Напряжение: Что это такое?

Electrical4u

Поле: Основы электротехники

China

Что такое напряжение?

Напряжение (также известное как разность электрических потенциалов, электродвижущая сила emf, электрическое давление или электрическое напряжение) определяется как разность электрических потенциалов на единицу заряда между двумя точками в электрическом поле. Напряжение математически (т.е. в формулах) выражается символом «V» или «E».

Если вы ищете более интуитивное объяснение, чтобы понять, что такое напряжение, перейдите к этому разделу статьи.

В противном случае мы продолжим ниже с более формальным определением напряжения.

В статическом электрическом поле работа, необходимая для перемещения единицы заряда между двумя точками, называется напряжением. Математически напряжение можно выразить следующим образом,

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

Где выполненная работа измеряется в джоулях, а заряд — в кулонах.

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

Можно определить напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками в цепи.

Одна точка имеет более высокий потенциал, а другие точки имеют более низкий потенциал. Разница заряда между точкой с более высоким потенциалом и точкой с более низким потенциалом называется напряжением или потенциальной разностью.

Напряжение или потенциальная разность придает силу электронам для протекания через цепь.

Чем выше напряжение, тем больше сила, и, следовательно, больше электронов протекает через цепь. Без напряжения или потенциальной разности электроны двигались бы хаотично в свободном пространстве.

Напряжение иногда также называют "электрическим напряжением". Например, кабели с напряжением 1 кВ, 11 кВ и 33 кВ соответственно называются кабелями низкого, высокого и сверхвысокого напряжения.

Определение потенциальной разности как потенциала электрического поля

Как упоминалось, напряжение определяется как разность электрических потенциалов на единицу заряда между двумя точками в электрическом поле. Давайте описывать это с помощью уравнений.

Рассмотрим две точки A и B.

Потенциал точки A относительно точки B определяется как работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки A в точку B в присутствии электрического поля E.

Математически это можно выразить следующим образом,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

Это также является потенциальной разностью между точками A и B, где точка B является точкой отсчета. Это также можно выразить как,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

Напряжение может быть довольно сложным понятием для понимания.

Поэтому мы используем аналогию с чем-то осязаемым — с чем-то из реального мира, чтобы облегчить понимание напряжения.

Понимание напряжения через аналогию

Аналогия с гидравликой является распространенной аналогией, которая помогает объяснить напряжение.

В гидравлической аналогии:

Напряжение или электрический потенциал эквивалентны гидравлическому давлению воды
Электрический ток эквивалентен гидравлическому расходу воды
Электрический заряд эквивалентен количеству воды
Электрический проводник эквивалентен трубе

Аналогия 1

Рассмотрим водяной бак, как показано на рисунке ниже. Рисунок (а) показывает два бака, заполненных до одного и того же уровня. Поэтому вода не может перетекать из одного бака в другой, так как нет разницы в давлении.

Теперь, на рисунке (b) показаны два бака, заполненные водой на разном уровне. Следовательно, между этими двумя баками существует некоторая разница давления. Таким образом, вода будет перетекать из одного бака в другой, пока уровень воды в обоих баках не станет одинаковым.

Аналогично, если мы соединим два аккумулятора проводом с различными уровнями напряжения, то заряды будут течь от аккумулятора с более высоким потенциалом к аккумулятору с более низким потенциалом. Таким образом, аккумулятор с более низким потенциалом будет заряжаться до тех пор, пока потенциал обоих аккумуляторов не станет одинаковым.

Аналогия 2

Рассмотрим водяной бак, установленный на определенной высоте над землей.

Давление воды на конце шланга эквивалентно напряжению или разности потенциалов в электрической цепи. Вода в баке эквивалентна электрическому заряду. Если мы увеличим количество воды в баке, то давление на конце шланга возрастет.

Обратно, если мы слить определенное количество воды из бака, то давление, создаваемое на конце шланга, уменьшится. Мы можем считать этот водяной бак аналогичным аккумулятору. Когда напряжение аккумулятора уменьшается, лампы становятся тусклее.

Аналогия 3

Попробуем понять, как работа может быть выполнена напряжением или разностью потенциалов в электрической цепи. Электрическая цепь показана на рисунке ниже.

