Напряжение формула единица измерения: Единица измерения напряжения, теория и онлайн калькуляторы

Страница не найдена — Все об энергетике, электротехнике и электронике

Релейная защита

На различных тяговых подстанциях постоянного тока длительное время эксплуатируются блоки микропроцессорных защит фидеров контактной

Атомная энергетика

Игумнов Л.А., Казаков Д.А, Жегалов Д.В., Модин И.А.  (НИИ Механики ННГУ им. Н.И. Лобачевского,

Учет электроэнергии

Электрические сети 0,4 кВ представляют собой, как правило, радиальные линии, связывающие шины 0,4 кВ

Электрические сети

При проведении электромонтажных работ часто возникает вопрос о цветовой кодировке проводов. Раньше, как это

Низковольтные сети 0.4кВ

Почему выбивает УЗО? В данной статье мы собрали распространенные причины отказов и ложных срабатываний

Качество электроэнергии

Многие, наверное, слышали о проверке качества электроэнергии, но так и не поняли, зачем она

Системы электроснабжения

 Системы электроснабжения сооружаются для обеспечения электроприемников электроэнергией в необходимом количестве и требуемого качества. Электроприемник

Качество электроэнергии

Нормально допустимые и предельно допустимые отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. Эти

Библиотека энергетика

Перечень РД Минэнерго по энергетике часть 1: РД 34.01.101-93 Номенклатура документов электроэнергетической отрасли РД 34.01.201-90

Электрические сети

Аварийное нарушение электроснабжения 25 мая 2005 г. и тяжелейшее прохождение зимнего максимума нагрузки 2005/2006

Библиотека энергетика

БКЖИ.656457.024-06РЭ ШМ35-06 изм0.pdf КЖИ.656457.024-39РЭ ШМ35-39 изм0.pdf БКЖИ.656455.006 РЭ ШМ35.pdf БКЖИ.656457.018-36РЭ ШМЗТ2-36 изм0.pdf БКЖИ.656457.033-03.01РЭ ШМ35-ВС3

Учет электроэнергии

Программный комплекс состоит из 6 автономных программ: РАП-ОС-ст – расчет технических потерь в замкнутых

Релейная защита

Для защиты трехобмоточных и мощных двухобмоточных трансформаторов фирмой «АВВ» выпускается цифровое устройство типа RET 316.

Силовая электроника

Инверторы— это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный. Изобразим упрощенную схему инвертора на биполярных

Электрические сети

Согласно закону Франции 2000-108 «О модернизации и развитии услуг электроснабжения», оператор системы электропередачи –

Электротехника

Фазометр – электроизмерительное диагностическое устройство, устанавливаемые в электрических цепях переменного тока для установления угла

Электротехника

Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1

Работа электрика — прикладные инструкции

Проверка проводов и кабелей — необходимая процедура после полной или частичной замены бытовой электропроводки.

Страница не найдена — Все об энергетике, электротехнике и электронике

Электрические сети

На отечественных электростанциях вырабатывается электроэнергия трехфазного переменного тока частотой 50 Гц. Постоянный ток получают

Выбор электрооборудования

Сегодня уже трудно представить выполнение таких работ, как строительство и соответствующий ремонт, без использования

Релейная защита

Маркировка – это система условных обозначений, предназначенная для нанесения на провода, схемы, аппараты вторичных

Выбор электрооборудования

Автоматический выключатель выбирается исходя из следующих условий: 1. Соответствие номинального напряжения выключателя Uн к

Работа электрика — прикладные инструкции

Выбор автоматов защиты осуществляется не только при монтаже новой электрической сети, но и при

Электрические сети

Опоры для крепления линий электропередач могут классифицироваться по разным параметрам. В первую очередь стоит

Выбор электрооборудования

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются

Системы электроснабжения

В соответствии с ПУЭ  (п 1.2.18-20) в отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на

Кабельные линии

Настоящий раздел обобщает результаты диагностики и измерений на КЛ, проведенных в энергосистемах России и

Процессоры

Общие принципы построения и структура процессоров Принцип микропрограммного управления. Функции обработки информа­ции в цифровых

Кабельные линии

Прибор, который используется для определения сопротивления изоляции называется мегомметром, он известен с конца позапрошлого

Электротехника

Существенным недостатком силиконовых изоляторов является временная потеря гидрофобности после воздействия осадков в виде дождя

Силовая электроника

Что такое ЦАП? Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое

Электротехника

На электростанциях и подстанциях 35-220 кВ и более для питания электроэнергией вспомогательных приборов, агрегатов

Библиотека энергетика

Перечень руководящих документов Росэнергоатома по энергетике: РД ЭО 0036-95 (с изм. 2001) Инструкция по

Электротехника

Электрические сети напряжением до 1 кВ формируют системы внутреннего электроснабжения цехов промышленных предприятий и

Электрические сети

При строительстве новых или реконструкции уже существующих трансформаторных подстанций выполняется определенный комплекс работ по

Электрическое напряжение. Определение, объяснение простыми словами, единица измерения, формула

Одним из самых фундаментальных терминов в электротехнике является термин «электрическое напряжение». В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.

Объяснение простыми словами

Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные — на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.

Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».

Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила для электрического заряда.

Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.

Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):

Напряжение — это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.

Сравнение с использованием модели протекания воды.

Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.

Электрическое напряжение — сравнение с использованием модели протекания воды

В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.

Формула

Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид

U = R * I .

Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).

Другая формула для расчета электрического напряжения такова:

U = P / I .

То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.

Единица измерения электрического напряжения

Единицей измерения электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского учёного А. Вольта).

1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.

[U] = 1 В

Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.

В электротехнике напряжение может варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10-6 В) и миливольт (1 мВ = 10-3 В), до киловольт (1 кВ = 1 * 103 В) и мегавольт (1 МВ = 106 В)

Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:

1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.

Электрическое напряжение в цепи

Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.

Источники напряжения и электрическая цепь

Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (UQ). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу. 

Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.

Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.

Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении

У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.

При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.

Электрическое напряжение при последовательном соединении

Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:

UQ = U1 + U2 + U3

то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.

В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.

Электрическое напряжение в параллельной цепи

Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:

UQ = U1 = U2 = U3

Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.

Измерение электрического напряжения

Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.

Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).

Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.

Примеры типовых значений электрического напряжения

Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.

Светодиод1,2 — 1,5 В
Зарядное устройство USB5 В
Напряжение автомобильного аккумулятора12, 4 — 12,8 В
Напряжение в розетке (среднеквадратичное или действующее значение)230 В
Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП)60 кВ — 1 МВ

Вы можете видеть, что на высоковольтных линиях присутствует напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для того, чтобы уменьшить потери в длинных линиях.

Решающим фактором для потребителя является мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения с помощью формулы:

P = U * I

Это означает, что электрический ток I так же важен для потребителя, как и электрическое напряжение. Согласно закону Ома, зависимость между током и напряжением имеет вид:

U = R * I .

Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, которые заполнены одинаковым количеством воды. Каждый бассейн имеет слив, который различается по сечению, т.е. в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом — очень большая.

Постоянное электрическое напряжение можно определить по тому, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Если сечение сливной трубы больше, то сопротивление меньше и, соответственно, может протекать больший ток.

Напряжение: формулы, единицы измерения, природа явления

Электричество воспринимается нами как данность и вряд ли кто задумывается над тем, что такое электрическое напряжение и какова его физическая сущность, когда включает свет, компьютер или стиральную машину. На самом же деле оно заслуживает гораздо большего внимания, и не только потому, что может быть смертельно опасным, но и из-за того, что Человечество, овладев этим видом энергии, совершило качественный цивилизационный скачок.

Природа электрического напряжения

Вспомним один из наиболее интересных моментов на школьном уроке физики, когда преподаватель вращал диск электрической машины, а между металлическими шариками проскакивала искра. Это и есть видимое отражение природного феномена под названием электрический ток. Он возникает из-за того, что на одном шарике отрицательно заряженных ионов больше, а на другом меньше, из-за чего возникает разность потенциалов, то есть факт, нарушающий основной закон Природы – сохранения энергии.

Отрицательно заряженные частицы стремятся переместиться туда, где их меньше, тем самым обнулив разницу. Конечно же, электроны не проходят весь путь между заряженными шариками, называемых полюсами. Их пробег ограничивает кристаллическая решетка, узлов которой они не могут покинуть. Зато способны удариться о соседние частицы и передать импульс по цепочке дальше, создавая эффект домино. Каждое такое соударение порождает выплеск энергии, из-за чего система переходит из состояния покоя в возбужденное, которое и принято называть электрическим напряжением.

Сила, движущая заряженные частицы

Чтобы поставить себе на службу электрическое напряжение и ток, человеку надо было найти силу, которая могла возобновлять разницу потенциалов между полюсами, порождая непрерывное соударение частиц кристаллической решетки. Их оказалось целых три:

  1. Электромагнитная индукция – возникновение тока в результате взаимозависимого перемещения металлов в магнитном поле. Используется в генераторах постоянного и переменного тока.
  2. Электрохимическое взаимодействие, порождаемая разностью потенциалов кристаллических решеток веществ. Используется в аккумуляторах, батареях питания постоянного тока.
  3. Термохимическая реакция, повышающая активность электронов в результате нагрева.

