Напруга: що це?

Electrical4u

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке напруга?

Напруга (також відома як різниця електричного потенціалу, електромотивна сила emf, електричний тиск або електричне напруження) визначається як різниця електричного потенціалу на одиницю заряду між двома точками в електричному полі. Напруга математично (тобто в формулах) позначається символами “V” або “E”.

Якщо вам потрібне більш інтуїтивне пояснення для розуміння того, що таке напруга, перейдіть до цього розділу статті.

Інакше, ми продовжимо нижче з більш формальним визначенням напруги.

У статичному електричному полі, робота, необхідна для переміщення одиниці заряду між двома точками, відома як напруга. Математично, напруга може бути виражена як,

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

Де виконана робота виражена в джоулях, а заряд — в кулонах.

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

Можна визначити напругу як кількість потенційної енергії між двома точками в електричному колі.

Одна точка має більший потенціал, а інші точки мають менший потенціал. Різниця заряду між більшим потенціалом та меншим потенціалом називається напругою або різницею потенціалів.

Напруга або різниця потенціалів надає сили електронам для руху через коло.

Чим більша напруга, тим більша сила, і, відповідно, більше електронів рухається через коло. Без напруги або різниці потенціалів, електрони б рухалися хаотично у вільному просторі.

Напругу іноді також називають «електричним напруженням». Наприклад, ємність кабелів щодо обробки напруги, таких як 1 кВ, 11 кВ і 33 кВ, відповідно називаються кабелями з низьким, високим та надвисоким напруженням.

Визначення різниці потенціалів як потенціалу електричного поля

Як зазначалось, напруга визначається як різниця електричного потенціалу на одиницю заряду між двома точками в електричному полі. Давайте описати це за допомогою рівнянь.

Розглянемо дві точки A і B.

Потенціал точки A відносно точки B визначається як робота, виконана при переміщенні одиниці заряду від точки A до B в присутності електричного поля E.

Математично це можна виразити так,

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

Це також різниця потенціалів між точками A і B, де точка B є точкою відліку. Це також можна виразити як,

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

Тепер напруга може бути досить складним поняттям для розуміння на концептуальному рівні.

Тому ми використаємо аналогію з чимось реальним — щось, що можна потрапити руками, — щоб допомогти зрозуміти напругу легше.

Розуміння напруги за допомогою аналогії

«Гідравлічна аналогія» є поширеною аналогією, яка допомагає пояснити напругу.

У гідравлічній аналогії:

Напруга або електричний потенціал еквівалентні гідравлічному тиску води
Електричний струм еквівалентний гідравлічній швидкості потоку води
Електричний заряд еквівалентний кількості води
Електричний провідник еквівалентний трубі

Аналогія 1

Розглянемо водонапірну цистерну, як показано на нижньому малюнку. Малюнок (а) показує дві цистерни, заповнені водою до одного рівня. Тому вода не може потікати з однієї цистерни до іншої, оскільки немає різниці у тиску.

Тепер, рисунок (b) показує два баки, заповнені водою на різних рівнях. Тому між цими двома баками є деяка різниця тисків. Таким чином, вода буде перетікати з одного бака до іншого, поки рівень води у обох баках не стане однаковим.

Так само, якщо ми з'єднаємо два акумулятори проводом з різними рівнями напруги, то заряд може потікати з акумулятора з більшим потенціалом до акумулятора з меншим потенціалом. Тому акумулятор з нижчим потенціалом заряджається, поки потенціали обох акумуляторів не стануть однаковими.

Аналогія 2

Розглянемо бак з водою, розташований на певній висоті над землею.

Тиск води на кінці шлангу еквівалентний напрузі або різниці потенціалів у електричному колі. Вода в баку еквівалентна електричному заряду. Тепер, якщо ми збільшимо кількість води в баку, то на кінці шлангу створиться більший тиск.

Навпаки, якщо ми спустимо певну кількість води з баку, то тиск, створений на кінці шлангу, зменшиться. Ми можемо припустити, що цей бак з водою подібний до аккумулятора. Коли напруга акумулятора знижується, лампи стають тьмянішими.

Аналогія 3

Давайте розберемося, як напруга або різниця потенціалів може виконувати роботу в електричному колі. Електричне коло показано на нижньому рисунку.