Как показано в гидравлической водяной цепи, вода течет по трубе, приводимой механическим насосом. Труба эквивалентна проводнику в электрической цепи.

Если механический насос создает разность давления между двумя точками, то сжатая вода сможет выполнять работу, такую как привод турбины.

Аналогично, в электрической цепи разность потенциалов аккумулятора может вызвать ток, текущий через проводник, и, следовательно, выполняющуюся работу, такую как освещение лампы.

В чем измеряется напряжение (единицы напряжения)?

СИ единица напряжения

Единицей измерения напряжения в СИ является вольт. Это обозначается буквой V. Вольт — это производная единица измерения напряжения в СИ. Итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), который изобрел вольтов столб, первый электрический аккумулятор, поэтому единица вольт названа в его честь.

Вольт в базовых единицах СИ

Вольт можно определить как разность электрических потенциалов между двумя точками в электрической цепи, которая рассеивает один джоуль энергии на каждый кулон заряда, проходящий через электрическую цепь. Математически это можно выразить следующим образом,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

Таким образом, вольт можно выразить в базовых единицах СИ как $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ или $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

Он также может быть измерен в ваттах на ампер или амперах на ом.

Формула напряжения

Базовая формула напряжения показана на изображении ниже.

Формула напряжения 1 (Закон Ома)

Согласно закону Ома, напряжение можно выразить следующим образом,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Пример 1

Как показано на схеме ниже, ток в 4 А проходит через сопротивление 15 Ом. Определите падение напряжения на цепи.

Решение:

Данные: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

Таким образом, используя это уравнение, мы получаем падение напряжения на цепи, равное 60 вольтам.

Формула напряжения 2 (мощность и ток)

Передаваемая мощность является произведением напряжения питания и электрического тока.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Теперь, подставим $I=\frac{V}{R}$ в приведенное выше уравнение, получим,

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Таким образом, мы получаем, что напряжение равно мощности, деленной на ток. Математически,

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,Вольт \end{align*}$

Пример 2

Как показано в схеме ниже, ток 2 А проходит через лампу мощностью 48 Вт. Определите напряжение питания.

Решение:

Данные: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Согласно формуле между напряжением, мощностью и током, указанной выше,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение, мы получаем напряжение питания 24 вольта.

Формула напряжения 3 (мощность и сопротивление)

Согласно уравнению (1), напряжение является квадратным корнем из произведения мощности и сопротивления. Математически,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

Пример 3

Как показано в нижеприведенной схеме, определите необходимое напряжение для свечения лампы мощностью 5 Вт с сопротивлением 2 Ом.

Решение:

Исходные данные: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Согласно вышеупомянутой формуле,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение, мы получаем необходимое напряжение для свечения лампы $5 W, 2\Omega$ 3.16 Вольт.

Символы напряжения (переменный и постоянный ток)

Символ переменного напряжения

Символ переменного напряжения (переменного тока) показан ниже:

企业微信截图_17098668569432.png — Символ переменного напряжения

Символ постоянного напряжения

Символ постоянного напряжения (постоянного тока) показан ниже:

Размерности напряжения

Напряжение (V) представляет собой электрический потенциал энергии на единицу заряда.

Размерности напряжения можно выразить через массу (M), длину (L), время (T) и ампер (A) как $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

Обратите внимание, что некоторые также используют I вместо A для обозначения тока. В этом случае размерность напряжения может быть представлена как $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Как измерить напряжение

В электрических и электронных цепях измерение напряжения является важным параметром, который необходимо измерять. Мы можем измерить напряжение между определенной точкой и землей или линией с нулевым напряжением в цепи.

В трехфазной цепи, если мы измеряем напряжение между любой фазой из трехфазного источника и нейтральной точкой, то это называется напряжением между фазой и землей.

Аналогично, если мы измеряем напряжение между любыми двумя фазами из трехфазного источника, то это называется напряжением между фазами.

Существует множество приборов, используемых для измерения напряжения. Давайте обсудим каждый метод.

Метод вольтметра

Напряжение между двумя точками в системе можно измерить, используя вольтметр. Для измерения напряжения вольтметр должен быть подключен параллельно компоненту, напряжение которого нужно измерить.

