Что такое напряжение
Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.
Напряжение с точки зрения гидравлики
Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий «бокал», заполненный водой.
Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!
А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.
Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.
Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.
Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.
А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.
Электрическое напряжение
Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.
Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.
Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.
С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.
В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.
Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.
Формула напряжения
В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.
A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули
U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты
На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.
Напряжение тока — что это означает?
Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.
Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).
Постоянное и переменное напряжение
Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.
На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?
Все любят качаться на качелях:
Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.
Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:
Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».
Осциллограммы постоянного и переменного напряжения
Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.
Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения — это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.
А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.
Про параметры переменного напряжения можете прочитать в этой статье.
Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.
Похожие статьи по теме
Чем отличается сила тока от напряжения простыми словами
Точные науки
На чтение 3 мин Просмотров 3.4к.
Физика многим кажется сложной и загадочной. Раздел «Электричество» воспринимается особенно сложно из-за того, что большинство понятий нельзя «потрогать руками». Но мы попробуем объяснить, чем отличается сила тока от напряжения простыми словами.
В чем разница?
В физике есть фундаментальное понятие заряда. Это такая величина, которая определяет свойство частиц и тел взаимодействовать через электромагнитные силы. Чем он больше, тем сильнее взаимодействие.
Проявление этих сил мы часто видим в жизни. На примере молнии, прилипания кусочков бумаги к наэлектризованной полиэтиленовой пленке, работы электрического чайника. Но не всегда понимаем суть увиденного, и не осознаем, что именно и как воздействовало на конкретный предмет.
Если говорить, очень кратко и утрировано, то ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах это электроны, в электролитах — ионы.
Сила тока — это количество зарядов, которые пройдут через проводник за единицу времени.
Измеряется эта величина в Амперах (в честь одноименного французского физика-математика) и показывает, насколько много энергии протекает за секунду в точке. Например, у молнии — большая сила тока, а у фонарика — маленькая.
Напряжение в цепях электрического тока, если говорить простыми словами — это величина силы, которая заставляет двигаться заряды упорядоченно.
Единицы измерения получили свое названия от итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта, который изобрел первую гальваническую батарею.
Простой аналог из жизни — река. Чем больше уклон, тем быстрее она течет. Напряжение — это перепад высот реки, а сила тока — это объем воды, который протекает в конкретном месте.
Теперь становится понятно, в чем отличие тока от напряжения: первый — это движение зарядов, а второе — это то, что их заставляет двигаться.
Отличия с другими величинами
Существует еще ряд величин, которые характеризуют электрические системы: сопротивление, мощность и т.д.
Отличие сопротивления от тока и напряжения, в том, что оно мешает протеканию тока, уменьшая его.
В вышеупомянутой реке, в качестве сопротивления, выступают дно и камни.
Чтобы сохранить ту же силу тока при увеличении сопротивления, надо повышать напряжение.
Для лучшего понимания процесса можно привести еще один пример. Допустим, у нас есть длинный коридор, по которому бежит человек — это и есть сила тока. Чтобы бегун передвигался быстрее, другой человек бьет его палкой — это напряжение. В данном случае сопротивление — это стулья, хаотично расставленные по коридору и мешающие бежать.
По пустому коридору человек передвигается легко, его можно практически не бить, чтоб он быстро бежал. Но чем больше на пути препятствий, тем сильнее должно быть напряжение (удары), чтобы поддерживать тот же темп.
Выражается эта взаимосвязь формулой, описанной в законе Ома (фото ниже).
Еще одна важная величина, участвующая в данном процессе — мощность.
Отличие мощности от напряжения и силы тока, заключается в том, что она показывает величину работы, которую производит наш «бегун» за единицу времени.
В примере с рекой, мощность, это то насколько много намелет муки водяная мельница за день. Чем «мощнее» река, тем больше муки на выходе. Другими словами, это скорость выполнения работы.
Измеряется мощность в Ваттах. Эта единица измерения напрямую зависит от количества выполненной работы, разделенной на время, которое потребовалось на ее выполнение.
Заключение
Чтобы облегчить процесс понимания сложных физических явлений, им нужно найти простые и наглядные аналоги в окружающем мире. Так будет легче найти взаимосвязь между различными величинами и уловить суть. Это касается не только электричества, но и остальных «невидимых» разделов физики (ядерка, термодинамика и т.п.)
Что такое напряжение простыми словами
Школьник старших классов знает, что такое шаговое напряжение (разность величин напряжений двух точек на плоскости земли, находящихся друг от друг на расстоянии человеческого шага).
Как электрики с стажем работы по Минску и Минской области мы можем добавить, что это – опасная сила: когда оно проявляется, дело заключается в аварии и потенциальном негативном воздействии на здоровье человека.
