Реферат на тему электрическое напряжение
Обновлено: 02.07.2024
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Напряжения и токи в электрических цепях
Линейные электрические цепи
Элементы электрических цепей и их свойства
Напряжения и токи в электрических цепях
Электрической цепью называют совокупность элементов и устройств, предназначенных для прохождения тока по определенному, заранее заданному алгоритму и описываемых с помощью понятий тока и напряжения.
Понятия электрического тока и напряжения являются одними из основных в теории электрических цепей. Напряжения и токи представляют собой скалярные величины, которые могут принимать лишь вещественные значения – положительные или отрицательные. Значение напряжения (тока) в данный момент времени называют мгновенным значением напряжения (тока). Мгновенные значения напряжений и токов принято обозначать соответственно буквами . Чтобы подчеркнуть их зависимость от переменной
Если в данный момент времени , это означает, что направление тока в проводнике совпадает с направлением, указанным стрелкой, т. е. положительные заряды перемещаются в направлении стрелки.
В теории электрических цепей допускается возможность однозначной, не зависящей от выбора пути, оценки электрических напряжений меду любыми двумя зажимами исследуемой электрической цепи. Это позволяет определять электрическое напряжение как разность потенциалов между соответствующими зажимами электрической цепи. Между зажимами 1-2. (рис. 1.2.) напряжение можно определить двумя способами:
Чаще других используются понятия двухполюсника и четырехполюсника.
Двухполюсником (N-полюсником) может быть названа любая электрическая цепь, которая взаимодействует с внешними по отношению к ней цепями, т. е. обменивается с ними энергией, через посредство двух (N) ее полюсов и только через них. Двухполюсник будет пассивным, если энергия, отданная двухполюсником во внешнюю цепь, ни при каких условиях не может превышать той, которая была к нему подведена за все предшествующее время.
Определение пассивного (активного) N-полюсника аналогично определению пассивного (активного) двухполюсника.
Следует различать понятия пассивного (активного) N-полюсника и пассивной (активной) электрической цепи. Электрическая цепь будет активной, если в нее входит хотя бы один активный двухполюсник, или N-полюсник, и пассивной в противном случае. Цепь всегда будет активной, если она содержит активные компоненты, например транзисторы, электронные лампы, операционные усилители, или те или иные генераторы.
Если величины R, L, C не зависят от электрического режима (от протекающих в них токах или приложенных напряжений) и остаются постоянными во времени, т. е. R, L, C = const, то элементы называются линейными. Соответственно и РТУ, содержащие только такие элементы, называются линейными. Процессы в линейных электрических цепях описываются линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями с постоянными коэффициентами.
Если R, L, C зависят от электрического режима, т. е.
Различают активные и пассивные элементы электрических цепей. К первым относятся источники, а ко вторым – элементы резистивного сопротивления, индуктивности и емкости. Индуктивности и емкости часто называют реактивными элементами.
Резистивное сопротивление
Элемент электрической цепи, который обладает свойством только рассеивать энергию, называется элементом резистивного сопротивления.
Напряжение, приложенное к элементу, и ток, проходящий через него, при согласном выборе положительных направлений напряжения и тока связаны между собой линейным соотношением
Мгновенная мощность электрических колебаний в резистивном сопротивлении:
ни при одном значении времени не может быть отрицательной, иначе элемент мог бы вводить или возвращать энергию во внешнюю по отношению к нему цепь. Положительно, естественно, и количество электрической энергии, рассеянное в элементе за любой конечный интервал времени , [Дж].
Индуктивность
Элемент электрической цепи, который обладает свойством только запасать энергию в магнитном поле, называется элементом индуктивности. Между напряжением, приложенным к элементу и током, проходящем через элемент, при согласном выборе их положительных направлений существует линейное соотношение:
Мгновенная мощность в элементе
Энергия, запасенная в емкости к моменту t, такова:
Рис. 1. 8. Рис. 1. 9.
Источники, параметры которых не зависят от свойств цепи, называются независимыми.
Примером источника электрической энергии, имеющего в первом приближении свойства источника напряжения, является аккумулятор большой емкости. Его внутренне сопротивление настолько мало, что при изменении тока в широких пределах напряжение на зажимах аккумулятора практически не изменяется.