Сила, порождающее движение заряженных частиц, получила наименование «электродвижущая» (аббревиатура ЭДС) и обозначается на схемах буквой «Е», обычно сопутствующей мнемосимволам разъемов, к которым подключается источник питания.

Вольты и амперы

ЭДС и напряжение измеряются в вольтах – условной единице, названной в честь итальянца Алессандро Вольты, официально признанного изобретателя гальванической батареи – источника постоянного тока. Это количество работы, которая совершается при перемещении единицы заряда (кулона), если при этом был потрачен 1 джоуль условной энергии.

Однако существует и вторая единица измерения электрического тока – ампер, названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера. Традиционно ее называют силой тока, хотя правильнее применять термин «магнитодвижущая сила», что наиболее полно отражает двуединую физическую сущность заряженной частицы.

Магнитное и электрическое поля электрона стремятся к взаимной компенсации, а их зависимость определяется законом Ома, описываемого формулой I = U / R. Если сопротивление среды резко падает (например, при коротком замыкании), то сила тока растет по экспоненте. Это вызывает ответное падение напряжения, в результате чего система приходит в равновесное состояние. Подобный эффект можно заметить во время работы сварочного трансформатора, когда при возникновении дуги лампы накаливания почти гаснут.

Существует и другой эффект: при большом сопротивлении среды заряд одного знака копится на какой-либо поверхности до тех пор, пока напряжение не достигнет критического уровня, после чего происходит пробой (возникновение тока) в направлении поверхности с наибольшей разницей потенциала. Статическое напряжение чрезвычайно опасно, поскольку в момент разряда оно может порождать токи силой в сотни ампер. Поэтому металлические конструкции, длительное время находящиеся в магнитном поле, обязательно заземляются.

Постоянный или переменный?

Напряжение – это статическая составляющая электричества, а сила тока – динамическая, ведь его направление меняется вместе с полярностью на концах проводника. И это свойство оказалось очень полезным для распространения электричества по Миру. Дело в том, что любой ток затухает из-за внутреннего сопротивления среды, согласно всё тому же закону сохранения энергии. Но оказалось, что двигающийся в одну сторону поток электронов усилить очень сложно, а циклически изменяющий направление – просто, для этого применяется трансформатор с двумя обмотками на одном сердечнике.

Чтобы получить переменный ток, надо вывернуть наизнанку принцип, открытый Фарадеем, который в своем прообразе электрического генератора вращал медный диск в поле действия постоянного магнита. Никола Тесла сделал наоборот – поместил вращающийся электромагнит внутрь неподвижной обмотки, получив неожиданный эффект: в момент прохождения полюсов через нейтраль магнитного поля амплитуда напряжения падает до нуля, а потом снова растет, но уже с другим знаком. За один оборот направление движения электронов в проводнике меняется два раза, составляя рабочую фазу. Поэтому переменный ток называют еще и фазным. А порождающее его напряжение – синусоидальным.

Никола Тесла создал генератор с двумя обмотками, расположенными под углом в 900 друг к другу, а русский инженер М.О. Доливо-Добровольский усовершенствовал его, расположив на статоре три, что увеличило стабильность работы электрической машины. В результате этого промышленный переменный ток стал трехфазным.

Почему 220 вольт 50 Гц?

В нашей стране бытовая однофазная сеть имеет номиналы 220 вольт и 50 герц. Причина появления именно этих цифр весьма интересна.

Пальма первенства в бытовом освоении электричества принадлежит Томасу Эдисону. Он использовал исключительно постоянный ток, поскольку гениального изобретения Николой Тесла переменного еще не произошло.

Первым электрическим прибором оказалась лампа накаливания с угольной нитью. Опытным путем было установлено, что лучше всего она работает при напряжении в 45 вольт и включенном в цепь балластном сопротивлении, обеспечивающим рассеивание еще двадцати. Приемлемая длительность работы обеспечивалась последовательным включением двух ламп. Итого в бытовой сети, по мнению Эдисона, должно было быть 110 вольт.

Однако передача постоянного тока от электростанций к потребителям сопровождалась большими трудностями: через одну-две мили он затухал полностью. По Закон Джоуля — Ленца количество тепла, рассеиваемое проводником при прохождении тока, вычисляется по следующей формуле: Q = R . I2. Чтобы снизить потери вчетверо, напряжение увеличили до 220 вольт, а силовую линию построили из трех проводников – с двумя «плюсами» и одним «минусом». Потребитель получал все те же 110 вольт.

Противостояние Николы Теслы и Томаса Эдисона, названное «Войной токов», решилось в пользу переменного, поскольку его можно было передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Тем не менее напряжение между силовыми проводниками осталось 220, а линейное, поступающее к потребителю – 127 вольт, поскольку из-за сдвига фаз на 120 градусов амплитуды напряжения не складываются арифметически, а умножаются на 1,73 – корень квадратный из трех.

В СССР сетевым номиналом 127 вольт в одной фазе пользовались до начала 60-х годов. В ходе усовершенствования электрических линий, проводимого с целью увеличения передаваемой мощности, конструкторы пошли по тому же пути, что и Эдисон – повысили напряжение.

За точку отсчета приняли 220 вольт, которые измерялись между фазами. Оно стало бытовым. А промышленное межфазное напряжение 380 вольт получилось умножением 220 на 1,73. Частота 50 Гц – это 3 тыс. колебаний в минуту, то есть, оптимальное количество оборотов коленвала дизеля или другого двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие машину переменного тока.

Теперь вы знаете, что такое напряжение и электрический ток, в каких единицах они измеряются и как зависят друг от друга, а также почему в вашей розетке именно 220 вольт. Приведенные факты не носят академического характера и не претендуют на истину в последней инстанции. Более подробно ознакомиться с природой этого феномена вы можете в учебниках по электротехнике.

Как обозначается напряжение и единицы силы электрического тока

Эпоха научно-технического прогресса требует измерять всё. Электрические сети не являются исключением. Для проведения этих измерений важно знать, в каких единицах измеряется напряжение. В самой распространённой системе СИ единица измерения напряжения обозначается 1 Вольт или сокращённо – 1В. Может также обозначаться 1V. Это обозначение выбрано в честь физика из Италии Алессандро Вольта.

Вольт

Что такое электрическое напряжение

Оно не может существовать само по себе, как вес. Есть два случая, требующих его измерения:

  • Между разными узлами электрической цепи или концами проводника. 1 Вольт – это такой потенциал, при котором ток величиной 1 Ампер выделяет 1 Ватт мощности;
  • Измерение напряженности электростатического поля проводится между двумя точками поля. Единица напряжения 1 Вольт – это такой потенциал, при котором заряд 1 Кулон совершает работу 1 Джоуль.

Эффект Джозефсона

С 1990 года есть ещё одно определение электрического напряжения. Его значение связано с эталоном частоты и цезиевыми часами. При этом используется нестационарный эффект Джозефсона6 при облучении специальной матрицы излучением на частоте 10-80 ГГц на ней появляется потенциал, величина которого не зависит от условий эксперимента.

Действующее значение напряжения

Определение величины электрического потенциала между участками сети производится по количеству тепла или работе, совершённой за определённое время. Но это справедливо только для постоянного тока. Переменное напряжение имеет синусоидальную форму. В максимуме амплитуды оно максимально, а при переходе от положительной полуволны к отрицательной равно нулю.

Поэтому для расчётов используется среднее значение, которое называется «действующее значение», при расчетах приравнивающееся к постоянному той же величины.

От максимального оно отличается в 1,4 раза или √2. Для сети 220В максимальное значение составляет 311В. Это имеет значение при выборе конденсаторов, диодов и других элементов электронных схем.

Определение величины напряжения

Чем измеряется напряжение? Это производится специальным прибором – вольтметром. Он может иметь различную конструкцию, быть цифровым или стрелочным, но его сопротивление должно быть максимально возможным, а ток – минимальным. Это необходимо для того, чтобы свести к минимуму влияние прибора на сеть и потери в проводах, идущих от источника питания к вольтметру.

Вольтметр

Сеть постоянного тока

Эти измерения производятся магнитоэлектрическими приборами. В последнее время широко используются устройства с цифровым табло.

Самый простой способ – прямое подключение прибора к месту измерения. Это возможно при соблюдении ряда условий:

  • Предел измерения больше ожидаемого максимума. Если оно до начала измерений неизвестно, то следует выбрать наибольший предел и последовательно его уменьшать;
  • Соблюдение полярности подключения. При неправильном подключении стрелка отклонится в обратную сторону, а цифровое табло покажет отрицательную величину.

Если предел измерений недостаточен, то его можно расширить при помощи добавочного сопротивления. Оно может быть внешним или внутренним. Можно использовать несколько сопротивлений и переключать их для изменения предела прибора. Так устроен мультиметр.

Сеть переменного тока

Напряжение измеряется в сети переменного электрического тока приборами всех типов, кроме магнитоэлектрических. Эти устройства можно использовать, только подключив их к выходу выпрямителя.

Для увеличения предела измерения есть несколько способов. Для этого к прибору подключается дополнительно одно из устройств:

  • добавочные сопротивления;
  • при неизменной частоте сети вместо сопротивления используются конденсаторы;
  • самый распространённый вариант – применение трансформатора напряжения.

Требования к измерительным устройствам и дополнительным приспособлениям такие же, как к устройствам постоянного тока.