Один провод вольтметра должен быть подключен к первой точке, а другой ко второй точке. Обратите внимание, что вольтметр никогда не должен быть подключен последовательно.

Вольтметр также может использоваться для измерения падения напряжения на любом компоненте или суммы падений напряжения на двух или более компонентах в цепи.

Аналоговый вольтметр работает, измеряя ток через фиксированный резистор. Согласно закону Ома, ток через резистор прямо пропорционален напряжению или разности потенциалов на фиксированном резисторе. Таким образом, мы можем определить неизвестное напряжение.

Пример подключения вольтметра для измерения напряжения на батарее 9 В показан на следующем рисунке:

Метод мультиметра

В настоящее время одним из самых распространенных методов измерения напряжения является использование мультиметра. Мультиметр может быть как аналоговым, так и цифровым, но цифровые мультиметры наиболее часто используются из-за их высокой точности и низкой стоимости.

Напряжение или разность потенциалов на любом оборудовании можно просто измерить, подключив щупы мультиметра к двум точкам, где необходимо измерить напряжение. Измерение напряжения батареи с помощью мультиметра показано на следующем изображении.

Multimeter for Voltage Measurement — Подключение мультиметра для измерения напряжения батареи

Метод потенциометра

Потенциометр работает на принципе нулевого баланса. Он измеряет напряжение, сравнивая неизвестное напряжение с известным эталонным напряжением.

Другие приборы, такие как осциллограф, электростатический вольтметр, также могут использоваться для измерения напряжения.

Разница между напряжением и током (напряжение против тока)

Основное различие между напряжением и током заключается в том, что напряжение — это разность потенциалов электрических зарядов между двумя точками в электрическом поле, тогда как ток — это движение электрических зарядов от одной точки к другой в электрическом поле.

Можно сказать, что напряжение является причиной протекания тока, тогда как ток — это результат воздействия напряжения.

Чем выше напряжение, тем больше ток, который будет протекать между двумя точками. Обратите внимание, что если две точки в цепи находятся на одном потенциале, то ток не сможет протекать между ними. Магнитуда напряжения и тока зависят друг от друга (в соответствии с законом Ома).

Другие различия между напряжением и током обсуждаются в таблице ниже.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Разница между напряжением и током

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Разница между напряжением и током

Разница между напряжением и разностью потенциалов (напряжение против разности потенциалов)

Между напряжением и разностью потенциалов нет большой разницы. Однако мы можем описать их различия следующим образом.

Напряжение - это количество энергии, необходимое для перемещения единичного заряда между двумя точками, тогда как разность потенциалов - это разница между более высоким потенциалом одной точки и более низким потенциалом другой точки.

Из-за точечного заряда:

Напряжение - это потенциал, полученный в некоторой точке, при условии, что другая точка является бесконечно удаленной. Разность потенциалов - это разница в потенциалах между двумя точками, находящимися на конечном расстоянии от заряда. Математически они могут быть выражены следующим образом,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

Если вы предпочитаете видеообъяснение напряжения, посмотрите видео ниже:

Что такое типичное напряжение?

Типичное напряжение определяется как обычный уровень или номинальное значение напряжения электрического оборудования или аппарата.

Ниже приведен список типичных напряжений для различных электрических устройств или оборудования.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в электромобилях: 12 В постоянного тока. Аккумулятор на 12 В состоит из 6 элементов, каждый из которых имеет напряжение 2,1 В. Обратите внимание, что элементы соединены последовательно для увеличения напряжения.
Солнечные элементы: обычно вырабатывают напряжение около 0,5 В постоянного тока при открытой цепи. Однако, часто несколько солнечных элементов соединяются последовательно, чтобы сформировать солнечные панели, которые могут выдавать более высокое общее напряжение.
USB: 5 В постоянного тока.
Высоковольтная линия электропередачи: 110 кВ до 1200 кВ переменного тока.
Линии электропередачи для высокоскоростных поездов (тяговые): 12 кВ и 50 кВ переменного тока или 0,75 кВ и 3 кВ постоянного тока.
Питание TTL/CMOS: 5 В.
Одиночный перезаряжаемый никель-кадмиевый аккумулятор: 1,2 В.
Батареи для фонарей: 1,5 В постоянного тока.

