Napięcie elektryczne. Definicja, wyjaśnienie prostymi słowami, jednostka miary, wzór

• Wyjaśnienie w prostych słowach
• Formuła
• Jednostka napięcia elektrycznego
• Napięcie elektryczne w obwodzie
• Napięcia elektryczne w połączeniu szeregowym i równoległym
• Pomiar napięcia elektrycznego
• Przykłady typowych wartości napięcia

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Jednym z najbardziej podstawowych terminów w elektrotechnice jest termin „napięcie elektryczne”. W tym artykule wyjaśnimy, co to jest i jak to obliczyć.

Wyjaśnienie w prostych słowach

Napięcie elektryczne U jest właśnie przyczyną, która „wymusza” przepływ prądu elektrycznego I. Napięcie elektryczne występuje zawsze wtedy, gdy ładunki są oddzielone od siebie, czyli wszystkie ładunki ujemne po jednej stronie i wszystkie ładunki dodatnie na inne. Jeśli połączysz te dwie strony materiałem przewodzącym prąd elektryczny, popłynie prąd elektryczny.

Ogólnie przyjęta definicja terminu „napięcie elektryczne”.

Napięcie elektryczne (lub po prostu napięcie) to różnica potencjałów między dwoma punktami w polu elektrycznym. To jest siła napędowa ładunku elektrycznego.

Potencjał w polu elektrycznym to energia naładowanego ciała, niezależna od jego ładunku elektrycznego. Dla wyjaśnienia możesz spojrzeć na porównanie z obiegiem wody tuż poniżej w artykule.

Jest inna definicja (z podręcznika fizyki do 8 klasy):

Napięcie jest wielkością fizyczną charakteryzującą pole elektryczne. Napięcie elektryczne między dwoma punktami pola elektrycznego jest liczbowo równe pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku 1 C między nimi przez siły pola elektrycznego.

Porównanie przy użyciu modelu przepływu wody.

Dobrą analogią, która pomoże ci zwizualizować napięcie i potencjał, jest obieg wodny. W tym schemacie masz dwa baseny na różnych wysokościach, które są połączone rurą.W tej rurze woda może przepływać z górnego basenu do dolnego. Woda jest następnie pompowana z powrotem do górnego basenu za pomocą pompy, jak pokazano na poniższym rysunku.

Napięcie elektryczne - porównanie z wykorzystaniem modelu przepływu wody

W myślach możesz teraz łatwo porównać pompę do źródła napięcia elektrycznego. Ponadto przepływ wody można porównać do prądu elektrycznego. Pompa transportuje wodę z dolnego basenu do górnego. Stamtąd płynie niezależnie z powrotem do dolnego basenu. W tym przykładzie pompa jest napędem przepływu. Im większa różnica wysokości, tym silniejszy przepływ. Decydującym czynnikiem jest energia potencjalna basenu górnego. Możesz porównać różnicę energii między dwoma basenami z różnicą potencjałów elektrycznych. Mówiąc najprościej, większa różnica wysokości odpowiada większemu napięciu elektrycznemu.

Formuła

Wzór na napięcie elektryczne U, zgodnie z prawem Ohma dla odcinka obwodu, to

U=RI .

Jak widać z tego wzoru, jeśli napięcie elektryczne pozostaje niezmienione, to im większy opór elektryczny (R), tym mniejszy prąd (I).

Inny wzór na obliczenie napięcia elektrycznego to:

U=P / I .

Oznacza to, że napięcie U jest równe mocy podzielonej przez prąd I.

Jednostka napięcia elektrycznego

Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt, w skrócie V (na cześć włoskiego naukowca A. Volty).

1 wolt (1 V) to napięcie między dwoma punktami pola elektrycznego, przy przekazywaniu między nimi ładunku o wartości 1 C zużywa się 1 J.

[U]=1 V

Teraz możesz wyjaśnić znaczenie 4,5 V lub 9 V na baterii okrągłej lub pastylkowej. Chodzi o to, że podczas przenoszenia ładunku o wartości 1 C z jednego bieguna źródła na drugi (poprzez spiralę żarówki lub inny przewodnik) siły pola elektrycznego mogą wykonać pracę odpowiednio 4,5 J lub 9 J.

W elektrotechnice napięcie może wahać się od mikrowoltów (1 uV=110^-6V) do miliwoltów (1 mV=10^-3V), do kilowoltów (1 kV=110³V) i megawoltów (1 MV=10^{6 V)}

Możesz przeliczać poszczególne jednostki w ten sposób:

1V=1000mV, 1mV=1000µV, 1MV=1000kV, 1kV=1000V.

Napięcie elektryczne w obwodzie

Jeden z poniższych symboli jest zwykle używany dla źródeł napięcia w obwodach.