Схема подключения

Измерение разности потенциалов – это важный элемент наладки электрических и электронных схем, и от него зависит надёжность работы оборудования. Для того чтобы правильно их произвести, важно знать, в чем измеряется напряжение в цепях электрического тока.

Видео

Оцените статью:

Электрическое напряжение – скорость, формула, единица измерения СИ » ГДЗ онлайн

Заряженные частицы, попадая в электрическое поле, начинают двигаться упорядоченно в определенном направлении. Частицы приобретают определенную энергию, то есть совершается работа. Для определения величины работы по перемещению электрических зарядов в электрическом поле с напряженностью Е потребовалось введение еще одной физической величины — электрического напряжения U.

Чему равна работа электрического поля

Отношение работы А, совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда q называется электрическим напряжением U между этими точками:

$$ U = { А over q } $$

Можно сказать, что электрическое напряжение равно работе по перемещению заряда величиной в 1 кулон из одной точки электрического поля в другую.

Тогда для определения величины совершенной полем работы, можно получить следующее выражение:

$$ А = { q * U } $$

Рис. 1. Электроны в электрическом поле.

Единицы измерения

В международной системе единиц (системе СИ) единица измерения напряжения (В) названа в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта (1745-1827г.г.), внесшего огромный вклад в понимание природы электричества. Поскольку работа измеряется в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (К), то:

$$ [1В] ={ [1 Дж]over [1 К] } $$

Напряжение может изменяться в широчайших пределах, поэтому для расчетов часто используются такие внесистемные единицы, как:

  • 1 микровольт (мкВ) = 0,0000001 В;
  • 1 милливольт (мВ) = 0,001 В;
  • 1 киловольт (кВ) = 1000 В;
  • 1 МВ (мегавольт) = 1000000 В.

Постоянное и переменное напряжения

Различают два вида напряжений — постоянное и переменное. Примером источников постоянного напряжения могут служить обычные батарейки, используемые в бытовой технике: пультах, телефонах и т.д. На поверхности батареек всегда присутствуют обозначения “−” и “+”.

Это означает, что направление электрического поля, создаваемое батареей будет все время постоянным. Источники переменного напряжения были изобретены позднее и получили огромное распространение ввиду того, что переменный ток легче поддается преобразованиям (усилению, ослаблению) и передаче на дальние расстояния.

Рис. 2. Графики постоянного и переменного напряжений.

Из графиков видно, что постоянное напряжение не зависит от времени,

$$U(t) = const $$

Переменное напряжение изменяется, переходя через нулевое значение, меняя знак “+” на “−”. Для формулы электрического напряжения U(t) хорошо подходят тригонометрические функции синуса или косинуса:

$$ U(t) = U_А * sin(ω*t) $$

где UА амплитуда переменного напряжения, то есть максимальное значение напряжения;

ω — частота переменного напряжения, показывающая сколько раз за одну секунду изменяется знак напряжения, то есть “плюс” меняется на “минус”. Величина частоты показывает с какой скоростью (как часто) изменяется полярность напряжения. Например, в электрических розетках наших квартир напряжение изменяется 50 раз в секунду (с частотой 50 Герц).

Действие электрического напряжения, начиная с некоторых значений становится небезопасным для человека. В сухих помещениях безопасным считается напряжение до 36 В. Для помещений с повышенной сыростью эта величина еще меньше — 12 В. Поэтому надо всегда соблюдать технику безопасности при работе и обращении с электрическими приборами.

Как и чем измеряют напряжение

Напряжение измеряют с помощью прибора, который называется вольтметром. Вольтметр подключается параллельно элементу электрической цепи, где хотят измерить падение напряжения. Обозначается на схемах вольтметр в виде кружка, с расположенной внутри него буквой V.

Рис. 3. Различные вольтметры и их обозначение на схемах.

Раньше все вольтметры были стрелочные, и значение напряжения показывала стрелка на шкале прибора с нанесенными цифровыми значениями. Сейчас большинство этих приборов выпускаются с электронной индикацией (светодиодной или жидкокристаллической). Сам вольтметр не должен влиять на результат измерения, поэтому его собственное сопротивление делают очень большим, чтобы через него практически не протекали заряды (электрический ток).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрическое напряжение — это физическая величина, характеризующая работу силы электрического поля по перемещению электрических зарядов. Напряжение может быть постоянным или переменным. Для измерения напряжения используются вольтметры.

Единица измерения напряжения кратко » ГДЗ онлайн

Напряжение — это физическая величина, позволяющая вычислить работу, совершаемую заряженными частицами под действием электрического поля. Электрический ток, образованный упорядоченным потоком зарядов в проводнике, совершает работу, например, разогревает нить накаливания электрической лампы. Единица измерения работы — джоуль.

На что похоже электрическое напряжение

Для наглядности можно сравнить электрический ток в проводнике с потоком воды в трубе за счет разности высот. Поток воды будет тем больше, чем больше перепад высоты, который создает напор (аналог напряжения) в трубе. Работа, совершенная водой, будет зависеть от ее массы и высоты, с которой произошло ее падение. Объем воды, прошедший через сечение трубы за определенное время, можно сравнить с величиной заряда, который прошел через проводник. Аналогично, работа тока будет пропорциональна величине протекшего заряда и напряжению электрического поля на участке цепи.

Итак, если в цепи нет напряжения, то не будет и электрического тока, так же, как и в замкнутом озере, где вода расположена на одном уровне, не будет никаких течений.

Рис. 1. Примеры приборов, в которых работу совершает электрический ток.

Определение электрического напряжения

Работа A, совершенная электрическим полем по перемещению электрического заряда q, равна:

$ A = { q*U } $ (1)

где величина U называется электрическим напряжением. Если электрический заряд равняется 1 Кл (кулону), то согласно формулы (1) напряжение будет в точности равно работе по перемещению единичного заряда.

Единица измерения напряжения

Единица напряжения называется вольт. Эта физическая величина получила свое название в честь выдающегося итальянского физика Алессандро Вольта, изучавшего природу электрических явлений.

Рис. 2. Портрет Алессандро Вольта.

Алессандро Вольта первым придумал и изготовил источник постоянного тока, прототип сегодняшних “батареек”, которыми люди повсеместно пользуются в быту и на производстве. Источником зарядов были химические реакции. Свое изобретение Вольта назвал гальваническим элементом в честь своего коллеги, замечательного ученого Луиджи Гальвани.

В международной интернациональной системе единиц СИ вольт обозначается заглавной латинской буквой V, а в нашей стране для этого используется буква русского алфавита В.

Воспользовавшись формулой (1) и размерностями величин для работы (Джоуль) и заряда (Кулон), получим размерность для единицы напряжения:

$$ [В] = { [Дж]over [Kл] } $$

На практике, для удобства, кроме вольта часто используются кратные единицы, когда напряжение либо много меньше одного вольта, либо много больше:

  • Микровольт: 1 мкВ=0,000001 В;
  • Милливольт: 1 мВ=0,001 В;
  • Киловольт: 1 кВ=1000 В.

Рис. 3. Примеры разных величин напряжения: автомобильный аккумулятор – 12 В, электродвигатели – 380 В, ЛЭП – 500 кВ, молния – 1000 000 В.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что напряжением называется величина, характеризующая способность электрического поля совершать работу, создавая электрический ток в проводниках. Единица измерения напряжения в системе СИ — вольт. Если напряжение на участке цепи равно 1 В, то работа по перемещению заряда величиной 1 Кл будет равна 1 Дж.

Что такое единица измерения напряжения? — Определение и единица измерения напряжения в системе СИ

Напряжение можно определить как электрический потенциал между двумя точками. В проводнике, если электрическое поле однородно, разность потенциалов между точками равна

В = EL

Используя различные уравнения удельного сопротивления, тока и сопротивления, можно вывести другое уравнение:

В = EL

V = የJL

V = የ \[(\frac {I} {A})\] L

V = I \[(\frac {\varphi L} {A})\]

V = IR

Из приведенного выше уравнения мы можем сделать вывод, что напряжение или разность потенциалов на резисторе можно найти, умножив ток на сопротивление.Единицей разности потенциалов является вольт (В), который также равен джоулю на кулон (Дж/Кл).

Единица напряжения в системе СИ

Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт, который обозначается буквой v. Вольт является производной единицей измерения электродвижущей силы или электрического потенциала в системе СИ. Таким образом, благодаря этому вольт можно определить несколькими способами. Вольт можно определить как «электрический потенциал, присутствующий на проводе, когда электрический ток в один ампер рассеивает мощность в 1 ватт (Вт).

В = \[\frac {W} {A}\]

Кроме того, вольт можно выразить как разность потенциалов, которая существует между двумя точками в электрической цепи, которая передает энергию 1 джоуль (Дж) на кулон заряда который течет по цепи.3}\]

Это также может быть выражено как ампер, умноженный на ом, джоуль на кулон или ватт на ампер.

В = AΩ = \[\frac {J} {C}\] (энергия на единицу заряда) = J\[\frac {J} {C}\] (мощность на единицу тока)

Также может быть выражается в единицах СИ:

1 В = 1 кг м 2 с -3 А -1 (Один килограмм-метр в квадрате в секунду в кубе на ампер).

