Elektrické napětí. Jednotky napětí • Stupeň 8 • Fyzika
V předchozích lekcích jsme se dozvěděli, co je to síla proudu a že tato veličina charakterizuje působení elektrického proudu. Již jsme se podívali na více faktorů, na kterých závisí, nyní se podívejme na další parametry, které to ovlivňují. K tomu stačí provést jednoduchý experiment: připojit jeden zdroj proudu k elektrickému obvodu, pak dva stejné v sérii a pak tři stejné zdroje, pokaždé změřit sílu proudu v obvodu. V důsledku měření bude viditelná jednoduchá závislost: síla proudu roste úměrně s počtem připojených zdrojů. Proč se to děje? Funkcí zdroje proudu je vytvořit elektrické pole v obvodu, čím více zdrojů je v obvodu zapojeno do série, tím silnější elektrické pole vytvářejí. Z toho můžeme usoudit, že elektrické pole ovlivňuje sílu proudu v obvodu. V tomto případě, když se náboje pohybují podél vodiče, je práce vykonávána elektrickým proudem, což naznačuje, že práce elektrického pole určuje sílu proudu v obvodu.
Na druhou stranu si můžeme připomenout analogii mezi tokem elektrického proudu ve vodiči a vodou v potrubí. Když mluvíme o myšlence množství vody protékající průřezem potrubí, lze to přirovnat k velikosti náboje, který prošel vodičem. A rozdíl ve výšce v potrubí, který tvoří tlak a průtok vody, lze srovnat s takovým konceptem, jako je elektrické napětí.
Pro charakterizaci práce elektrického pole při pohybu náboje byla zavedena veličina jako elektrické napětí.
Definice. Elektricheskoe napryazhenie – fyzikální veličina, která se rovná práci elektrického pole při přesunu jednotkového náboje z jednoho bodu do druhého.
Jednotka měření napětí je pojmenována po italském vědci Alessandru Voltovi (1745–1827) (obr. 1).
Rýže. 1. Alessanro Volta (zdroj)
Pokud uvedeme standardní příklad významu známého nápisu na jakýchkoli domácích spotřebičích „220 V“, znamená to, že na části obvodu je vykonáno 220 J práce pro přesun náboje 1 C.
Vzorec pro výpočet napětí:
práce elektrického pole pro přenos náboje, J;
Proto může být jednotka měření napětí reprezentována takto:
Mezi vzorci pro výpočet napětí a proudu existuje vztah, který je třeba poznamenat: 
и 
. Oba vzorce obsahují velikost elektrického náboje. 
, což může být užitečné při řešení některých problémů.
Voltmetr
K měření napětí slouží přístroj tzv voltmetr (Obr. 2).
Existují různé voltmetry podle vlastností jejich aplikace, ale základem jejich principu činnosti je elektromagnetické působení proudu. Všechny voltmetry jsou označeny latinským písmenem, které je naneseno na číselníku přístrojů a je použito ve schematickém znázornění přístroje.
Ve školním prostředí se například používají voltmetry, jak je znázorněno na obrázku 3. Používají se k měření napětí v elektrických obvodech při laboratorních pracích.
 |  |  |
| (Zdroj) | (Zdroj) | (Zdroj) |
Rýže. 3. Voltmetry
Hlavními prvky demonstračního voltmetru jsou tělo, stupnice, ukazatel a svorky. Svorky jsou obvykle označeny plusem nebo mínusem a pro přehlednost jsou zvýrazněny různými barvami: červená – plus, černá (modrá) – mínus. To se provádí proto, aby bylo zajištěno, že svorky zařízení jsou správně připojeny k odpovídajícím vodičům připojeným ke zdroji. Na rozdíl od ampérmetru, který je zapojen do série přes obvod, je voltmetr zapojen paralelně k obvodu.
Každé elektrické měřicí zařízení by samozřejmě mělo mít minimální dopad na zkoumaný obvod, takže voltmetr má takové konstrukční vlastnosti, že jím protéká minimální proud. Tohoto efektu je dosaženo výběrem speciálních materiálů, které usnadňují minimální průtok náboje zařízením.
Voltmetr v elektrických obvodech
Schematické znázornění voltmetru (obr. 4):
Ukažme si jako příklad elektrický obvod (obr. 5), do kterého je zapojen voltmetr.