Типичное напряжение, подаваемое компанией-распределителем домашним потребителям:

100 В, однофазное переменное в Японии
120 В, однофазное переменное в Америке
230 В, однофазное переменное в Индии, Австралии

Типичное напряжение, подаваемое компанией-распределителем промышленным потребителям:

200 В, трехфазное переменное в Японии
480 В, трехфазное переменное в Америке
415 В, трехфазное переменное в Индии

Применение напряжения

Некоторые применения напряжения включают:

Одно из самых распространенных применений напряжения — определение падения напряжения на электрическом устройстве или оборудовании, таком как резистор.
Добавление напряжения необходимо для увеличения номинального напряжения. Поэтому элементы соединяются последовательно, чтобы увеличить номинальное напряжение.

Напряжение является основным источником энергии для каждого электрического и электронного оборудования. От малых напряжений (5 В) до высоких напряжений (415 В) используются в различных применениях.

Низкое напряжение обычно используется для многих электронных устройств и систем управления.

Высокое напряжение используется для

Электростатической печати, электростатической покраски, электростатического покрытия материалов
Изучения космологии пространства
Электростатический осадитель (контроль загрязнения воздуха)
Лаборатория реактивных двигателей
Рентгеновские трубки
Высокомощные усилительные лампы
Масс-спектрометрия
Диэлектрические испытания
Тестирование пищевых продуктов и напитков
Применение электроспрея и спина, электрофотография
Плазменные приложения
Измерение уровня
Индукционный нагрев
Вспышечные лампы
СОНАР
Для испытаний электрического оборудования

Источник: Electrical4u

Заявление: Уважайте оригинальность, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.

Оставить чаевые и поощрить автора

Темы:

Основы электротехники

Напряжение

О специалистах

Electrical4u

China

Область экспертизы

Basic Electrical

Профессиональная статья

607

Рекомендуемый

Больше

Высоковольтная SF₆-свободная кольцевая главная установка: регулировка механических характеристик

(1) Зазор между контактами в основном определяется параметрами координации изоляции, параметрами прерывания, материалом контактов высоковольтной кольцевой распределительной установки без SF₆ и конструкцией магнитного дутьевого устройства. На практике, больший зазор между контактами не всегда лучше; вместо этого зазор следует устанавливать как можно ближе к его нижнему пределу для снижения энергопотребления при эксплуатации и увеличения срока службы.(2) Определение перехода контакта связано с так

James

12/10/2025

Низковольтные распределительные линии и требования к электроснабжению на строительных площадках

Низковольтные распределительные линии относятся к цепям, которые через распределительный трансформатор снижают высокое напряжение 10 кВ до уровня 380/220 В, то есть низковольтные линии, идущие от подстанции к конечному оборудованию.Низковольтные распределительные линии следует учитывать на этапе проектирования схемы подключения подстанций. На заводах для цехов с относительно высоким потреблением электроэнергии часто устанавливаются специальные цеховые подстанции, где трансформаторы напрямую пита

James

12/09/2025

Как гармоники напряжения влияют на нагрев трансформатора распределения H59

Влияние гармоник напряжения на повышение температуры в распределительных трансформаторах H59Распределительные трансформаторы H59 являются одним из наиболее важных устройств в энергетических системах, основной функцией которых является преобразование высокого напряжения из электросети в низкое напряжение, необходимое конечным потребителям. Однако энергетические системы содержат множество нелинейных нагрузок и источников, которые вносят гармоники напряжения, негативно влияющие на работу распредели

Echo

12/08/2025

Основные причины отказа трансформатора распределения H59

1. ПерегрузкаВо-первых, с улучшением уровня жизни населения потребление электроэнергии значительно увеличилось. Распределительные трансформаторы H59 имеют малую мощность — "маленькая лошадь тянет большую повозку" — и не могут удовлетворить потребности пользователей, что приводит к работе трансформаторов в условиях перегрузки. Во-вторых, сезонные колебания и экстремальные погодные условия вызывают пиковый спрос на электроэнергию, что еще больше способствует перегрузке распределительных трансформа

Felix Spark

12/06/2025

Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.