Шаговое напряжение не появляется просто так, причиной этому становится нарушение или сбой в электротехнической установке, заключающееся в замыкании изоляции прямо на землю в обход изолирующей линии.
Определение в нормативных документах
Как электрики с большим стажем практической работы можем сказать одно: однозначного определения понятию «шаговое напряжение» в нормативно-технической документации нет.
Критерий возникновения шагового напряжения по отраслевым Правилам охраны труда в сфере электробезопасности — удаленность от непосредственного места короткого замыкания:
· от 4 м для помещения (если речь об электроустановках с рабочим напряжением более 1 кВ);
· от 8 м для открытого пространства.
Попасть на закрытый объект или электроустановку обыватель вряд ли способен, но существует вероятность попасть под негативное воздействие шагового напряжения, будучи просто на природе или на улице – там, где проходят воздушные ЛЭП, установлены трансформаторы или иное электротехническое оборудование. Основной признак такого явления – наличие оголенного проводника.
ЛЭП располагаются повсеместно – в жилой и нежилой местности. Они оборудованы системой заземления, но даже при сбое в работе установка напряжением более 1 кВ способна длительно функционировать до момента отключения – без срабатывания автоматики.
Даже после сигнализирования и отключения линии остается вероятность поражения электрическим током – пока пройдут команды и реализуется их исполнение, проходит некоторое время.
Появление поражения человека
Если Вам случайно довелось увидеть, что человек лежит неподалеку от ЛЭП независимо от ее конструкции и напряжения, важно не броситься ему на помощь сразу.
Первое действие – попытаться понять, какое расстояние от лежащего до места возможного замыкания.
Второе – закрепить у себя и находящихся рядом людей в голове мысль, что линия электропередачи до сих пор остается под напряжением. Это может быть и неправдой (идеальный случай, ведь больше никто не будет поражен), но достоверных сведений нет, поэтому следует готовиться к худшему.
Если Вы уже находитесь вблизи ЛЭП, не старайтесь убегать. Причина поражения током заключается в ширине шага, и чем шире шаг (больше расстояние между ногами как точками замыкания электроцепи), тем больше будет электрический потенциал.
Для примера: если ЛЭП имеет рабочее напряжение в 1 кВ, разность потенциалов между стопами человека при беге будет достигать сотен В – этого достаточно, чтобы разряд прошел по телу человека, вызывая необратимые повреждения организма.
Если организм попадает под действие шагового напряжения, электрический ток может и не пройти по телу – это зависит от сопротивления самого тела, обуви и грунта, а также удаления одной точки опирания на грунт от другой.
Правильный способ передвижения
Для снижения вероятности поражения электрическим током нужно снизить расстояние между стопами. В идеале оно должно отсутствовать – человек должен идти т.н. «гусиным шагом».
Суть его – в следующем: пятка первой ноги (которая выполняет шаг), ставится к носку второй (которая стоит на земле), вторая не отрывается от земли пока носок первой не окажется стоящим. В результате обе ноги располагаются почти на одном месте и имеют одинаковый потенциал.
Если человек уже находится под действием шагового напряжения, следует незамедлительно действовать – с каждой минутой вероятность его спасения снижается, если ток еще подается.
Инструкции по эксплуатации электроустановок с напряжением 1 кВ и более предписывают освобождать человека:
· исключительно с применением электрических средств защиты – различными штангами из диэлектриков, в перчатках и ботах;
· после снятия напряжения на электроустановке штатным способом или нештатным методом (накинув токопроводящие элементы на проводники для искусственного замыкания и отключения).
Покидая опасную зону, важно не прикасаться к любым предметам и даже людям.
Первая медицинская помощь
Как показывает практика, оказать первую медицинскую помощь пострадавшему от электрического тока довольно сложно: для этого требуются практика и опыт. Степень и участки поражения зависят от нагрузки электроустановки, которую вряд ли правильно оценит обыватель.
Мы рекомендуем сразу вызывать скорую медицинскую помощь или спасателей, а также оградить опасное место от других людей – чем дальше они будут находиться, тем лучше.
Электрическое напряжение. Разность потенциалов. Напряжение тока.
Пожалуй, одним из самых часто употребляемых выражений у электриков, является понятие электрическое напряжение. Его так же называют разность потенциалов и не совсем верное словосочетание, такое как напряжение тока, ну смысл у названий по сути общий. А что на самом деле обозначает это понятие? Пожалуй, для начала приведу книжную формулировку: электрическое напряжение — это отношение работы электрического поля зарядов при передачи пробного заряда из точки 1 в точку 2 . Ну а простыми словами говоря, это объясняется так.
