Напряжение это в физике 8 класс

Электрическое напряжение. Единицы напряжения

Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле. Задачу по созданию и поддержанию электрического поля выполняют источники тока.

После создания электрического поля, на свободные заряженные частицы в проводнике начинают действовать электрические силы, которые и приводят их в движение.

Получается, что у нас есть силы и частицы, которые перемещаются под их действием. Значит, совершается какая-то работа. Этот же факт говорит нам о том, что электрическое поле обладает некоторой энергией.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим, что же за работу совершает электрическое поле, от чего она зависит и придем к определению еще одной важной характеристики в электричестве — электрическому напряжению.

Работа тока

Сразу введем новое определение.

Работа тока — это работа, которую совершают силы электрического поля, создающего электрический ток.

В процессе этой работы энергия электрического тока переходит в другие различные виды энергии (механическую, внутреннюю и др.). Более подробно мы говорили об этом, когда рассматривали действия тока.

От чего зависит работа тока?

Логично предположить, что работа тока будет зависеть от того, какой заряд протекает по цепи за определенное время. То есть, работа тока будет зависеть от силы тока.

Проверим это на простом опыте. Соберем цепь, состоящую из ключа, источника тока, амперметра и подключенной к проводам натянутой никелевой проволоки (рисунок 1).

Используя один источник тока, в цепи была определенная сила тока. Проволока нагрелась.

Если же мы заменим источник тока, который даст нам большую силу тока, чем предыдущий, то заметим определенные изменения. Наша проволока нагревается намного сильнее. Вот вам наглядное доказательство того, что тепловое действие (а значит, и работа тока) проявляется сильнее с увеличением силы тока в цепи.

Но дело в том, что сила тока — не единственная характеристика, от которой зависит работа тока. Другая (и не менее важная) величина называется электрическим напряжением или просто напряжением.

Электрическое напряжение

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле.

Обозначается электрическое напряжение буквой $U$.

Давайте рассмотрим опыт, который наглядно нам покажет, как же эта величина может описать нам электрическое поле.

Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, источника тока, электрической лампы и амперметра. За источник тока возьмем небольшую батарейку (гальванический элемент), а электрическую лампу возьмем от карманного фонарика (рисунок 2).

А теперь соберем похожую цепь. Заменим лампочку от фонарика большой лампой для освещения помещений. Батарейку тоже заменим. Теперь источником тока у нас является городская осветительная сеть (рисунок 3).

Взгляните на показания амперметров в этих двух цепях. Они одинаковы!

Сила тока в цепях одинакова, но ведь большая лампа дает намного больше света и тепла, чем маленькая лампочка от фонарика. Вот здесь и появляется наша новая величина — напряжение.

Связь работы тока и напряжения

Проведенные нами опыты объясняются следующим.

При одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного $1 \space Кл$, различна.

Получается, что эта работа тока и определяет нашу новую физическую величину — электрическое напряжение.

Теперь мы может объяснить до конца наши опыты. Напряжение, которое создается батарейкой в первой цепи, меньше напряжение городской осветительной сети. Поэтому лампа, подключенная к сети, дает больше света и тепла. При этом сила тока в обеих цепях одинакова. Вся причина различий — в создаваемом напряжении.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Формула для расчета напряжения

Если мы знаем работу тока $A$ на рассматриваемом участке цепи и весь электрический заряд $q$, который прошел по нему, то мы можем рассчитать напряжение $U$. По физическому смыслу, мы определим работу тока при перемещении единичного электрического заряда.

Из этой формулы мы также будем использовать два ее следствия:

Это интересно: факты об электричестве и напряжении

Единица напряжения — это такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в $1 \space Кл$ по этому проводнику равна $1 \space Дж$:
$1 \space В = 1 \frac$.

Дольные и кратные единицы напряжения

Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике? Это дольные и кратные единицы вольта: милливольт ($мВ$) и киловольт ($кВ$).

$1 \space мВ = 0.001 \space В$,
$1 \space кВ = 1000 \space В$.