Источником тока считается такой источник, через внешние зажимы которого проходит ток, независящий от свойств цепи, внешней по отношению к источнику. Этот ток называют задающим током источника.
Условное обозначение источника тока приведено на рис. 1. 9. левее пунктирной линии. Пунктиром показаны пассивные элементы с той целью, чтобы подчеркнуть, что в цепи всегда должен быть замкнутый путь для прохождения тока источника. При и задающим током
Величина e определяется из опыта холостого хода. Действительно, при разомкнутых зажимах 1-2 ток через R0 не проходит и напряжение на нем равно нулю. Подключенный к этим зажимам вольтметр покажет напряжение равное e.
Если закоротить зажимы 1-2, то весь ток источника пойдет через короткозамкнутые зажимы. Включенный между ними амперметр покажет величину тока равную .
Это выражение дает возможность по известным одной схемы находить и другой.
В теории электрических цепей рассматриваются и зависимые, или управляемые источники. Они представляют собой результат идеализации свойств реальных транзисторных и ламповых усилителей, используемых в линейном режиме.
Зависимый источник напряжения представляет собой идеализированную электрическую цепь с двумя парами зажимов. К одной из них подсоединен источник напряжения, у которого задающее напряжение пропорционально напряжению (току), подведенному к другой паре зажимов, и только этому (управляющему) напряжению (току). Аналогично вводится и понятие зависимого источника тока.
При анализе колебаний в реальной линейной электрической цепи она заменяется некоторой идеализированной цепью из того или иного числа элементов, колебания в которой пренебрежимо мало отличаются от колебаний в анализируемой цепи.
Теория электрических цепей как наука посвящена решению задач анализа и синтеза электрических цепей. К электрическим цепям относятся огромное число технических устройств самого разнообразного назначения. Там, где речь идет об электрическом токе или электрическом напряжении, имеют дело с электрической цепью. Задача анализа состоит в качественной и количественной оценках свойств заданной электрической цепи, а задача синтеза – в построении цепи с заданными свойствами.
1. Белецкий А. Ф. Теория линейных электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1986.
2. Бакалов В. П. и др. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 1998.
3. Качанов Н. С. и др. Линейные радиотехнические устройства. М.: Воен. издат., 1974.
ГОСТ
Определение для напряжения в проводнике с током
В том случае если в проводнике есть эклектический ток, значит между любыми двумя его точками, есть разность потенциалов ($_1-_2$), которая в электростатике совпадает с напряжением (U). Мы записывали, что:
Однако, для существования постоянного тока в проводнике по мимо кулоновских должны присутствовать сторонние силы, напряженность в данной точке поля в проводнике с током равна:
где $\overrightarrow$ напряженность электрического поля, которая является суммой напряжённости кулоновского поля ($<\overrightarrow>_q$) и поля сторонних сил ($<\overrightarrow>_$). Следовательно, напряжение в проводнике с током не будет совпадать с разностью потенциалов.
Напряжением (падением напряжения) $U_$ на участке цепи 1-2 по которому идет ток называется величина, которая равна работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда на данном участке:
где $d\overrightarrow$-вектор, численно равный элементу длины проводника и направленный по касательной к проводнику, совпадающий по направлению с вектором плотности тока.
Если подставить в (4) уравнение (2), то мы получим:
где $<<\mathcal E>>_$ -- электродвижущая сила на участке цепи 1-2, равная:
$_1-_2$ -- разность потенциалов электростатического поля в точках 1 и 2, которая равна:
Очевидно, что если цепь замкнута, то
В таком случае для замкнутой цепи, мы получим:
Основной единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт -- В.
Связь силы тока и напряжения для участка цепи
Такая физическая величина, как напряжение, фигурирует во многих законах относящихся к электродинамике. Так, одним из немаловажных законов является закон Ома для произвольного участка цепи, который записывается как:
Формула (7) показывает, что напряжение на участке 1-2 равно произведению силы тока, который течет через этот участок на сопротивление этого участка. Часто индексы, которые стоят в формуле (7) у напряжения и сопротивления опускают.