Напомню Вам, что заряды бывают двух видов, это положительные со знаком «+» и отрицательные со знаком «-». Большинство из нас в детстве игрались с магнитиками, которые были честно добыты из очередной сломанной машинки с электромоторчиком, где они и стояли. Так вот когда мы пытались приблизить эти самые магниты друг к другу, то в одном случае они притягивались, а если развернуть один из них наоборот, то соответственно отталкивались.
Это происходило, потому что у любого магнита существует два полюса, это южный и северный. В том случае, когда полюса одинаковые, то магнитики будут отталкиваться, ну а когда разноименные, притягиваться. То же самое происходит и с электрическими зарядами, причем сила взаимодействия зависит от количества и разноимённости этих заряженных частиц. Проще говоря, чем на одном предмете больше «плюса», а на другом соответственно «минуса», тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Либо наоборот, отталкиваться при одинаковом заряде (+ и + или — и -).
Теперь представим, что у нас есть два небольших железных шарика. Если мысленно заглянуть в них, можно увидеть огромное множество маленьких частичек, которые расположены друг от друга на не большом расстоянии и неспособны к свободному передвижению, это ядра нашего вещества. Вокруг этих частичек с невероятно большой скоростью вращаются более мелкие частички, под названием электроны. Они могут оторваться от одних ядер и присоединятся к другим, тем самым путешествуя по всему железному шарику. В случае, когда количество электронов соответствует количеству протонов в ядре, шарики электрически нейтральны.
А вот если каким-то образом забрать некоторое количество, такой шарик будет стремиться притянуть к себе это самое, недостающее количество электронов, тем самым образуя вокруг себя положительное поле со знаком «+». Чем больше не хватает электронов, тем сильней будет это положительное поле. В соседнем шарике сделаем на оборот и добавим лишних электронов. В итоге получим избыток и соответственно такое же электрическое поле, но со знаком «-».
В результате получим два потенциала, один из которых жаждет получить электроны, ну а второй от них избавится. В шаре с избытком возникает теснота и эти частицы, вокруг которых существует поле, толкаются и выталкивают друг друга из шара. А там где их недостаток, соответственно происходит что-то наподобие вакуума, который пытается втянуть в себя эти электроны. Это наглядный пример разности потенциалов и не что иное как напряжение между ними. Но, стоит только эти железные шары соединить между собой, как произойдёт обмен и напряжение пропадёт, поскольку образуется нейтральность.
Грубо говоря, эта сила стремления заряженных частиц, перейти от более заряженных частей к менее заряженным между двумя точками и будет разностью потенциалов. Давайте мысленно представим провода, которые подключены к батарейке от обычного карманного фонарика. В самой батарейке происходит химическая реакция, в результате которой возникает избыток электронов («-»), внутри батареи они выталкиваются на отрицательную клемму. Эти электроны стремятся, вернутся на своё место, откуда их до этого и вытолкали.
Внутри батареи у них не получается, значит остаётся ждать момента, когда им сделают мостик в виде электрического проводника и по которому они быстро перебегут на плюсовую клемму батареи, куда их притягивает. А пока мостика нет, то и будет желание перейти в виде этого самого электрического напряжения или разности потенциалов (напряжение тока).
Приведу некоторый аналогичный пример на ином представлении. Имеется обычный водопроводный кран с водой. Кран закрыт и, следовательно, вода не пойдёт из него, но внутри вода всё равно есть и более того, она там находится под некоторым давлением, она из-за этого давления стремится вырваться наружу, но ей мешает закрытый кран. И как только Вы повернёте ручку краника, вода тут же побежит. Так вот это давление и можно приблизительно сравнить с напряжением, а воду с заряженными частицами. Сам поток воды будет в данном примере выступать как электрический ток в самих проводах, а закрытый краник в роли электрического выключателя. Этот пример я привел только лишь для наглядности, и он не является полной аналогией!
Как ни странно, но люди не тесно связанные с профессией электрика, довольно часто называют электрическое напряжение , выражением напряжение тока и это является неправильной формулировкой, поскольку напряжение, как мы выяснили это разность потенциалов электрических зарядов, а ток, это сам поток этих заряженных частиц. И получается что, произнося напряжение тока в итоге небольшое несоответствие самого понятия.
Напряжение, так же как и все иные величины, имеет свою единицу измерения. Она измеряется в Вольтах. Это те самые вольты, которые пишутся на устройствах и источниках питания. Например, в обычной домашней розетки 220 В, или купленная вами батарейка с напряжением 1.5 В. В общем, думаю, вы поняли в общих чертах, что же такое это самое электрическое напряжение. В этой статье я основывался лишь на простом понимании этого термина и не вдавался в глубины формулировок и формул, чтобы не усложнять понимание. На самом деле эту тему можно гораздо шире изучить, но это уже зависит от Вас и Вашего желания.
P.S. Будьте внимательны при работе с электричеством, высокое напряжение опасно для жизни.