Як показано в гіdraulic водному контурі, вода протікає через трубу, приводиму в дію механічним насосом. Труба еквівалентна провідному дроту в електричному колі.

Тепер, якщо механічний насос створює різницю тисків між двома точками, то змінена вода зможе виконувати роботу, таку як приведення в дію турбіни.

Так само, в електричному колі, різниця потенціалів акумулятора може спричинити потік струму через провідник, тому поточний струм може виконувати роботу, таку як освітлення лампи.

В чому вимірюється напруга (одиниці напруги)?

СІ одиниця напруги

Одиниця СІ для напруги — вольти. Це позначається літерою V. Вольт — це похідна одиниця СІ напруги. Італійський фізик Алессандро Вольта (1745-1827), який винайшов вольтовий стовп, що був першим електричним джерелом живлення, тому одиниця вольт названа на честь них.

Вольт у базових одиницях СІ

Вольт можна визначити як різницю електричного потенціалу між двома точками в електричній схемі, яка розсіює одну джоуль енергії на кулон заряду, що проходить через електричну схему. Математично це можна виразити так,

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

Тому вольт можна виразити через базові одиниці СІ як $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ або $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

Це також можна виміряти в ватах на ампер або амперах на оми.

Формула напруги

Базова формула напруги показана на нижньому зображенні.

Формула напруги 1 (Закон Ома)

Відповідно до закону Ома, напруга може бути виражена як,

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

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

Приклад 1

Як показано на нижньому електричному колі, струм 4 А пройшов через опір 15 Ом. Визначте спад напруги в цьому колі.

Розв'язок:

Дані: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Згідно з законом Ома,

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

Таким чином, за допомогою цього рівняння ми отримуємо спад напруги в колі 60 вольт.

Формула напруги 2 (Потужність та струм)

Переданий потік є добутком живлення напруги та електричного струму.

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

Тепер, підставивши $I=\frac{V}{R}$ у вищезазначене рівняння, ми отримуємо,

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

Отже, ми отримуємо, що напруга дорівнює потужності, поділеній на струм. Математично,

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

Приклад 2

Як показано на нижньому електричному кресленні, через лампу потужностю 48 Вт пропускається струм 2 А. Визначте напругу живлення.

Рішення:

Задані дані: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Відповідно до формули між напругою, потужністю та струмом, зазначеної вище,

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

Таким чином, використовуючи цю формулу, ми отримуємо напругу живлення 24 вольти.

Формула напруги 3 (Потужність і опір)

Згідно з рівнянням (1), напруга є квадратним коренем від добутку потужності та опору. Математично,

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

Приклад 3

Як показано на нижньому схемі, визначте необхідне напругу для світання лампи потужністю 5 Вт з опором струму 2 Ом.

Рішення:

Вхідні дані: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Згідно з вищезазначеною формулою,

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

Таким чином, за допомогою рівняння ми отримуємо необхідну напругу для світання $5 W, 2\Omega$ лампи 3.16 Вольт.

Символ напруги в електричних колах (AC і DC)

Символ напруги AC

Символ напруги AC (перемінний струм) показано нижче:

企业微信截图_17098668569432.png — Символ напруги AC

Символ напруги DC

Символ напруги DC (постійний струм) показано нижче:

Розмірності напруги

Напруга (V) є представленням електричного потенціалу енергії на одиницю заряду.

Розмірності напруги можна виразити через масу (M), довжину (L), час (T) та ампер (A) за формулою $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

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

Зверніть увагу, що деякі також використовують I замість A для позначення струму. У цьому випадку розмірність напруги можна представити як $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Як вимірювати напругу

У електричних та електронних схемах вимірювання напруги є важливим параметром, який потрібно виміряти. Ми можемо виміряти напругу між певною точкою та заземленням або лінією нульової напруги в схемі.

У трьохфазній схемі, якщо ми вимірюємо напругу між будь-якою фазою з трьохфазного джерела та нейтральною точкою, то це називається напругою між фазою та землею.

Так само, якщо ми вимірюємо напругу між будь-якими двома фазами з трьохфазного джерела, то це називається напругою між фазами.

Існує багато приладів, які використовуються для вимірювання напруги. Розглянемо кожен метод.

Метод вольтметра

Напругу між двома точками в системі можна виміряти за допомогою вольтметра. Для вимірювання напруги вольтметр повинен бути підключений паралельно до компоненту, чия напруга має бути виміряна.

