрических потенциалов между двумя точками цепи, вызывающая протекание тока. Другими словами, напряжение – это разность зарядов между двумя точками. Оно создает электрическое поле, которое заставляет электрические заряды двигаться. Измеряется в вольтах [В]. Название этой величине было дано в честь итальянского учёного Алессандро Вольты, который создал первый источник постоянного тока.

Где:

– электрическое напряжение, [В]

– работа поля по перемещению электрического заряда, [Дж]

– электрический заряд, [Кл]

Один вольт – это разница потенциалов, при которой ток в один ампер совершает работу в один джоуль за одну секунду.

Существует несколько способов создания электрического напряжения в зависимости от природы источника:

1. Химический

Классический пример – гальванический элемент (батарейка). Здесь напряжение возникает за счет химических реакций, происходящих внутри элемента.

2. Механический

Если двигать проводник (или любой другой проводящий материал) в магнитном поле, то в нем возникает индуцированное напряжение. Это явление лежит в основе работы генераторов переменного тока.

3. Термоэлектрический

Если спаять два разнородных металлических проводника и нагреть их, то между свободными концами будет возникать напряжение. Это явление называется эффектом Зеебека и используется в термопарах.

4. Пьезоэлектрический

Некоторые кристаллические материалы (кварц, сегнетова соль) при механическом деформации (сжатии или растяжении) создают электрическое напряжение. Этот эффект используется в пьезоэлектрических датчиках. 

Различают два основных вида электрического напряжения: постоянное и переменное.

Постоянное напряжение – это напряжение, величина и направление которого со временем не меняются. Примером постоянного напряжения может служить напряжение, создаваемое батарейкой или аккумулятором. 

Переменное напряжение – это напряжение, величина и направление которого со временем периодически меняются. Примером переменного напряжения может служить напряжение в бытовой электросети, которое меняется по гармоническому закону.

Наверняка у вас уже возник вопрос, как же измерить напряжение на участке цепи?

Для измерения электрического напряжения используется специальный прибор – вольтметр. Он подключается параллельно к участку электрической цепи (в отличие от амперметра, который подключают последовательно), напряжение на котором необходимо измерить. Это означает, что вольтметр не входит в основную цепь, а просто «отводит» от нее небольшую часть тока для измерения.

На электрических схемах вольтметр изображается таким образом:

Пример схемы электрической цепи с амперметром и вольтметром:

Подробнее о принципе работы, типах, применении и правилах безопасности в использовании вольтметра можно прочитать в этой статье

Стоит заметить, что электрическое напряжение находит широчайшее применение во всех сферах нашей жизни. Без него невозможно представить работу большинства современных устройств. Рассмотрим некоторые примеры его применения в быту, науке и технике.

1. Бытовая техника

Холодильники, стиральные машины, телевизоры, компьютеры – все они работают от сети переменного напряжения 220 В.

2. Электроника

Микроэлектронные компоненты, такие как процессоры, микросхемы, транзисторы, функционируют при напряжении до сотен вольт. Измеряя напряжение на определенных элементах схемы, можно добиться оптимальных режимов работы устройства.

3. Энергетика

Высоковольтные линии электропередач передают электроэнергию на большие расстояния при напряжении в сотни киловольт.

4. Транспорт

Поезда и самолеты используют аккумуляторные батареи и генераторы постоянного напряжения 12-24 В.

5. Измерительные приборы

Электронные вольтметры, мультиметры, осциллографы используют напряжение для измерения различных электрических величин.

6. Медицинская техника

Аппараты ИВЛ, кардиостимуляторы, рентгеновские установки работают под управлением специальных высокостабильных источников питания.

7. Военная техника

Радары, системы управления оружием, средства связи в армии питаются от высоконадежных источников постоянного или импульсного напряжения.

8. Научные исследования

Ускорители элементарных частиц, лазеры, плазменные установки требуют источников высокого напряжения вплоть до мегавольтного диапазона.

Таким образом, электрическое напряжение пронизывает все сферы современной жизни, являясь одним из ключевых параметров, определяющих эффективность работы большинства электрических и электронных устройств. 

Знание основ электрического напряжения и принципа работы вольтметров позволяет не только глубже изучать физические явления, но и правильно эксплуатировать различные электрические устройства, выявлять и устранять неисправности, а также обеспечивать безопасность при работе с электричеством.

Вольтметр – простой, но незаменимый помощник в изучении и практическом использовании электрического напряжения. Именно с его помощью представляется возможным исследовать работу различных электрических схем, проверять исправность источников питания, диагностировать неполадки в электронных устройствах.

Умение правильно измерять и использовать электрическое напряжение – важнейший навык как для инженеров, так и для каждого грамотного пользователя электротехники.