Значение напряжения для некоторых устройств и природных явлений

В таблице 1 представлены для ознакомления некоторые значения напряжения.

На графике выберем удобные для нас точки с точными значениями заряда и работы. Для графика $I$ выберем точку со значениями $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 70 \space Дж$. Для графика $II$: $q = 0.35 \space Кл$ и $A = 40 \space Дж$. Запишем условие задачи и решим ее.

Дано:
$q_1 = q_2 = 0.35 \space Кл$
$A_1 = 70 \space Дж$
$A_2 = 40 \space Дж$

Показать решение и ответ

Решение:

Рассчитывать напряжения для данных проводников будем по формуле $U = \frac$.

Ответ: $U_1 = 200 \space В$, $U_2 \approx 114 \space В$.

Электрическое напряжение, единицы напряжения. Вольтметр, измерение напряжения

При изучении электрического тока, мы отметили, что для детального изучения упорядоченного движения заряженных частиц нужны характеристики: одна для описания количественно движения частиц (и мы отметили, что это – сила тока) и вторая, для описания электрического поля, ее мы и будем сегодня рассматривать.
Вспомним, что электрическое поле совершает работу по перемещению заряженной частицы из одной точки поля в другую (назначение источника тока). Мы знаем, что величина работы зависит от величины силы и величины перемещения, которое совершает тело под действием силы.
A=F∙s, (а равно эф умножить на эс)
где А – работа, F – сила, S- перемещение
Физическая величина, характеризующая работу, которую совершает электрическое поле источника при переносе по цепи (между двумя точками) электрического заряда в 1 Кл, называется напряжением.
Допустим, что электрическое поле совершило работу А Дж и по цепи был перенесен заряд q Кл. Тогда напряжение равно отношению работы поля к величине перенесенного по цепи заряда:
U=A/q , (у равно а деленое на кью) где U – напряжение,
A- работа, q — заряд
За единицу напряжения в системе СИ принят 1 Вольт (названный в честь итальянского ученого Алесандро Вольта).
1 вольт – это напряжение между двумя точками, при котором поле совершает работу в 1 джоуль при перемещении между точками заряда в 1 кулон.
Проведем опыты.
Опыт 1. Соберем электрическую цепь из источника тока (4,5В), лампочки карманного фонарика ( на 3В), демонстрационного амперметра (на 3А), выключателя. При замыкании ключа лампочка карманного фонарика горит полным накалом, но дает мало света и тепла. Амперметр показывает 0,5А.
Опыт 2. Соберем электрическую цепь из лампочки (на 220В), демонстрационного амперметра, выключателя и провода с вилкой, позволяющей включить в розетку с 220В (соблюдаем технику безопасности: нигде не должно быть оголенных проводов и контактов). При замыкании ключа лампочка горит полным накалом, но дает много больше света и тепла. А вот демонстрационный амперметр показывает 0,5А. Делаем вывод: в обоих опытах сила тока одинакова (0,5А).
Задаем вопрос: «А почему во втором опыте лампочка дает больше света и тепла при одинаковых силах тока?» Сразу можем ответить, что причина не в величине силы тока. Тогда в чем? А в том, что в наших цепях использованы разные источники тока (разного напряжения!) Они создают разные электрические поля. В первом случае (при 4,5В) поле слабое, а во втором случае (220В) – поле много сильнее. Делаем вывод: в первой лампочке выделяется меньше света и тепла, чем во второй. Значит, от источника зависит, сколько энергии в виде света и тепла выделяется в цепи, подключенной к этому источнику. Так как энергия в виде света и тепла выделяется всеми элементами цепи, то правильно говорить, что напряжение приложено к цепи. Для измерения напряжения используют вольтметр. Рассмотрим лабораторный вольтметр. Предел измерения — 6В, цена деления – 0,2В; погрешность измерения – 0,1В (половина цены деления).
Так как измерение напряжения проводится между «началом» и «концом» цепи ( между двумя точками), то вольтметр подключается параллельно к этой цепи.
Клеммы вольтметра то же должны подключаться: «+» со стороны положительного полюса источника. Минус со стороны отрицательного полюса. Вольтметр на схеме обозначается кружочком, в котором написано «V».
Опыт 3. К лабораторному вольтметру (6В) подсоединим два провода из набора. Теперь к полюсу «+» батарейки от карманного фонарика (4,5В) прикоснемся изолированным концом провода, присоединенного к клемме «+» вольтметра, а другим – к «-». Вольтметр показывает 4,5 В. Так мы замеряем электродвижущую силу (т.е. напряжение и во внешней цепи и во внутренней – подробнее об этом – позже). Делаем вывод: вольтметр можно подсоединять к клеммам источника без нагрузки: мы определяем общее напряжение, которое источник может дать во внешнюю цепь.
Опыт 4. Соберем электрическую цепь из батарейки, лампочки, резистора (4 Ома), выключателя. К вольтметру лабораторному(6В) подсоединим два провода из набора, но вольтметр в цепь не подключаем.
Включим цепь.
Теперь по очереди, соблюдая полярность, замерим напряжение на источнике (4 В), прикоснувшись изолированными концами проводов клемм источника, затем так же замерим напряжение на лампочке (3В) и на резисторе (1В). Затем, можем замерить напряжение сразу на группе: лампочка и резистор (4В). Сделаем вывод: Вольтметром можно измерить напряжение на участке, подключив его к этому участку, соблюдая полярность. Не вдаваясь пока в подробности, можем сказать, что напряжение на группе последовательно соединенных лампочки и резистора, равно сумме напряжений на лампе и резисторе (3В+1В=4В), потому что работа по перемещению заряда по всей группе равна сумме работ по перемещению заряда по лампочке, а потом и по резистору.
Мы рассмотрели вторую характеристику упорядоченного движения электронов по проводнику, связанную с электрическим полем. Это – напряжение, связанное с работой по перемещению единичного заряда по электрической цепи. Более подробно о силе тока и напряжении на участках цепи, соединенных последовательно или параллельно, мы будем говорить позже.

Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
• Повысим успеваемость по школьным предметам
• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

§ 28. Электрическое напряжение. Единица напряжения. Вольтметр

Каждый, наверное, слышал предостерегающее «Не подходи — там высокое напряжение!», возмущенное «Снова упало напряжение в сети!», вопросительное «На какое напряжение рассчитан этот прибор?». Из данного параграфа вы узнаете, что такое напряжение и почему на всех электротехнических устройствах приводят его значение.

1. Даём определение электрического напряжения

В § 23 было доказано, что направленное движение свободных заряженных частиц (электрический ток) возможно благодаря действию на эти частицы силы со стороны электрического поля. А из курса физики 7 класса вы знаете, что когда тело движется в результате действия силы и направление движения тела совпадает с направлением этой силы, то сила выполняет работу. Следовательно, когда в участке цепи идет ток, то электрическое поле выполняет работу. Эту работу называют работой тока.

Работа, которую может выполнить или выполняет электрическое поле, перемещая заряд по данному участку цепи, определяется электрическим напряжением.

Электрическое напряжение на участке цепи — это физическая величина, которая численно равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда по данному участку цепи.

Напряжение обозначают символом U и определяют по формуле:

где А — работа, которую выполняет (или может выполнить) электрическое поле по перемещению заряда q по данному участку цепи.

Единица напряжения в СИ — вольт (названа в честь А. Вольты):

1 В — это такое напряжение на участке цепи, при котором электрическое поле выполняет работу 1 Дж, перемещая по данному участку заряд, равный 1 Кл:

Кроме вольта на практике часто применяют кратные и дольные единицы напряжения: микровольт (мкВ), милливольт (мВ), киловольт (кВ):

1 мкВ = 10 -6 В; 1 мВ = 10 -3 В; 1 кВ = 10 3 В.

Так, электрическое напряжение на клеточной мембране или микрочипе составляет несколько микровольт, а между облаками во время грозы — сотни киловольт.