Готовые работы на аналогичную тему
Виды напряжения
На практике выделяют: мгновенное напряжение, амплитудное напряжение, среднее значение напряжения, среднеквадратичное напряжение, средневыпрямленное напряжение.
- Мгновенное напряжение ($U_m$) -- равно разности потенциалов двух точек проводника с током в заданный момент времени. Данное напряжение является функцией от времени.
- Амплитудное напряжение ($U_$) -- максимальное значение (по модулю) мгновенного напряжения за период изменений напряжения.
- Среднее значение напряжения за период колебаний (T) находят как: \[\left\langle U\right\rangle =\frac\int\limits^T_0
- Среднеквадратичное напряжение вычисляется в соответствии с формулой: \[U_=\sqrt<\frac\int\limits^T_0
Для гармонически изменяющегося напряжения выполняется равенство:
Для гармонически изменяющегося напряжения выполняется равенство:
Напряжение при соединении проводников
При последовательном соединении проводников (рис.1), суммарное напряжение в цепи находится как сумма напряжений:
При параллельном соединении (рис.2) результирующее напряжение постоянно. Сила тока равна сумме токов в проводниках:
Задание: На рис.3 изображена замкнутая цепь, которая содержит сопротивление и источник тока ЭДС которого равна $\mathcal E$, внутреннее сопротивление источника r.
Найдите напряжение на внешней цепи, зная параметры источника тока и силу тока в цепи I.
Если цепь замкнута, то $_1=_2$. Напряжение на клеммах источника тока (на внешней цепи) равно:
где $<\mathcal E>$ - алгебраическая сумма всех ЭДС в цепи.
Напряжение на внешней цепи, которая задана, равно:
Если источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление r, то для сопротивления всей цепи (R) запишем:
\[R=R_1+r\to R_1=R-r\ \left(1.3\right),\]
где $r$ -- внутреннее сопротивление источника.
Cила тока во внешней цепи, равна:
Подставим в (1.1) формулы (1.4) и (1.3), получим:
Задание: Как можно измерить ЭДС источника тока?
При разомкнутой цепи сила тока в ней равна нулю (I=0), Исходя из результата предыдущего примера в цепи (рис. 3) мы имеем:
при I=0 из (2.1) получаем, что:
А так как сторонние силы при разомкнутой цепи работы не совершают, то:
Следовательно, можно записать, что при разомкнутой цепи:
Ответ: Для того чтобы найти $<\mathcal E>$ источника тока можно измерить разность потенциалов на его клеммах в ситуации, когда цепь не замкнута.
Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.
Как возникает напряжение?
Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.
Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.
При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.
Чем больше будет величина различия – разность потенциалов – тем сильнее электроны из материала с их избыточным содержанием будут перетягиваться к материалу с их недостатком. Тем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.
Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический ток – направленное движение носителей заряда, стремящееся устранить разницу потенциалов. Для перемещения по проводнику зарядов силы электрического поля совершают работу, которая и характеризуется понятием электрического напряжения.
В чем измеряется
Единицей напряжения называют вольт (В). Один Вольт выражается в разности потенциалов двух точек электрического поля, силы которого совершают работу в 1 Дж для перемещения заряда в 1 Кл из первой точки во вторую. Измеряют напряжение специальным прибором — вольтметром.
От чего зависит напряжение?
Напряжение участка цепи зависит от:
Виды напряжения ![Постоянное]()
Постоянное напряжение
Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический ток в этом случае имеет одно направление и является постоянным.
Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.
При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети постоянного тока, когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).
Переменное напряжение
Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический ток устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 герц означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.
Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.
Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.
Так получается за счет того, что переменный ток возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.
Переменный ток применяют при необходимости передавать энергию на значительные расстояния. В этих случаях эффективно использование трехфазных сетей: потери электроэнергии в проводах минимальны, простая электрогенерация (благодаря трехфазным электродвигателям без коллектора), выгодно экономически.
Трехфазный ток получают в трехфазных электродвигателях.