ниже есть некоторые другие электрические агрегаты

Вт Частота Герц Гц Сопротивление Ом

Si Unit

9

Charge

Coulob

Q

Импеданс

Ом

Z

Проводимость

Саймен

G или ひ

Емкость

Фарад

С

Индуктивность

Генри

л или Н

Напряжение

Вольт

В или Е

Мощность

Вт

9 0059

R или Ω


Источник напряжения

Источник напряжения — это устройство, которое используется в электрических цепях с фиксированной разностью потенциалов на обоих концах.Источником напряжения может быть батарея или любой другой источник с фиксированной разностью потенциалов и постоянным током.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

В случае, если концы источника напряжения подключены к цепи с несколькими резисторами, вольтметрами и т. д., тогда формируется полная цепь, и теперь ток может течь от одного конца к другой. А если ток идет, то он одинаков на обоих выводах источника напряжения.

Источник напряжения — это часть полной цепи, которая может создавать электродвижущую силу.Электродвижущая сила представлена ​​с помощью символа ε. Единица электродвижущей силы такая же, как и напряжение, то есть это вольт. Здесь вольт равен джоулю на кулон (Дж/Кл). В случае идеального источника электродвижущая сила равна разности напряжений,

ε = V = IR

Реальные источники, такие как батареи, не считаются идеальными источниками, поскольку они имеют некоторый источник внутреннего сопротивления. Если r обозначает внутреннее сопротивление батареи, то разность напряжений на батарее равна

В = ε — Ir

Это также можно назвать напряжением на клеммах батареи.Когда полная цепь состоит из резистора с сопротивлением R, то ток, протекающий через него, можно найти с помощью уравнения: + r) = ε

I = \[\frac {(R+r)} {\epsilon}\]

Таким образом, ток равен электродвижущей силе источника, деленной на полное сопротивление, присутствующее в цепи .

СИ Единица измерения напряжения

СИ или международная система единиц измерения – это международная система измерения, повсеместно используемая во всех технических и научных исследованиях.

Единицы СИ позволяют учащимся не запутаться при чтении единиц измерения. Стандартная система единиц помогает всему миру понять все измерения всего в одном наборе систем единиц. Единицей напряжения в системе СИ является вольт, который обозначается буквой v.

Электрическая потенциальная энергия: разность потенциалов

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Дайте определение электрического потенциала и электрической потенциальной энергии.
  • Опишите взаимосвязь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.
  • Объясните электрон-вольт и его использование в субмикроскопическом процессе.
  • Определить электрическую потенциальную энергию, зная разность потенциалов и величину заряда.

Рис. 1. Заряд, ускоренный электрическим полем, аналогичен массе, спускающейся с холма. В обоих случаях потенциальная энергия переходит в другую форму. Работа совершается силой, но поскольку эта сила консервативна, мы можем написать Вт = –ΔPE.

Когда свободный положительный заряд q ускоряется электрическим полем, как показано на рисунке 1, ему придается кинетическая энергия. Этот процесс аналогичен ускорению объекта гравитационным полем. Это похоже на то, как будто заряд спускается с электрического холма, где его электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Исследуем работу, совершаемую электрическим полем над зарядом q в этом процессе, чтобы мы могли разработать определение электрической потенциальной энергии.

Электростатическая или кулоновская сила является консервативной, а это означает, что работа, совершаемая на q , не зависит от пройденного пути. Это в точности аналогично гравитационной силе в отсутствие диссипативных сил, таких как трение. Когда сила консервативна, можно определить потенциальную энергию, связанную с силой, и обычно легче иметь дело с потенциальной энергией (поскольку она зависит только от положения), чем напрямую вычислять работу.

Мы используем буквы PE для обозначения потенциальной электрической энергии, которая измеряется в джоулях (Дж). Изменение потенциальной энергии ΔPE имеет решающее значение, поскольку работа, совершаемая консервативной силой, равна отрицательной величине изменения потенциальной энергии; то есть Вт = –ΔPE. Например, работа 90 251 Вт 90 252, проделанная для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительной и является результатом потери PE или отрицательного ΔPE. Перед ΔPE должен стоять знак минус, чтобы W было положительным.PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и рассчитав работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Потенциальная энергия

Вт = –ΔPE. Например, работа 90 251 Вт 90 252, проделанная для ускорения положительного заряда из состояния покоя, является положительной и является результатом потери PE или отрицательного ΔPE. Перед ΔPE должен стоять знак минус, чтобы W было положительным. PE можно найти в любой точке, взяв одну точку за точку отсчета и рассчитав работу, необходимую для перемещения заряда в другую точку.

Гравитационная потенциальная энергия и электрическая потенциальная энергия совершенно аналогичны. Потенциальная энергия учитывает работу, выполняемую консервативной силой, и дает дополнительное представление об энергии и преобразовании энергии без необходимости иметь дело с силой напрямую. Например, гораздо чаще используется понятие напряжения (связанное с потенциальной электрической энергией), чем непосредственное рассмотрение кулоновской силы.

Прямой расчет работы, как правило, затруднен, поскольку W = Fd cos θ , а направление и величина F могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов необычной формы и на произвольных путях.Но мы знаем, что, поскольку 90 251 F 90 252 = 90 251 qE 90 252 , работа и, следовательно, ΔPE пропорциональны пробному заряду 90 251 q. Чтобы иметь физическую величину, независимую от пробного заряда, мы определяем электрический потенциал В (или просто потенциал, поскольку понимается электричество) как потенциальную энергию на единицу заряда [латекс]V=\frac{\text {PE}}{q}\\[/латекс].

Электрический потенциал

Это электрическая потенциальная энергия на единицу заряда.

[латекс]\displaystyle{V}=\frac{\text{PE}}{q}\\[/latex]

Поскольку PE пропорционально q , зависимость от q отменяется. Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии ΔPE имеет решающее значение, поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов Δ V между двумя точками, где

[латекс] \ displaystyle \ Delta {V} = V _ {\ text {B}} -V _ {\ text {A}} = \ frac {\ Delta {\ text {PE}}} {q} \\ [/ латекс]

Разность потенциалов между точками A и B, В B  − В A , таким образом, определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного от A к B разделить на заряд.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

[латекс] 1 \ текст {V} = 1 \ гидроразрыва {\ текст {J}} {\ текст {C}} \\ [/латекс]

Потенциальная разница

Разность потенциалов между точками A и B, V B  –  V A , определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из A в B, деленное на заряд. Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

[латекс]\displaystyle{1}\text{V}=1\frac{\text{J}}{\text{C}}\\[/latex]

Знакомый термин напряжение является общим названием разности потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, подразумевается разность потенциалов между двумя точками. Например, у каждой батареи есть две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. Более того, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, является произвольной. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный нуль, например, уровень моря или, возможно, пол лекционного зала.

Таким образом, связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением [латекс]\Delta{V}=\frac{\Delta\text{PE}}{q}\\[/latex] и ΔPE = q Δ В .

Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Отношение между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением

.

[латекс]\Delta{V}=\frac{\Delta\text{PE}}{q}\\[/latex] и ΔPE = q Δ V

Второе уравнение эквивалентно первому.

Напряжение не совпадает с энергией. Напряжение – это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), однако один из них хранит гораздо больше энергии, чем другой, поскольку ΔPE = q Δ В . Автомобильный аккумулятор может передавать больше заряда, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба являются аккумуляторами на 12 В.

Пример 1. Расчет энергии

Предположим, у вас есть 12.Аккумулятор мотоцикла 0 В, который может выдержать заряд 5000 Кл, и автомобильный аккумулятор 12,0 В, который может выдержать 60 000 Кл заряда. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Если мы говорим, что у нас есть аккумулятор на 12,0 В, это означает, что его клеммы имеют разность потенциалов 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она проводит заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряду сообщается изменение потенциальной энергии, равное ΔPE = q Δ В .

Итак, чтобы найти выходную энергию, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумуляторной батареи мотоцикла q = 5000 Кл и Δ В = 12,0 В. Общая энергия, отдаваемая аккумуляторной батареей мотоцикла, составляет

[латекс]\begin{array}{lll}\Delta\text{PE}_{\text{цикл}}&=&\left(5000\text{C}\right)\left(12.0\text{V }\right)\\\text{ }&=&\left(5000\text{ C}\right)\left(12.0\text{ J/C}\right)\\\text{ }&=&6.5\текст{J}\конец{массив}\\[/латекс]

Обсуждение

Хотя напряжение и энергия связаны, это не одно и то же. Напряжения батарей идентичны, но энергия, выдаваемая каждой из них, совершенно разная. Учтите также, что по мере разрядки аккумулятора часть его энергии расходуется внутри, и напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за низкого заряда автомобильного аккумулятора. Энергия, поставляемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Обратите внимание, что энергии, рассчитанные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для батареи отрицательно, так как она теряет энергию. Эти батареи, как и многие электрические системы, на самом деле перемещают отрицательный заряд, в частности электроны. Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных клемм (A) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным клеммам (B), как показано на рисунке 2. Изменение потенциала составляет Δ В = В B   – V A  = +12 В, а заряд q отрицателен, так что ΔPE = q Δ V является отрицательным, что означает, что потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q от А до Б.

Рис. 2. Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к положительной клемме. Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды так, что на отрицательной клемме появляется избыток отрицательного заряда, который отталкивается ею и притягивается к избыточному положительному заряду на другой клемме. С точки зрения потенциала, положительная клемма находится под более высоким напряжением, чем отрицательная. Внутри батареи движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример 2. Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?

