Электрическое напряжение - виды, формулы и суть

Прежде чем узнать формулу электрического напряжения и единицу ее измерения, необходимо разобраться с природой этой величины и ее ролью в образовании электрического тока. В противном случае дальнейшее изучение предмета затруднится.

Суть явления

Любое вещество состоит из атомов. Они имеют ядра с положительным зарядом, а вокруг них вращаются отрицательно заряженные электроны. Под воздействием электрополя эти частицы начинают двигаться. Чем больше зарядов было перемещено, тем большую работу выполняет электрическое поле.

На этот параметр влияют две величины:

• сила тока;
• напряжение.

Физический смысл последней величины заключается в том, что работа электротока (А) на любом участке цепи соотносится с зарядом (q), проходящим по этому участку. В результате выполнения работы заряд со знаком «плюс» перемещается из точки с меньшим потенциалом в точку с большим. Говоря проще, напряжение равно отношению работы по перемещению заряда к его показателю и обозначается литерой «U». Таким образом, формула для определения разности потенциалов выглядит следующим образом — U = A / q.

Напряжение определяется разностью потенциалов либо электродвижущей силой. При этом работа является энергией и измеряется в джоулях (Дж). Для определения электрозаряда в международной системе единиц используется кулон (Кл).

Сейчас можно выяснить, в чем измеряется напряжение. Для этого достаточно подставить все известные величины в формулу — U = Дж/Кл. Эта единица называется вольт (В). Для более наглядного объяснения физического смысла величины следует представить шланг с водой.

В приведенном примере роль силы тока выполняет объем жидкости, а ее давление соответствует напряжению. При движении воды она свободно в большом количестве перемещается в шланге, создавая при этом определенное давление. Если конец шланга сжать, то при одновременном увеличении давления жидкости уменьшится ее объем. При этом струя будет перемещаться на большее расстояние.

С электричеством ситуация аналогична. Показатель силы тока зависит от объема (количества) электронов, двигающихся по проводнику. Разность потенциалов можно считать силой, с которой проталкиваются электроны. Из этого следует, что при одинаковом показателе заряда источника тока для проведения большего тока необходимо увеличить поперечное сечение проводника.

Кроме этого, напряжение зависит от следующих факторов:

• материала провода;
• сопротивления;
• температуры.

Основные виды

Существует два типа напряжения — постоянное и переменное. Первое присутствует в цепях с постоянным током.

Переменное встречается в сетях с синусоидальной энергией. О каждом из двух видов следует рассказать подробнее.

Постоянное напряжение

Напряжение в сети будет постоянным, если заряд потенциалов, приложенных к ней, не изменяется. Главным преимуществом постоянной электрической энергии является отсутствие реактивной мощности. Говоря проще, вся мощность, создаваемая генератором, полностью потребляется подключенной нагрузкой, не считая потерь в проводниках.

При подсоединении потребителя к цепи постоянного тока крайне важно строго соблюдать полярность. В противном случае устройство может сразу после подачи тока выйти из строя.

В качестве примера источника тока с постоянным показателем разности потенциалов можно привести обычную батарейку.

Сети постоянного тока используются в ситуациях, когда электроэнергию не нужно передавать на большие расстояния.

Переменная разность потенциалов

Если полярность потенциалов периодически изменяется либо они перемещаются в пространстве, то электроток начнет течь в обратном направлении. Количество этих изменений направления за единицу времени характеризует величина частота. Например, в России в сетях переменного тока используется частота в 50 Гц. Это говорит о том, что на протяжении секунды полярность меняется 50 раз.

Следует помнить, что переменное напряжение является временной функцией. При этом оно согласовано с законом синусоидальных колебаний. Этот факт связан с тем, что переменный ток появляется в катушках асинхронных электродвигателей благодаря вращению вокруг нее электрического магнита. Если это вращение развернуть по времени, то в результате получится синусоида.

Переменный ток применяется в тех случаях, когда электроэнергию необходимо передать на большое расстояние. Для успешного изучения электротехники сначала необходимо разобраться с понятиями основных величин, используемых в физике. Одной из них и является напряжение.