• А знаете ли вы, какое напряжение подается в ваш дом? на аккумулятор вашего мобильного телефона во время его зарядки?

2. Проводим аналогию

Обратившись к аналогии между электрическим током и течением воды (см. § 26), можно сделать вывод, что напряжение аналогично разности уровней воды в сосудах. Если уровни воды в сосудах одинаковы, то вода течь не будет. Аналогично, если на концах участка электрической цепи отсутствует напряжение, то тока в участке не будет.

Чем больше разница уровней воды в сосудах, тем большую работу выполнит сила тяжести при падении воды массой 1 кг. Соответственно чем больше напряжение на концах участка цепи, тем большую работу выполнит электрическая сила при перемещении заряда 1 Кл.

3. Измеряем напряжение, знакомимся с вольтметром

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 28.1). Вольтметр очень похож на амперметр — и внешне, и по принципу действия.

Рис. 28.1. Некоторые виды вольтметров: а — школьный демонстрационный; б — школьный лабораторный

Как и любой измерительный прибор, вольтметр не должен влиять на значение измеряемой величины. В случае параллельного присоединения вольтметра к определенному участку электрической цепи значение напряжения на этом участке практически не изменяется.

Правила измерения напряжения вольтметром

1. Вольтметр присоединяют параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Измерение вольтметром напряжения на лампе: а — общий вид; б — схема электрической цепи

2. Клемму вольтметра, возле которой стоит знак «+», следует соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока; клемму со знаком «-» — с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

3. Для измерения напряжения на полюсах источника тока вольтметр присоединяют непосредственно к клеммам источника (рис. 28.3).

Рис. 28.3. Измерение вольтметром напряжения на полюсах источника тока

Учимся решать задачи

Задача. Напряжение на клеммах автомобильного аккумулятора равно 12 В. С какой высоты должен упасть груз массой 36 кг, чтобы сила тяжести выполнила такую же работу, какую выполняет электрическое поле, перемещая заряд 300 Кл по одной из электрических цепей автомобиля?

Анализ физической проблемы. По условию задачи работа силы тяжести равна работе электрического тока: А = А_тока. Записав формулу для работы силы тяжести и формулу для работы тока, определим высоту падения груза.

Подводим итоги

Контрольные вопросы

1. Докажите, что если в проводнике течет ток, то электрическое поле выполняет работу. 2. Что называют напряжением на участке цепи? 3. По какой формуле определяют электрическое напряжение? 4. В каких единицах измеряют напряжение? 5. Дайте определение единицы напряжения. 6. Какой прибор используют для измерения напряжения? Какие правила необходимо соблюдать при измерении напряжения?

Упражнение № 28

1. На рис. 1 изображены шкалы разных вольтметров. Определите цену деления каждой шкалы и напряжение на каждом вольтметре.

Рис. 1

2. На рис. 2 изображена схема электрической цепи. Перенесите схему в тетрадь и покажите на ней, где следует присоединить вольтметр, чтобы измерить напряжение на лампе. Обозначьте полярность клемм вольтметра.

Рис. 2

3. Во время перемещения по участку цепи заряда, равного 3 Кл, электрическое поле выполнило работу 0,12 кДж. Определите напряжение на участке цепи.

4. Электрическое поле, перемещая по участку цепи заряд 60 Кл, выполняет такую же работу, какую выполняет сила тяжести при падении тела массой 200 г с высоты 360 м. Чему равно напряжение на участке?

5. На рис. 3 изображена схема электрической цепи. Определите работу электрического тока в лампе за 1 ч, если показания амперметра и вольтметра соответственно 0,5 А и 220 В.

Рис. 3

6. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, составьте задачу на определение работы электрического тока в некотором электротехническом устройстве.

7. По графику зависимости силы упругости F_упр от удлинения х пружины определите жесткость k пружины (рис. 4). Зависит ли жесткость пружины от силы упругости? от удлинения пружины?

Рис. 4

Единица измерения напряжения

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.