Стратегия

Чтобы найти количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который переместился за 1,00 с. Перемещенный заряд связан с напряжением и энергией через уравнение ΔPE = q Δ В . Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 Дж в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем ∆PE = –30.0 Дж и, поскольку электроны идут от отрицательного вывода к положительному, мы видим, что Δ В = +12,0 В.

Решение

Чтобы найти заряд q перемещенных, решаем уравнение ΔPE = q Δ В : \[/латекс].

Вводя значения для ΔPE и Δ V , получаем

[латекс]q=\frac{-30.0\text{J}}{+12.0\text{V}}=\frac{-30.0\text{J}}{+12.0\text{J/C}}- 2.{19}\text{ электроны}\\[/latex]

Обсуждение

Это очень большое число. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельных электронов, когда их так много в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих случаях были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном направлению отрицательного заряда, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или движутся ли оба.

Электрон Вольт

Рис. 3. Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя металлическими пластинами. Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.

Энергия, приходящаяся на электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных той, что была в предыдущем примере, — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на одну частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение.Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно для того, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и нанесли вред живым тканям. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или создать вредное рентгеновское излучение, которое также может нанести ущерб. Полезно иметь единицу энергии, связанную с субмикроскопическими эффектами. На рисунке 3 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как в телевизионной трубке старой модели или в осциллографе.Электрон получает кинетическую энергию, которая затем преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что нисходящий для электрона подъем для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением ΔPE = q Δ В , мы можем думать о джоуле как о кулон-вольте.

В субмикроскопическом масштабе удобнее определить единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), которая представляет собой энергию, сообщаемую основному заряду, ускоренному разностью потенциалов в 1 В.{-19}\text{ J}\end{массив}\\[/латекс]

Электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1 В, получает энергию 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный через 50 В, получает энергию 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) даст электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получит энергию 200 эВ. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Выполнение соединений: энергоблоки

Электрон-вольт (эВ) является наиболее распространенной единицей энергии для субмикроскопических процессов. Это будет особенно заметно в главах, посвященных современной физике. Энергия настолько важна для очень многих предметов, что существует тенденция определять специальную единицу измерения энергии для каждой основной темы. Есть, например, калории для пищевой энергии, киловатт-часы для электрической энергии и термы для энергии природного газа.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические энергии валентности, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах.Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, ему придается энергия 30 кэВ (30 000 эВ), и он может разбить до 6000 таких молекул (30 000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул). ). Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1 000 000 эВ) на событие и, таким образом, может привести к значительным биологическим повреждениям.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого добавления (или вычитания) работы или теплопередачи.Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия является константой.

Механическая энергия представляет собой сумму кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть KE+PE = константа. Потеря PE заряженной частицы становится увеличением ее KE. Здесь РЕ — электрическая потенциальная энергия. Сохранение энергии выражается в виде уравнения как KE + PE = константа или KE i + PE i = KE f + PE f , где i и f обозначают начальные и конечные условия.Как мы уже много раз убеждались, рассмотрение энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример 3. Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя при разности потенциалов 100 В. (Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр.)

Стратегия

У нас есть система только с консервативными силами. Если предположить, что электрон ускоряется в вакууме и пренебречь силой гравитации (мы проверим это предположение позже), вся электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.6\текст{ м/с}\конец{массив}\\[/латекс]

Обсуждение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как на рис. 3. Из обсуждений в разделе «Электрический заряд и электрическое поле» мы знаем, что электростатические силы на малых частицах обычно очень велики по сравнению с силой гравитации. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационной силой здесь действительно можно пренебречь. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорять электроны при малых напряжениях из-за их очень малой массы.Напряжения, намного превышающие 100 В в этой задаче, обычно используются в электронных пушках. Эти более высокие напряжения создают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать релятивистские эффекты. Вот почему в этом примере рассматривается (точно) низкое напряжение.

Резюме раздела

  • Электрический потенциал – это потенциальная энергия на единицу заряда.
  • Разность потенциалов между точками A и B, В B В A , определяемая как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещаемого из A в B, равна изменению потенциальная энергия, деленная на заряд. Разность потенциалов обычно называют напряжением, обозначаемым символом Δ В :   [латекс]\Delta V=\frac{\Delta\text{PE}}{q}\\[/ латекс] и ΔPE = q Δ V .{\text{-19}}\text{J.}\end{массив}\\[/латекс]
  • Механическая энергия есть сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы, то есть КЕ + РЕ. Эта сумма является константой.

Концептуальные вопросы

  1. Напряжение — обычное слово для обозначения разности потенциалов. Какой термин является более описательным, напряжение или разность потенциалов?
  2. Если напряжение между двумя точками равно нулю, можно ли перемещать между ними пробный заряд, совершая нулевую чистую работу? Обязательно ли это можно сделать без приложения силы? Объяснять.
  3. Какая связь между напряжением и энергией? Точнее, какова связь между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией?
  4. Напряжения всегда измеряются между двумя точками. Почему?
  5. Как связаны между собой единицы вольт и электронвольт? Чем они отличаются?

Задачи и упражнения

  1. Найдите отношение скоростей электрона и отрицательного иона водорода (имеющего лишний электрон), ускоренных при одинаковом напряжении, при нерелятивистских конечных скоростях.Примем массу иона водорода равной 1,67 × 10 −27 кг.
  2. В вакуумной трубке используется ускоряющее напряжение 40 кВ для ускорения электронов, которые ударяются о медную пластину и производят рентгеновское излучение. Нерелятивистски, какова была бы максимальная скорость этих электронов?
  3. Голое ядро ​​гелия имеет два положительных заряда и массу 6,64 × 10 −27 кг. (a) Рассчитайте его кинетическую энергию в джоулях при 2,00% скорости света. б) Сколько это в электрон-вольтах? в) Какое напряжение потребуется для получения этой энергии?
  4. Интегрированные концепции. Однозарядные ионы газа ускоряются из состояния покоя напряжением 13,0 В. При какой температуре средняя кинетическая энергия молекул газа будет такой же, как у этих ионов?
  5. Интегрированные концепции. Считается, что температура вблизи центра Солнца составляет 15 миллионов градусов Цельсия (1,5 × 10 7  ºC). При каком напряжении должен быть ускорен однозарядный ион, чтобы его энергия равнялась средней кинетической энергии ионов при данной температуре?
  6. Интегрированные концепции.  (a) Какова средняя выходная мощность сердечного дефибриллятора, который рассеивает 400 Дж энергии за 10,0 мс? (b) Почему дефибриллятор, учитывая большую выходную мощность, не вызывает серьезных ожогов?
  7. Интегрированные концепции.  Молния ударяет в дерево, перемещая заряд 20,0 Кл через разность потенциалов 1,00 × 10 2 МВ. а) Какая энергия была рассеяна? б) Какую массу воды можно поднять с 15°С до температуры кипения и затем вскипятить с помощью этой энергии? в) Обсудите ущерб, который может нанести дереву расширение кипящего пара.
  8. Интегрированные концепции.  Подогреватель бутылочек 12,0 В с питанием от батареи нагревает 50,0 г стекла, 2,50 × 10 2 г детской смеси и 2,00 × 10 2 г алюминия с 20,0 °C до 90,0 °C. а) Какой заряд переносится батареей? б) Сколько электронов течет в секунду, если для нагревания формулы требуется 5,00 мин? (Подсказка: предположим, что удельная теплоемкость детской смеси примерно такая же, как удельная теплоемкость воды.)
  9. Интегрированные концепции.  В автомобиле с батарейным питанием используется 12.система 0 В. Найдите заряд, который должны иметь батареи, чтобы разогнать автомобиль массой 750 кг из состояния покоя до 25,0 м/с, заставить его подняться на холм высотой 2,00 × 10 2 м, а затем заставить его двигаться с постоянной скоростью 25,0 м/с. м/с при приложении силы 5,00 × 10 2 Н в течение часа.
  10. Интегрированные концепции.  Вероятность синтеза значительно возрастает, когда соответствующие ядра сближаются, но необходимо преодолеть взаимное кулоновское отталкивание. Это можно сделать, используя кинетическую энергию высокотемпературных ионов газа или ускоряя ядра навстречу друг другу.(a) Рассчитайте потенциальную энергию двух однозарядных ядер, находящихся на расстоянии 1,00 × 10 −12 м, найдя напряжение одного из них на этом расстоянии и умножив его на заряд другого. б) При какой температуре атомы газа будут иметь среднюю кинетическую энергию, равную этой необходимой электрической потенциальной энергии?
  11. Необоснованные результаты.  (a) Найдите напряжение вблизи металлического шара диаметром 10,0 см, на котором имеется 8,00 Кл избыточного положительного заряда. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?
  12. Создайте свою собственную задачу.  Рассмотрите аккумулятор, используемый для питания сотового телефона. Составьте задачу, в которой вы определяете энергию, которая должна быть предоставлена ​​батареей, а затем вычисляете количество заряда, которое она должна быть в состоянии переместить, чтобы обеспечить эту энергию. Среди вещей, которые следует учитывать, — потребности в энергии и напряжение батареи. Возможно, вам придется заглянуть вперед, чтобы интерпретировать характеристики батареи производителя в ампер-часах как энергию в джоулях.