В них имеются сразу три катушки проводов, расположенных равномерно по кругу – через 120 градусов. Поэтому и синусоиды трехфазного тока отстают друг от друга на этот угол. Геомертическое представление трехфазного напряжения и тока выглядит в виде векторной диаграммы.
Трехфазная электросеть состоит из четырех проводов – трех фазных и одного нулевого. напряжение между проводами нулевым и фазным равно 220 В и называется фазным. Между фазными напряжение также существует, называется линейным и равно 380 В (разность потенциалов между двумя фазными проводами). В зависимости от вида подключения в трехфазной сети можно получить или фазное напряжение, или линейное.
Номинальным напряжением приёмников электрической энергии, генераторов и трансформаторов называют то напряжение, при котором обеспечивается их нормальная и бесперебойная работа. Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением приёмников электроэнергии, которые от неё питаются. К приёмникам электроэнергии в данном случае относят также первичные обмотки трансформаторов.
Правилами устройствами электроустановок (ПУЭ) они разделены на установки напряжением до 1000 В и напряжением выше 1000 В.
Рассмотрим линию местной сети, питающуюся непосредственно от генератора Г с номинальным напряжением Ur = U1. В линии имеет место потеря напряжения, поэтому приёмники электроэнергии, подключённые к ней, будут находиться под разными напряжениями.
Изменение напряжения вдоль линии при заданных нагрузках изображено на рис. прямой линией U1 = U2 , причём для частного случая взято U1 = 230 В и U2 = 210 В.
Рис.1.2. Номинальное напряжение сети
Работа приёмников будет тем лучше, чем меньше на их зажимах отклонения напряжения от номинального. За номинальное напряжение электрической сети берут среднее арифметическое значение напряжений в начале U1и в концеU2 линии, т.е.
Под этим напряжением будут находиться приёмники, расположенные, например, при равномерной нагрузке линии в середине её. В нашем случае Uн.=(230+210)/2 = 220 В.
Номинальным напряжением электросети называют среднее арифметическое значении рабочих напряжений в начале и конце линии сети. Напряжение генераторов, на которое их конструируют, берется на 5% выше номинального напряжения сети. Например, при номинальном напряжении сети 6 кВ номинальное напряжение генераторов будет 6,3 кВ.
Для электроустановок до 1000 В приняты номинальные напряжения, приведённые в таблице.
Таблица1.1. Номинальные напряжения систем электроснабжения приёмников, В
Для установок выше 1000 В применяют следующие стандартные напряжения: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ. Для питания электродвигателей небольшой мощности (до 100 – 150 кВт) применяют напряжение 380 В.
Способы выполнения сетей должны обеспечивать надёжность, долговечность, пожарную безопасность, экономичность, индустриальность монтажа, а при скрытых проводах – по возможности заменяемость проводов.
В общественных, административно– бытовых, инженерно– лабораторных и других подобных зданиях, как правило, должна применяться скрытая прокладка проводов.
Сети производственных и вспомогательных зданий следует выполнять открыто: кабелями и защищёнными проводами; незащищёнными изолированными проводами на изоляторах, в лотках, в коробах, в трубах; шинопроводами.
Электропроводки незащищёнными изолированными проводами на изоляторах и клицах могут применяться во всех невзрывоопасных установках, в том числе и наружных. В последнее время этот вид проводки вытесняется тросовыми электропродками.
В отдельных случаях на изоляторах целесообразно прокладывать голые провода (например, при высоких температурах, на недоступной высоте), разрешены во всех непожаро–и невзрывоопасных помещениях. Этот же вид проводки является преимущественным в установках наружного освещения – для воздушных линий.
Тросовые электропроводки могут выполняться кабелями и проводами, прокладываемыми по тросу (диаметром 1,9– 6,5мм) или проволоке (стальной оцинкованной или горячекатаной, имеющей лакокрасочные покрытия, диаметром 5,8– 8мм), а также специальными проводами.
Прокладку проводов в трубах следует ограничивать, допуская её лишь в тех случаях, когда безтрубные проводки не могут быть применены.
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.
Определение электрического напряжения
Работа A, совершенная электрическим полем по перемещению электрического заряда q, равна:
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.
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:
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.
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.
Читайте также: