§ 39. Электрическое напряжение. Измерение напряжения

физическая величина, характеризующая электрическое поле и численно равная отношению работы электрического поля ($A$) по перемещению электрического заряда ($q$) между двумя точками проводника к значению этого заряда:

• 1. Расчётная формула — $U = \frac{A}{q}$, где $U$ — напряжение, $A$ — работа электрического поля, $q$ — перемещённый заряд.
• 2. Физический смысл — напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда величиной 1 Кл между двумя точками электрической цепи.

единица электрического напряжения в Международной системе единиц (СИ), названная в честь итальянского учёного Алессандро Вольты:

• 1. Определение вольта — напряжение между двумя точками цепи равно 1 В, если при перемещении между ними электрического заряда величиной 1 Кл электрическое поле совершает работу, равную 1 Дж: $1\text{ В} = 1\text{ }\frac{\text{Дж}}{\text{Кл}}$.

• 1. Милливольт (1 мВ) — одна тысячная доля вольта: $1\text{ мВ} = 0{,}001\text{ В} = 10^{-3}\text{ В}$.
• 2. Киловольт (1 кВ) — одна тысяча вольт: $1\text{ кВ} = 1000\text{ В} = 10^3\text{ В}$.

энергия, преобразуемая в проводнике при прохождении тока:

• 1. Формула через напряжение и заряд — $A = U \cdot q$.
• 2. Формула через параметры цепи — с учётом соотношения $q = I \cdot t$ работа поля рассчитывается как $A = U \cdot I \cdot t$.

• 1. Возникновение напряжения — внутри источника тока сторонние силы разделяют разноимённые заряды, создавая на его полюсах разность электрических потенциалов (напряжение).
• 2. Условие тока — при замыкании цепи напряжение источника передаётся на концы проводника, возбуждая в нём электрическое поле. Если напряжения нет ($U = 0$), поле отсутствует, и электрический ток течь не может.

• 1. Опасное напряжение — напряжение осветительной бытовой сети ($220\text{ В}$) и промышленных сетей смертельно опасно для жизни при прикосновении.
• 2. Безопасное напряжение — для человека безопасным считается напряжение не выше $36\text{ В}$ (при работе в сухих отапливаемых помещениях) и не выше $12\text{ В}$ (в сырых, влажных или металлических помещениях).

электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения электрического напряжения на участке цепи или на полюсах источника тока:

• 1. Условное обозначение — кружок с латинской буквой «V» внутри: (V).
• 2. Собственное сопротивление — вольтметр изготавливается с очень большим внутренним сопротивлением, чтобы при параллельном подключении он практически не пропускал через себя ток и не искажал режим работы исследуемой цепи.

Итальянский физик, химик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве, создатель первого в мире химического источника постоянного тока.

• В 1800 году сконструировал первый химический источник непрерывного постоянного электрического тока — вольтов столб, открывший эпоху практического применения электричества.
• В честь учёного названа международная единица электрического напряжения — вольт (В), определяемая как напряжение, при котором перенос заряда в 1 Кл требует работы поля в 1 Дж.
• Экспериментально исследовал контактную разность потенциалов между разнородными металлами и создал чувствительный электроскоп для обнаружения и измерения электрических зарядов.

Из сравнительного опыта включения ламп (рис. 94 учебника) следует фундаментальный вывод:

• При одинаковой силе тока в проводниках (что подтверждают показания амперметров: за одно и то же время через поперечные сечения нитей обеих ламп проходит строго одинаковый суммарный заряд) лампы светятся совершенно по-разному.
• Лампа, питающаяся от городской осветительной сети ($U = 220\text{ В}$), горит ослепительно ярко, тогда как точно такая же лампа, подключённая к аккумулятору или батарейке ($U = 1{,}5\text{--}6\text{ В}$), едва светится нитью или не горит вовсе.
• Вывод: интенсивность действия тока (выделение тепла и света) определяется не только силой тока и величиной прошедшего заряда, но и работой, которую совершает электрическое поле по перемещению заряда. Во втором случае поле совершает значительно большую работу, что свидетельствует о более высоком электрическом напряжении в сети по сравнению с батарейкой.

Электрическое напряжение характеризует само электрическое поле, создаваемое в проводнике:

• Напряжение является его ключевой энергетической характеристикой и показывает, какую работу совершают силы электрического поля при переносе электрического заряда, равного $1\text{ Кл}$, из одной точки цепи в другую.

• Основной единицей электрического напряжения в СИ является вольт (В), названный в честь итальянского учёного Алессандро Вольты.
• 1 вольт равен такому напряжению между двумя точками проводника, при котором перемещение заряда в $1\text{ Кл}$ требует совершения работы электрического поля в $1\text{ Дж}$:

$$1\text{ В} = 1\text{ }\frac{\text{Дж}}{\text{Кл}}$$

Электрическое напряжение измеряют специальным электроизмерительным прибором — вольтметром (на принципиальных электрических схемах обозначается окружностью с буквой «V» внутри).

Вольтметр включают в электрическую цепь строго с соблюдением правил:

• 1) Параллельно тому участку цепи или потребителю (лампе, резистору, нагревателю), напряжение на котором требуется измерить. Это означает, что клеммы вольтметра подсоединяются к началу и концу этого участка проводника.
• 2) С соблюдением полярности: зажим вольтметра со знаком «+» обязательно соединяют с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а зажим со знаком «–» — с проводом от отрицательного полюса.

Чтобы измерить напряжение непосредственно на полюсах источника тока (гальванического элемента, батарейки, аккумулятора), клеммы вольтметра подключают напрямую к выводным зажимам самого источника:

• зажим вольтметра «+» подключают к положительному полюсу источника;
• зажим вольтметра «–» подключают к отрицательному полюсу источника.
• При этом благодаря колоссальному собственному сопротивлению вольтметра короткого замыкания не возникает, и прибор точно измеряет напряжение на полюсах источника (рис. 97 учебника).