Глоссарий

электрический потенциал:  потенциальная энергия на единицу заряда

разность потенциалов (или напряжение):  изменение потенциальной энергии заряда, перемещаемого из одной точки в другую, деленное на заряд; единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, известные как вольт

.

электрон-вольт:  энергия, переданная основному заряду, ускоренному за счет разности потенциалов в один вольт

механическая энергия: сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; эта сумма является константой

Избранные решения задач и упражнений

1.42,8

4. 1,00 × 10 5 К

6. (а) 4 × 10 4 Вт; (b) Дефибриллятор не вызывает серьезных ожогов, потому что кожа хорошо проводит электричество при высоких напряжениях, подобных тем, которые используются в дефибрилляторах. Используемый гель способствует передаче энергии в тело, и кожа не поглощает энергию, а пропускает ее к сердцу.

8. (а) 7,40 × 10 3 С; (б) 1,54 × 10 20 электронов в секунду

9. 3.89 × 10 6 С

11. (а) 1,44 × 10 12 В; (b) Это напряжение очень велико. Сфера диаметром 10,0 см никогда не сможет поддерживать такое напряжение; он будет разряжаться; (c) Заряд в 8,00 Кл больше заряда, чем может разумно накопиться на сфере такого размера.

основных единиц простых электрических цепей Рона Куртуса

SfC Главная > Физика > Электричество >

Рона Куртуса (обновлено 23 октября 2019 г.)

Основными единицами простой электрической цепи являются ампер, вольт и ом.

Простая цепь обычно состоит из источника напряжения, металлических проводов, проводящих электрический ток, и одного или нескольких резисторов, препятствующих прохождению тока. Ток может быть постоянным током (DC) или переменным током (AC), и не должно быть никаких дополнительных устройств, влияющих на ток.

Единица измерения электрического тока — ампер — является базовой единицей международного стандарта (СИ). Единица напряжения и единица сопротивления получены из ампера и других стандартных единиц.К сожалению, международный комитет ученых сделал определения более сложными, чем они должны быть.

Возможные вопросы:

  • Что такое определение ампера?
  • Какой вольт?
  • Что такое единица сопротивления?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения



Ампер

Ампер ( A ) — основная единица измерения электрического тока в системе СИ.Его можно определить как количество электрического заряда или количество электронов, которые проходят точку в цепи за одну секунду. Один ампер равен 6,241*10 18 электронов, проходящих через точку в секунду, или один кулон в секунду. (Кулон ( C ) — единица измерения электрического заряда в системе СИ.)

Официальное определение ампера в системе СИ несколько странное:

«Ампер — это такой постоянный ток, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины с ничтожно малым круглым поперечным сечением, расположенных на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, будет создавать между этими проводниками силу, равную 2*10 − 7 ньютонов на метр длины.»

Примечание : Я считаю, что требование проводника бесконечной длины и «незначительного» поперечного сечения нецелесообразно и не относится к стандартному определению. Кроме того, есть неустановленные последствия отношения силы между двумя проводами и током, которые следует выразить.

Поскольку A является базовой единицей СИ, она не выражается через другие единицы.

Вольт

Вольт ( В ) — производная единица измерения электрического потенциала или электродвижущей силы в системе СИ, которая заставляет электроны двигаться.Поскольку источник электричества создает энергию, вольт можно определить как разность потенциалов между двумя точками электрической цепи, которая передает один джоуль ( Дж ) энергии на кулон ( Кл ) заряда, прошедшего через нее.

В = J/C

Напряжение также может быть указано как электрический потенциал вдоль провода, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт ( Вт ) мощности ( Вт = Дж/с ).

В = W/A

Вольт можно выразить в основных единицах СИ как 1 В = 1 кг·м 2 с −3 A −1 (один килограмм-метр в квадрате в секунду в кубе на ампер).

Принимая во внимание официальное определение ампера в системе СИ, вольт также равен разности потенциалов между двумя параллельными бесконечными плоскостями, отстоящими друг от друга на 1 метр, которые создают электрическое поле в 1 ньютон на кулон.

Ом

Ом ( Ом ) — единица электрического сопротивления в цепи.Оно определяется как сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов в 1 вольт ( В ), приложенная к этим точкам, создает в проводнике ток 1,0 ампер ( А ), при условии, что проводник не является источником какой-либо электродвижущей силы, например, в батарее.

Ом = В/А

Обратите внимание, , что это также уравнение закона Ома.

Указание сопротивления в основных единицах СИ:

Ом = кг·м 2 с −3 А −2

Электрическое сопротивление также является функцией поперечного сечения провода, а также его температуры.

Резюме

Ампер ( A ) — основная единица СИ, состоящая из количества электрического заряда или количества электронов, которые проходят через точку электрической цепи за одну секунду. Вольт ( В ) — это электрический потенциал, заставляющий электроны двигаться по проводу. Это джоуль энергии на кулон заряда. Ом ( Ом ) — единица электрического сопротивления, равная 1 вольту, деленному на 1 ампер.


Превосходство в том, что вы делаете


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

веб-сайтов

Единица электрического тока (ампер) — Национальный институт стандартов и технологий (NIST)

Ампер — Википедия

Кулоновская сила — Wolfram Science World

Кулон — Википедия

Напряжение — Гиперфизика

Разность электрических потенциалов — Класс физики

Вольт — Википедия

Ом — Википедия

Источники электроэнергии постоянного и переменного тока

Ресурсы по физике

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные за покупку книг)

Научитесь электричеству и электронике Стэн Гибилиско; Макгроу-Хилл; (2001) 34 доллара.95 — Руководство для профессионалов, любителей и техников, желающих изучить схемы переменного и постоянного тока


Поделиться этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
electric_basic_units.htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Темы физики

Основные единицы электрических цепей

Количество и единицы измерения | Electronics Club

Количество и единицы измерения | Клуб электроники

Количество

В таблице показаны электрические величины, используемые в электронике.

Связь между величинами может быть записана словами или символами (буквами), но обычно используются символы, потому что они намного короче; например, V используется для напряжения, I для тока и R для сопротивления.

Например, это уравнение слова:

напряжение = ток × сопротивление

И то же уравнение с использованием символов:

Во избежание путаницы мы обычно используем один и тот же символ (букву) для каждой величины. и эти символы показаны во втором столбце таблицы.

Перейдите по ссылкам в таблице для получения дополнительной информации о количестве.


Единицы

В приведенной выше таблице показаны единицы измерения (и символ единиц измерения), которые используются для измерения каждой величины. Например: заряд измеряется в кулонах, а символ кулона — Кл.

.

Некоторые устройства имеют удобный размер для электроники, но большинство слишком большие или слишком маленькие для прямого использования, поэтому они используются с префиксами.

Показанные префиксы увеличивают или уменьшают единицу измерения на указанное значение.

Некоторые примеры:

  • 25 мА = 25 × 10 -3 А = 25 × 0,001 А = 0,025 А
  • 47 мкФ = 47 × 10 -6 Ф = 47 × 0,000001Ф = 0,000047Ф
  • 270к = 270 × 10 3 = 270 × 1000 = 270000
Префикс Значение
милли м 10 -3 = 0,001
микро мкм 10 -6 = 0.000 001
нано п 10 -9 = 0,000 000 001
пико р 10 -12 = 0,000 000 000 001
кг к 10 3 = 1000
мега М 10 6 = 1000 000
гига Г 10 9 = 1000 000 000
тера Т 10 12 = 1000 000 000 000

Почему бы не изменить размеры единиц измерения?

Может показаться хорошей идеей сделать фарад (F) намного меньше, чтобы не использовать мкФ, нФ и пФ, но если бы мы сделали это, большинство уравнений в электронике были бы должны быть включены коэффициенты 1000000 или более, а также количества.В общем и целом гораздо лучше иметь блоки с их текущими размерами, которые определены логически из уравнений.

На самом деле, если вы часто используете уравнение, вы можете использовать специальные наборы единиц измерения с префиксом, которые более удобны.

Например: Закон Ома, V = I × R

Стандартными единицами измерения являются вольт (В), ампер (А) и ом (), но вы можете использовать вольт (В), миллиампер (мА) и килоом (к), если хотите.

Будьте осторожны, вы никогда не должны смешивать наборы единиц: используя V, A и k в законе Ома даст вам неправильные значения.


Политика конфиденциальности и файлы cookie

Этот веб-сайт не собирает личную информацию. Если вы отправите электронное письмо, ваш адрес электронной почты и любая личная информация будут используется только для ответа на ваше сообщение, оно не будет передано никому другому. На этом веб-сайте отображаются рекламные объявления, если вы нажмете на это рекламодатель может знать, что вы пришли с этого сайта, и я могу быть вознагражден. Никакая личная информация не передается рекламодателям. Этот веб-сайт использует некоторые файлы cookie, которые классифицируются как «строго необходимые», они необходимы для работы веб-сайта и не могут быть отклонены, но они не содержат никакой личной информации.Этот веб-сайт использует службу Google AdSense, которая использует файлы cookie для показа рекламы на основе использования вами веб-сайтов. (включая этот), как объяснил Google. Чтобы узнать, как удалить и контролировать файлы cookie из вашего браузера, пожалуйста, посетите сайт AboutCookies.org.

electronicsclub.info © John Hewes 2022


Хостинг этого веб-сайта принадлежит Freethought и я рад порекомендовать их за хорошую цену и отличное обслуживание клиентов.


