§ 39. Электрическое напряжение. Измерение напряжения

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ: ОПЫТ С ДВУМЯ ЛАМПАМИ

Электрический ток в любом проводнике возникает и непрерывно течёт под действием сил внутреннего электрического поля. Перемещая свободные заряженные частицы (электроны в металлах), электрическое поле совершает механическую работу.

В результате этой работы энергия самого электрического поля непрерывно превращается в другие необходимые человеку виды энергии: во внутреннюю (нагрев проводников), световую (излучение спирали лампы), механическую (вращение вала электродвигателя) или химическую (электролиз).

• Сравнительный эксперимент (рис. 94):
  • Соберём две различные электрические цепи: в первой одинаковая лампочка питается от аккумулятора, а во второй точно такая же лампа подключена к городской электросети.
  • Отрегулируем параметры цепей так, чтобы стрелки амперметров в обеих цепях показывали абсолютно одинаковую силу тока. Это значит, что за одно и то же время через спирали обеих ламп протекает строго одинаковый суммарный электрический заряд $q$.
  • Однако лампа, подключённая к городской сети, горит ослепительно ярко и обжигает жаром, в то время как лампа от аккумулятора едва заметно тлеет!
  • Фундаментальный вывод: при перемещении одного и того же электрического заряда электрическое поле в городской сети совершает несравненно большую работу, чем поле аккумулятора.

ПОНЯТИЕ И ФОРМУЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Отношение совершаемой полем работы $A$ к величине перенесённого заряда $q$ не зависит от самого заряда. Оно является ключевой энергетической характеристикой самого электрического поля, созданного в проводнике:

• Электрическое напряжение ($U$) — это физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда:

где:

• $U$ — электрическое напряжение (в вольтах, В);
• $A$ — работа электрического поля (в джоулях, Дж);
• $q$ — перенесённый электрический заряд (в кулонах, Кл).

Физический смысл напряжения: напряжение показывает, какую работу совершают силы электрического поля при переносе единичного заряда, равного 1 Кулону, между данными двумя точками цепи.

Из базовой формулы напряжения выводятся формулы для расчёта работы тока и заряда:

Так как электрический заряд при постоянном токе равен $q = I \cdot t$, полную работу электрического тока рассчитывают по формуле:

ЕДИНИЦА НАПРЯЖЕНИЯ — ВОЛЬТ (В)

В честь выдающегося итальянского учёного Алессандро Вольты (1745–1827), создавшего первый в истории химический источник постоянного тока (Вольтов столб), единица напряжения в Международной системе единиц (СИ) названа вольтом (В).

• Определение 1 Вольта:

1 Вольт — это такое напряжение между двумя точками электрической цепи, при котором работа сил электрического поля по перемещению заряда в 1 Кулон между этими точками равна 1 Джоулю:

Кратные и дольные единицы напряжения:

• 1 мВ (милливольт) = $10^{-3}$ В = $0{,}001$ В (биотоки сердца в кардиографии, сигналы термопар);
• 1 кВ (киловольт) = $10^3$ В = $1000$ В (магистральные линии электропередачи высокого напряжения — ЛЭП 10–500 кВ);
• 1 МВ (мегавольт) = $10^6$ В = $1\,000\,000$ В (грозовые электрические разряды в облаках).

НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРАКТИКЕ И НОРМЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

В повседневной жизни и технике применяются самые различные напряжения:

• Круглая пальчиковая батарейка (АА / ААА): $1{,}5$ В;
• Аккумулятор смартфона: $3{,}7\text{–}4{,}2$ В;
• Батарейка карманного фонарика: $4{,}5$ В; батарейка «Крона»: $9$ В;
• Автомобильный свинцовый аккумулятор: $12$ В;
• Напряжение бытовой электросети в розетках: $220$ В;
• Электрический скат: вырабатывает защитные импульсы напряжением до $200\text{–}500$ В;
• Грозовая молния: разность потенциалов достигает десятков и сотен миллионов вольт ($10^8$ В).

Нормы электробезопасности для жизни человека:

• До 36 В — считается безопасным напряжением при работе в сухих, тёплых помещениях с деревянными или полимерными изолирующими полами.
• До 12 В — предел безопасного напряжения в сырых, влажных подвалах, колодцах, металлических резервуарах и на открытом воздухе во время дождя.
• Напряжение бытовой электросети $220$ В при прямом контакте представляет смертельную опасность для жизни!

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ: ПРИБОР ВОЛЬТМЕТР

Для измерения напряжения на любом участке цепи или на клеммах источника тока применяют прибор, называемый вольтметром (на электрических схемах обозначается кружком с буквой «V» внутри, рис. 95).

По внутреннему устройству вольтметр аналогичен гальванометру и амперметру (поворот рамки со стрелкой в поле магнита), однако обладает кардинальным конструктивным отличием: его внутреннее электрическое сопротивление чрезвычайно велико (десятки и сотни тысяч Ом).

Правила подключения вольтметра в электрическую цепь:

1. Параллельное включение: Вольтметр подключают строго параллельно тому участку цепи или потребителю, между концами которого требуется измерить напряжение (рис. 96). Зажимы вольтметра присоединяют непосредственно к двум выбранным точкам цепи. Благодаря гигантскому сопротивлению вольтметр практически не пропускает через себя ток и не искажает силу тока в основной цепи.
2. Соблюдение полярности: Зажим вольтметра со знаком «+» обязательно соединяют с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а зажим «–» — с проводом от отрицательного полюса.
3. Измерение напряжения на источнике тока: В отличие от амперметра, вольтметр разрешается подключать напрямую к полюсам батарейки или аккумулятора без какой-либо нагрузки (рис. 97). В этом случае он безопасно и точно измеряет полное напряжение, создаваемое источником тока.