Один провід вольтметра повинен бути підключений до першої точки, а інший — до другої точки. Зверніть увагу, що вольтметр ніколи не повинен бути підключений послідовно.

Вольтметр можна також використовувати для вимірювання спаду напруги на будь-якому компоненті або суми спаду напруги на двох або більше компонентах у цепі.

Аналоговий вольтметр працює шляхом вимірювання струму через фіксований резистор. Тепер, згідно з законом Ома, струм через резистор прямо пропорційний напрузі або потенційній різниці на фіксованому резисторі. Тим самим, ми можемо визначити невідому напругу.

Ще один приклад підключення вольтметра для вимірювання напруги на батареї 9 В показано на нижньому рисунку:

Метод мультиметра

У сучасні дні одним із найпоширеніших методів вимірювання напруги є використання мультиметра. Мультиметр може бути або аналоговим, або цифровим, але цифрові мультиметри найчастіше використовуються через вищу точність та низьку вартість.

Напругу або потенційну різницю на будь-якому обладнанні можна просто виміряти, підключивши зонди мультиметра до двох точок, де необхідно виміряти напругу. Вимірювання напруги батареї за допомогою мультиметра показано на нижньому зображенні.

Multimeter for Voltage Measurement — Підключення мультиметра для вимірювання напруги батареї

Метод потенціометра

Потенціометр працює на основі принципу нульового балансу. Він вимірює напругу шляхом порівняння невідомої напруги з відомою еталонною напругою.

Інші прилади, такі як осцилограф, електростатичний вольтметр, також можуть бути використані для вимірювання напруги.

Різниця між напругою та струмом (напруга проти струму)

Основна різниця між напругою та струмом полягає в тому, що напруга - це потенційна різниця електричних зарядів між двома точками в електричному полі, тоді як струм - це потік електричних зарядів від однієї точки до іншої в електричному полі.

Ми можемо просто сказати, що напруга - це причина потоку струму, тоді як струм - це наслідок напруги.

Чим більша напруга, тим більший струм буде протікати між двома точками. Зверніть увагу, якщо дві точки в цепі знаходяться на одному потенціалі, то струм не може протікати між ними. Масштаб напруги та струму залежать один від одного (згідно з законом Ома).

Інші різниці між напругою та струмом обговорюються в таблиці нижче.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Різниця між напругою та струмом

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Різниця між напругою та струмом

Різниця між напругою та потенціальною різницею (напруга проти потенціальної різниці)

Між напругою та потенціальною різницею немає значної різниці. Проте можна описати їхню різницю наступним чином.

Напруга - це кількість енергії, необхідної для переміщення одиничного заряду між двома точками, тоді як потенціальна різниця - це різниця між вищим потенціалом однієї точки та нижчим потенціалом іншої точки.

Завдяки точковому заряду:

Напруга - це потенціал, отриманий в деякій точці з урахуванням іншої референтної точки на нескінченності. Тоді як потенціальна різниця - це різниця потенціалів між двома точками на скінченних відстанях від заряду. Математично це можна виразити так,

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

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

Якщо вам більше подобається відео-пояснення напруги, перегляньте відео нижче:

Що таке типова напруга?

Типова напруга визначається як типовий рівень або клас напруги електричного обладнання або пристрою.

Нижче наведено список типових напруг для різних електричних приладів або обладнання.

Свинцево-кислотні батареї, використовувані в електромобілях: 12 В постійного струму. Батарея на 12 В складається з 6 клітин, кожна з яких має загальну напругу 2,1 В. Зверніть увагу, що клітини підключені послідовно, щоб збільшити напругу.
Сонячні клітини: Зазвичай виробляють напругу близько 0,5 В постійного струму при відкритому контурі. Однак, часто кілька сонячних клітин підключаються послідовно, щоб утворити сонячні панелі, які можуть виводити більшу загальну напругу.
USB: 5 В постійного струму.
Високонапружні лінії електропередач: 110 кВ до 1200 кВ перемінного струму.
Лінії живлення високошвидкісних поїздів (трекція): 12 кВ і 50 кВ перемінного струму або 0,75 кВ і 3 кВ постійного струму.
Питання TTL/CMOS: 5 В.
Одноклітинний, перезаряджанийнікель-кадмієва батарея: 1,2 В.
Батареї для фонаріків: 1,5 В постійного струму.