Źródła napięcia i obwód elektryczny

Źródło napięcia ma zawsze dwa połączenia/bieguny. Biegun plus i biegun minus. Samo napięcie jest wskazywane przez strzałkę napięcia (U_{Q). W przypadku źródeł jest on zawsze wyświetlany od plusa do minusa.}

Spadek napięcia na rezystorze można również wskazać strzałką napięcia (oznaczoną czerwoną strzałką na schemacie U_{R ). Wskazuje techniczny kierunek prądu elektrycznego.}

Często można również usłyszeć określenie „napięcie obwodu otwartego” lub „napięcie źródła”. Jest to napięcie wyjściowe nieobciążonego źródła, tj. źródło, do którego nic nie jest podłączone. Jeśli obwód jest zamknięty z obciążeniem, wówczas można zmierzyć tylko napięcie na biegunach źródła.

Napięcia elektryczne w połączeniu szeregowym i równoległym

Mamy już artykuł na temat okablowania szeregowego i równoległego, w którym omawiamy ten temat bardziej szczegółowo. Dlatego tutaj omówimy tylko niektóre podstawy.

Po połączeniu szeregowym komponenty są połączone szeregowo.

Napięcie elektryczne w połączeniu szeregowym

Tutaj napięcie źródła jest dzielone przez rezystory. Ten punkt jest również opisany przez drugą regułę Kirchhoffa. Obowiązuje tu następująca zasada:

U_Q=U₁+ U₂+ U₃

oznacza to, że napięcie źródła jest równe sumie napięć elektrycznych na poszczególnych rezystorach. Napięcie źródła rozkłada się inaczej na różne rezystory.

W równoległym obwodzie elektrycznym elementy są ułożone odpowiednio równolegle względem siebie. Widać to na poniższym diagramie.

Napięcie elektryczne w obwodzie równoległym

O wiele łatwiej jest określić napięcia elektryczne na rezystorach, ponieważ w połączeniu równoległym:

U_Q=U₁=U₂=U₃

Dlatego napięcie na rezystorach jest równe napięciu źródła.

Pomiar napięcia elektrycznego

Mierniki napięcia, zwane także woltomierzami, zawsze podłącza się równolegle do odbiornika, na którym ma być mierzone napięcie.

Jednym z najczęściej używanych woltomierzy jest multimetr cyfrowy (DMM), dlatego pokażemy Ci procedurę pomiaru napięcia za pomocą multimetru cyfrowego. Najpierw należy ustawić rodzaj napięcia elektrycznego (DC - prąd stały lub AC - prąd przemienny).

W przypadku prądu stałego należy zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację, tj. podłącz plus do bieguna dodatniego. Kolejnym krokiem jest wybór właściwego zakresu pomiarowego. Jeśli nie możesz ocenić, jak duża jest mierzona wartość, ustaw zakres na największy możliwy zakres i idź w dół, aż znajdziesz właściwy. Na koniec wystarczy „odczytać” napięcie elektryczne za pomocą urządzenia.

Przykłady typowych wartości napięcia

W przypadku niektórych zastosowań odpowiednie napięcie elektryczne można znaleźć w poniższej tabeli.

LED	1.2 - 1.5 V
Ładowarka USB	5 B
Napięcie akumulatora samochodowego	12, 4 - 12,8V
Napięcie wyjściowe (RMS lub RMS)	230 V
Linie wysokiego napięcia (TL)	60 kV - 1 MW

Widać, że na liniach wysokiego napięcia dochodzi do megawoltów. Tak wysokie napięcia elektryczne służą do zmniejszenia strat w długich liniach.

Decydującym czynnikiem dla odbiorcy jest moc P, którą dla stałego napięcia można obliczyć ze wzoru:

P=UI

Oznacza to, że prąd elektryczny I jest tak samo ważny dla konsumenta jak napięcie elektryczne. Zgodnie z prawem Ohma zależność między prądem a napięciem jest następująca:

U=RI .

Jeśli napięcie pozostaje takie samo, rezystancja określa wielkość prądu. Aby to zilustrować, wyobraź sobie następującą sytuację. Masz trzy różne baseny wypełnione taką samą ilością wody. Każdy basen posiada odpływ o innym przekroju, tj. w jednym basenie rura spustowa jest bardzo mała, aw drugim bardzo duża.

Stałe napięcie elektryczne można określić na podstawie faktu, że wszystkie pojemniki są napełnione do tej samej wysokości. Jeśli odpływ jest wąski na dole, stawia duży opór. Prąd tutaj może płynąć tylko powoli. Jeśli przekrój rury spustowej jest większy, wówczas opór jest mniejszy, a zatem może płynąć więcej prądu.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!