 

E-поле и единицы напряжения

E-поле и единицы напряжения

Единицы для электрический потенциал и поля

Электрические силы измеряются в ньютонах ( Н ), электрическая потенциальная энергия выражена в джоулях ( Дж ), а электрический заряд равен измеряется в кулонах ( C ).Поскольку электрические поля и потенциалы получаются делением силы и потенциала энергии зарядом, они измеряются в единицах N/C и J/C соответственно. Но «Джоуль на кулон» ( J/C ) также известен как вольт ( V ), и поэтому электрический потенциал часто называют напряжением . Следовательно, электрическое поле также можно выразить в единицах вольт на метр. так как В/м = N/C .

Пары эквивалентных единиц

Электрическое поле

В/м

Н/З

Электрический потенциал

В

Дж/К

Сила

л.с./м

Н

Потенциальная энергия

CV

Дж

Удобный блок потенциальная энергия для описания микроскопической физики, такой как энергия электрона в атоме равна электрон-вольт ( эВ ).Один электрон вольт — это изменение потенциальной энергии, вызванное перемещением одного электрона стоит заряд, e , через разность электрических потенциалов один вольт. Следовательно, один электрон-вольт равен 1,602E-19 Дж . Родственными единицами являются кэВ, МэВ, ГэВ, и ТэВ , которые представляют 10 3 , 10 6 , 10 9 , и 10 12 эВ . Эти агрегаты будут использоваться в ядерная физика и физика элементарных частиц позже в семестре.


Примеры       Электрические поля индекс

Таблица электрических и магнитных единиц СИ

Аналогии можно найти между электрической цепью и магнитной цепью. Таким образом, в соответствии с омическим сопротивлением в магнитной цепи определяется магнитное сопротивление. В электрической цепи напряжение является причиной электрического тока. Магнитное поле электромагнита индуцируется магнитодвижущей силой рабочей катушки.Таким образом, магнитодвижущая сила соответствует магнитному напряжению.

Символ Наименование количества Производные единицы Блок Уравнение
У Напряжение Вольт В
В Магнитодвижущая сила Ампер А Q = I * N
я Электрический ток Ампер А
Ф Магнитный поток Вебер Вб (Вс)
Дж Плотность электрического тока Ампер/метр квадратный А/м 2
Б Плотность магнитного поля Тесла Т Б = Ж/А
с Электропроводность Сименс / Счетчик См/м
µ Проницаемость Генри/метр H/м мк = мк 0 * мк г
Р Электрическое сопротивление Ом 1Х2
R м Электрическое сопротивление Ампер/Вебер А/Вб Ч м = л/(мк*А)
Г электрическая проводимость Сименс С Г = 1 / Р
л Магнитная проницаемость Вебер/Ампер Вб/А Д = 1 / Р м
Закон Ома У = Я * Р Q = F * R м
л Индуктивность Генри Х
С Емкость Фарада Ф
Р Активная мощность Вт Вт
С Комплексная мощность Вольтампере ВА
В Реактивная мощность Вольтампер / Реактив или
Е Электрическое поле Вольт/метр В/м
В Электрический заряд Кулон С
Д Электрическое поле смещения Кулон / Квадратный метр С/м 2
Н Магнитное поле Ампер/метр А/м
« Назад

7.3: Электрический потенциал и разница потенциалов

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определение электрического потенциала, напряжения и разности потенциалов
  • Дайте определение электрон-вольту
  • Расчет электрического потенциала и разности потенциалов по потенциальной энергии и электрическому полю
  • Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
  • Применить сохранение энергии к электрическим системам

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, действующую на произвольный пробный заряд.(Предположение по умолчанию в отсутствие другой информации состоит в том, что пробный заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей. Поэтому, хотя потенциальной энергии вполне достаточно в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Прямой расчет работы может быть затруднен, поскольку \(W = \vec{F} \cdot \vec{d}\), а направление и величина \(\vec{F}\) могут быть сложными для нескольких зарядов, для объекты необычной формы и по произвольным траекториям.Но мы знаем, что, поскольку \(\vec{F}\), работа и, следовательно, \(\Delta U\) пропорциональна испытательному заряду \(q\). Чтобы иметь физическую величину, независимую от пробного заряда, определим электрического потенциала \(В\) (или просто потенциала, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

Электрический потенциал

Электрическая потенциальная энергия на единицу заряда равна

\[V = \dfrac{U}{q}. \метка{экв-1}\]

Поскольку U пропорционально q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии \(\Delta U\) имеет решающее значение, поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов \(\Delta V\) между двумя точками, где

Разность электрических потенциалов

Разность электрических потенциалов между точками A и B , \(V_B — V_A\) определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из A в B , разделенное по обвинению.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

\[1 \, V = 1 \, J/C \label{eq0}\]

Знакомый термин напряжение является общим названием разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, подразумевается разность потенциалов между двумя точками. Например, у каждой батареи есть две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. Более того, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, является произвольной.Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный нуль, например, уровень моря или, возможно, пол лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Отношение между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется выражением

.

\[\Delta V = \dfrac{\Delta U}{q} \label{eq1}\]

или

\[ \Дельта U = q \Дельта V.\метка{eq2}\]

Напряжение не совпадает с энергией. Напряжение – это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но один из них хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что \(\Delta U = q\Delta V\) . Автомобильный аккумулятор может передавать больше заряда, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба являются аккумуляторами на 12 В.

Пример \(\PageIndex{1}\): расчет энергии

У вас есть 12.Аккумулятор мотоцикла 0 В, способный выдерживать заряд 5000 Кл, и автомобильный аккумулятор 12,0 В, выдерживающий заряд 60 000 Кл. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)

Стратегия

Если мы говорим, что у нас есть батарея на 12,0 В, это означает, что ее клеммы имеют разность потенциалов 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она проводит заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряду сообщается изменение потенциальной энергии, равное \(\Delta U = q\Delta V\).5 \, Дж. \номер\]

Значение

Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей идентичны, но энергия, выдаваемая каждой из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор имеет гораздо больший двигатель для запуска, чем мотоцикл. Обратите также внимание на то, что по мере разрядки аккумулятора часть его энергии расходуется внутри, и напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряженного автомобильного аккумулятора. Энергия, поставляемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Сколько энергии имеет батарея AAA 1,5 В, которая может двигаться на 100 C?

Ответить

\(\Дельта U = q\Дельта V = (100 \, С)(1,5 \, В) = 150 \, Дж \)

Обратите внимание, что энергии, рассчитанные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для батареи отрицательно, так как она теряет энергию. Эти батареи, как и многие электрические системы, на самом деле перемещают отрицательный заряд, в частности электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных контактов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным контактам ( B ), как показано на рисунке \(\PageIndex{1}\). Изменение потенциала равно \(\Delta V = V_B — V_A = +12 \, V\), а заряд q отрицателен, так что \(\Delta U = q \Delta V\) отрицательна, что означает потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместился с A на B .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к положительной клемме. Соответствующие комбинации химических веществ в батарее разделяют заряды так, что на отрицательной клемме появляется избыток отрицательного заряда, который отталкивается ею и притягивается к избыточному положительному заряду на другой клемме. С точки зрения потенциала, положительная клемма находится под более высоким напряжением, чем отрицательная клемма. Внутри батареи движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример \(\PageIndex{2}\): сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через него каждую секунду?

Стратегия

Чтобы найти количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который перемещается за 1,00 с. Перемещенный заряд связан с напряжением и энергией через уравнения \(\Delta U = q \Delta V\). Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 Дж в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем \(\Delta U = -30\, Дж\) и, поскольку электроны движутся от отрицательного вывода к положительному, мы видим, что \(\Delta V = +12.0 \, V\).

Раствор

Чтобы найти заряд q перемещенных, решаем уравнение \(\Delta U = q\Delta V\):

\[q = \dfrac{\Delta U}{\Delta V}.\]

Вводя значения для \(\Delta U\) и \(\Delta V\), получаем

\[q = \dfrac{-30,0 \, J}{+12,0 \, V} = \dfrac{-30,0 \, J}{+12,0 \, J/C} = -2,50 \, C.\]

Количество электронов \(n_e\) — это общий заряд, деленный на заряд, приходящийся на один электрон. То есть

\[n_e = \dfrac{-2.{19} \, эл.\]

Значение

Это очень большое число. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельных электронов, когда их так много в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих случаях были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном направлению отрицательного заряда, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или движутся ли оба.{19} \, электроны\)

Электрон-Вольт

Энергия, приходящаяся на электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных той, что была в предыдущем примере, — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на одну частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно для того, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и нанесли вред живым тканям. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или создать вредное рентгеновское излучение, которое также может нанести ущерб.Полезно иметь единицу энергии, связанную с субмикроскопическими эффектами.

На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как в телевизионной трубке старой модели или в осциллографе. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая затем преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «вниз» для электрона «в гору» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением \(\Delta U = q\Delta V\), мы можем думать о джоуле как о кулон-вольте.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя разделенными металлическими пластинами. По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, поэтому \(KE = qV\). Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов в 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.{-19} \, Ж.\]

Электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1 В, получает энергию 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный через 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускорить из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разорвать до 6000 таких молекул \((30 000 \, эВ \, : \, 5 \, эВ \, на \, молекула = 6000 \, молекул)\).Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1 000 000 эВ) на событие и, таким образом, может привести к значительным биологическим повреждениям.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) за счет работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия является константой.