Звичайна напруга, яку надає дистрибутивна компанія споживачам-господарствам:

100 В, 1-фазний перемінний струм у Японії
120 В, 1-фазний перемінний струм у Америці
230 В, 1-фазний перемінний струм у Індії та Австралії

Звичайна напруга, яку надає дистрибутивна компанія промисловим споживачам:

200 В, 3-фазний перемінний струм у Японії
480 В, 3-фазний перемінний струм у Америці
415 В, 3-фазний перемінний струм у Індії

Застосування напруги

Деякі застосування напруги включають:

Одним з найпоширеніших застосувань напруги є визначення нападку напруги на електричному пристрої або обладнанні, такому як резистор.
Для збільшення напруги необхідне додавання напруги. Тому клітини підключаються послідовно, щоб збільшити напругу.

Напруга є основним джерелом енергії для кожного електричного та електронного обладнання. Від невеликих напруг (5 В) до високих напруг (415 В) використовуються у різних застосуваннях.

Низька напруга зазвичай використовується для багатьох електронних пристроїв та систем керування.

Висока напруга використовується для

Електростатичного друку, електростатичного фарбування, електростатичного покриття матеріалів
Дослідження космології
Електростатичний осадник (контроль забруднення повітря)
Лабораторія реактивного двигунобудування
Рентгеновські трубки
Вакуумні лампи високої потужності
Мас-спектроскопія
Діелектричне тестування
Тестування продуктів харчування та напоїв
Застосування електростатичного розпилення та спінінгу, електрофотографія
Плазмені застосування
Чуйність рівня
Індукційне нагрівання
Блискавкові лампи
СОНАР
Для тестування електричного обладнання

Джерело: Electrical4u

Заява: Поважайте оригінал, хороші статті варто поширити, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.

Дайте гонорар та підтримайте автора

Теми:

Основи електротехніки

Напруга

Про експертів

Electrical4u

China

Рекомендоване

Більше

Високовольтна без SF₆ кільцева головна установка: налаштування механічних характеристик

(1) Відстань між контактами в основному визначається параметрами координації ізоляції, параметрами розриву, матеріалом контактів безсф6-ового кільцевого головного агрегату високого напруги та конструкцією камери магнітного дування. На практиці більша відстань між контактами не обов'язково краща; замість цього, відстань між контактами повинна бути налаштована якомога ближче до її нижньої межі, щоб зменшити енергоспоживання при роботі та продовжити термін служби.(2) Визначення надлишкового ходу ко

James

12/10/2025

Низковольтні розподільчі лінії та вимоги до розподілу електроенергії на будівельних майданчиках

Низьковольтні лінії розподілу вказують на контури, які через трансформатор розподілу знижують високе напругу 10 кВ до рівня 380/220 В — тобто, низьковольтні лінії, що йдуть від підстанції до кінцевого обладнання.Низьковольтні лінії розподілу слід враховувати на етапі проектування схеми проводки підстанцій. На заводі для цехів з відносно високим споживанням електроенергії часто встановлюються спеціальні підстанції, де трансформатори безпосередньо забезпечують живлення різних електричних навантаже

James

12/09/2025

Як гармоніки напруги впливають на нагрівання трансформатора розподілу H59?

Вплив гармонік напруги на підвищення температури в трансформаторах розподілу H59Трансформатори розподілу H59 є одним з найважливіших обладнань у системах живлення, головним чином функціонуючи для перетворення високого напруги з електромережі на низьку напругу, необхідну для кінцевих споживачів. Однак, системи живлення містять багато нелінійних навантажень та джерел, які вводять гармоніки напруги, які негативно впливають на роботу трансформаторів розподілу H59. Ця стаття детально обговорить вплив

Echo

12/08/2025

Основні причини виходу з ладу трансформатора розподілу H59

1. ПеревантаженняПо-перше, з підвищенням рівня життя людей споживання електроенергії загалом швидко збільшується. Попередні трансформатори H59 мають невелику пропускну здатність — «мала кінь тягне великий воз» — і не можуть задовольнити потреби користувачів, що призводить до перевантаження трансформаторів. По-друге, сезонні коливання та екстремальні погодні умови ведуть до пікового споживання електроенергії, що ще більше призводить до перевантаження трансформаторів H59.В результаті довготривалог

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.