Механическая энергия представляет собой сумму кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть \(K + U = константа\).Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

\[K + U = константа\] или \[K_i + U_i = K_f + U_f\]

, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз убеждались, рассмотрение энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример \(\PageIndex{3}\): преобразование потенциальной электрической энергии в кинетическую

Рассчитайте конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя при разности потенциалов 100 В.6 \, м/с.\]

Значение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке \(\PageIndex{2}\). Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на малые частицы, обычно очень велики по сравнению с силой гравитации. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационной силой здесь действительно можно пренебречь. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорять электроны при малых напряжениях из-за их очень малой массы.Напряжения, намного превышающие 100 В в этой задаче, обычно используются в электронных пушках. Эти более высокие напряжения создают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, которые будут обсуждаться в другом месте. Вот почему мы рассматриваем низкое напряжение (точно) в этом примере.

Упражнение \(\PageIndex{3}\)

Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный.

Ответить

Он будет двигаться в противоположном направлении, что не повлияет на представленные расчеты.p \vec{E} \cdot d\vec{l}.\]

Из нашего предыдущего обсуждения потенциальной энергии заряда в электрическом поле результат не зависит от выбранного пути, и, следовательно, мы можем выбрать наиболее удобный интегральный путь.

Рассмотрим частный случай положительного точечного заряда q в начале координат.2 } \шляпа{г}\).2} dr = \dfrac{kq}{r} — \dfrac{kq}{\infty} = \dfrac{kq}{r}.\]

Этот результат,

\[V_r = \dfrac{kq}{r}\]

— стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет рассмотрено далее в следующем разделе.

Чтобы исследовать другой интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле \(\vec{E}\) создается путем помещения разности потенциалов (или напряжения) \(\Delta V\) на две параллельные металлические пластины, обозначенные A и B (рис. \(\PageIndex{3}\)).Изучение этой ситуации подскажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля. Это также раскроет более фундаментальную связь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Соотношение между V и E для параллельных проводящих пластин: \(E = V/d\). (Обратите внимание, что \(\Delta V = V_{AB}\) по величине. Для заряда, который перемещается с пластины A с более высоким потенциалом на пластину B с более низким потенциалом, необходимо включить знак минус следующим образом. : \(- \Delta V = V_A — V_B = V_{AB}\).)

С точки зрения физика, либо \(\Delta V\), либо \(\vec{E}\) можно использовать для описания любого взаимодействия между зарядами. Однако \(\Delta V\) является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как \(\vec{E}\) является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена ​​как E .) Связь между \(\Delta V\) и \(\vec{E}\) выявляется путем вычисления работы, выполненной электрическая сила при перемещении заряда из точки A в точку B .Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует исчисления. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке \(\PageIndex{3}\) для перемещения положительного заряда q от A , положительной пластины, с более высоким потенциалом, к B , отрицательной пластине, с более низким потенциалом , это

\[W = — \Delta U = — q\Delta V.\]

Разность потенциалов между точками A и B равна

\[- \Дельта V = — (V_B — V_A) = V_A — V_B = V_{AB}.\]

Ввод этого в выражение для работы дает

\[W = qV_{AB}.\]

Работа равна \(W = \vec{F} \cdot \vec{d} = Fd \, cos \, \theta\): здесь \(cos \, \theta = 1\), так как путь параллелен поле. Таким образом, \(W = Fd\). Поскольку \(F = qE\), мы видим, что \(W = qEd\).

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

\[qEd = qV_{AB}.\]

Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками A и B получаем .

Только в однородном E-поле: \[V_{AB} = Ed\] \[E = \dfrac{V_{AB}}{d}\], где d — расстояние от A до B или расстояние между пластинами на рисунке \(\PageIndex{3}\). Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицами измерения электрического поля являются вольты на метр. Мы уже знаем, что единицами измерения электрического поля являются ньютоны на кулон; таким образом, справедливо следующее соотношение между единицами:

\[1 \, Н/З = 1 \, В/м.\]

Кроме того, мы можем распространить это на целочисленную форму.B \vec{E} \cdot d\vec{l}.\]

В качестве демонстрации, исходя из этого, мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A и B ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке \(\PageIndex{4}\) .

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Дуга для расчета разности потенциалов между двумя точками, равноудаленными от точечного заряда в начале координат.2} \hat{r}\).6 В/м\). Выше этого значения поле создает в воздухе достаточную ионизацию, чтобы сделать воздух проводником. Это позволяет разряду или искре, которая уменьшает поле. Чему тогда равно максимальное напряжение между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными 2,5 см сухого воздуха?

Стратегия

Заданы максимальное электрическое поле E между пластинами и расстояние между ними d . Мы можем использовать уравнение \(V_{AB} = Ed\) для расчета максимального напряжения.4 \, В\] или \[V_{AB} = 75 \, кВ.\]

(Ответ дается только двумя цифрами, так как максимальная напряженность поля является приблизительной.)

Значение

Одним из следствий этого результата является то, что требуется около 75 кВ, чтобы искра перескочила через зазор в 2,5 см (1 дюйм), или 150 кВ для 5-сантиметровой искры. Это ограничивает напряжения, которые могут существовать между проводниками, например, на линии электропередачи. Меньшее напряжение может вызвать искру, если на поверхности есть шипы, поскольку острые точки имеют большую напряженность поля, чем гладкие поверхности.Влажный воздух разрушается при более низкой напряженности поля, а это означает, что меньшее напряжение вызовет скачок искры во влажном воздухе. Наибольшее напряжение может создаваться статическим электричеством в сухие дни (Рисунок \(\PageIndex{5}\)).

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Искровая камера используется для отслеживания путей высокоэнергетических частиц. Ионизация, создаваемая частицами при их прохождении через газ между пластинами, позволяет проскакивать искре. Искры располагаются перпендикулярно пластинам, следуя линиям электрического поля между ними.Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, создаваемой частицами в экспериментах на ускорителях (или космическими лучами). Эта форма детектора в настоящее время устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)

Пример \(\PageIndex{1B}\): поле и сила внутри электронной пушки

Электронная пушка (рис. \(\PageIndex{2}\)) имеет параллельные пластины, разделенные расстоянием 4,00 см, и дает 25 электронов.0 кэВ энергии. а) Чему равна напряженность электрического поля между пластинами? б) С какой силой это поле будет действовать на кусок пластика с зарядом \(0,500 мкКл\), который попадет между пластинами?

Стратегия

Поскольку напряжение и расстояние между пластинами заданы, напряженность электрического поля можно рассчитать непосредственно из выражения \(E = \frac{V_{AB}}{d}\). Зная напряженность электрического поля, мы можем найти силу, действующую на заряд, используя \(\vec{F} = q\vec{E}\).Поскольку электрическое поле имеет только одно направление, мы можем записать это уравнение в терминах величин \(F = qE\).

Раствор

а. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами равно

.

\[E = \dfrac{V_{AB}}{d}.\] Поскольку электрон имеет один заряд и ему дается энергия 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Вводя это значение для \(V_{AB}\) и расстояния между плитами 0,0400 м, получаем \[E = \frac{25.5 В/м) = 0,313 \, Н.\]

Значение Обратите внимание, что единицами измерения являются ньютоны, поскольку \(1 \, V/m = 1 \, N/C\). Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, сила, действующая на заряд, одинакова независимо от того, где находится заряд между пластинами.

Пример \(\PageIndex{4C}\): расчет потенциала точечного заряда

Учитывая точечный заряд \(q = +2,0-n C\) в начале координат, вычислить разность потенциалов между точкой \(P_1\) на расстоянии \(a = 4,0 \, см\) от q и \ (P_2\) расстояние \(b = 12.2} \hat{r} \cdot r\hat{\varphi}d\varphi\), но \(\hat{r} \cdot \hat{\varphi} = 0\) и, следовательно, \(\Delta V = 0\). Складывая две части вместе, получаем 300 В.

Значение

Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала, обусловленного точечным зарядом в двух точках, и просто взять разницу.

Упражнение \(\PageIndex{4}\)

Как из примеров зависит энергия удара молнии в зависимости от высоты облаков над землей? Рассмотрим систему облако-земля как две параллельные пластины.

Ответить

При фиксированной максимальной напряженности электрического поля потенциал, при котором происходит удар, увеличивается с увеличением высоты над землей. Следовательно, каждый электрон будет нести больше энергии. Определение того, есть ли влияние на общее число электронов, лежит в будущем.

Перед тем, как представить задачи, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем по этой теме.

Стратегия решения проблем: электростатика

  1. Изучите ситуацию, чтобы определить, связано ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
  2. Определите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, мест и типов связанных сборов.
  3. Определите, что именно нужно определить в задаче (идентифицируйте неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, то может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
  4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из поставленной задачи (укажите известное).Например, важно отличать кулоновскую силу F от электрического поля E .
  5. Решите соответствующее уравнение для определяемой величины (неизвестной) или нарисуйте линии поля в соответствии с запросом.
  6. Проверьте ответ, чтобы убедиться, что он разумен: Имеет ли он смысл? Верны ли единицы измерения и разумны ли задействованные числа?
.

0 comments on “Напряжение формула единица измерения: Единица измерения напряжения, теория и онлайн калькуляторы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.