Obvod má téměř minimální sadu prvků: zdroj proudu, žárovku, klíč, ampérmetr zapojený do série a voltmetr zapojený paralelně k lampě.
Poznámka:. Je lepší začít s montáží elektrického obvodu se všemi prvky kromě voltmetru a na konci jej připojit.
Typy voltmetrů
Existuje mnoho různých typů voltmetrů s různými stupnicemi. Proto je otázka výpočtu ceny zařízení v tomto případě velmi aktuální. Velmi rozšířené jsou mikrovoltmetry, milivoltmetry, prostě voltmetry atd. Jejich názvy udávají frekvenci, s jakou se měření provádí.
Kromě toho jsou voltmetry rozděleny na stejnosměrná a střídavá zařízení. V městské síti je sice střídavý proud, ale v této fázi studia fyziky máme co do činění se stejnosměrným proudem, který dodávají všechny galvanické články, takže nás budou zajímat odpovídající voltmetry. Skutečnost, že je zařízení určeno pro střídavé obvody, je na číselníku obvykle znázorněno ve formě vlnovky (obr. 6).
Rýže. 6. AC voltmetr (zdroj)
Poznámka:. Pokud se budeme bavit o hodnotách napětí, tak např. napětí 1 V je malá hodnota. V průmyslu se používají mnohem vyšší hodnoty napětí, měřené ve stovkách voltů, kilovoltech a dokonce i megavoltech. V každodenním životě se používá napětí 220 V nebo méně.
V další lekci se dozvíme, jaký je elektrický odpor vodiče.
Reference
- Gendenshtein L. E., Kaidalov A. B., Kozhevnikov V. B. Physics 8 / Ed. Orlová V. A., Roizena I. I. – M.: Mněmosyně.
- Peryshkin A.V. Fyzika 8. – M.: Drop obecný, 2010.
- Fadeeva A. A., Zasov A. V., Kiselev D. F. Fyzika 8. – M.: Vzdělávání.
Dodatečná pdoporučené odkazy na internetové zdroje
- Cool Physics (zdroj)
- YouTube (zdroj)
- YouTube (zdroj)
Domácí úkol
- Strana 92: otázky č. 1, 2; str. 93: otázky č. 1–4; str. 95: otázky č. 1–4, cvičení č. 16. Peryshkin A. V. Physics 8. – M.: Drofa, 2010.
- Vypočítejte, jaký náboj prošel vodičem, jestliže při napětí 36 V elektrické pole vykonalo práci 72 J.
- Určete hodnotu dělení zařízení: (Zdroj)
- Připravte zprávu o struktuře voltmetru a typech tohoto zařízení.
Aby se ve vodiči objevil elektrický proud, musí se vytvořit elektrické pole. Úkol vytvoření a udržení elektrického pole je proveden aktuální zdroje.
Po vytvoření elektrického pole začnou na volné nabité částice ve vodiči působit elektrické síly, které je uvedou do pohybu.
Ukazuje se, že máme síly a částice, které se pod jejich vlivem pohybují. To znamená, že se něco děje práce. Stejný fakt nám říká, že elektrické pole nějaké má energie.
V této lekci se blíže podíváme na to, jakou práci elektrické pole vykonává, na čem závisí a dojdeme k definici další důležité charakteristiky v elektřině – elektrické napětí.
Aktuální práce
Uveďme rovnou novou definici.
Proudová práce je práce vykonaná silami elektrického pole, které vytvářejí elektrický proud.
V procesu této práce se energie elektrického proudu přeměňuje na další různé druhy energie (mechanickou, vnitřní atd.). Mluvili jsme o tom podrobněji, když jsme se podívali na účinky proudu.
Na čem závisí práce proudu?
Je logické předpokládat, že práce proudu bude záviset na tom, kolik náboje proteče obvodem za určitý čas. to znamená, práce vykonaná proudem bude záviset na síle proudu.
Pojďme si to ověřit jednoduchým experimentem. Sestavme obvod skládající se z klíče, zdroje proudu, ampérmetru a nataženého niklového drátu připojeného k vodičům (obrázek 1).
Použitím jednoho zdroje proudu bylo v obvodu určité množství proudu. Drát je horký.
Pokud vyměníme proudový zdroj, který nám dává větší proudovou sílu než ten předchozí, zaznamenáme určité změny. Náš drát se mnohem více zahřívá. Zde je vizuální důkaz, že tepelný efekt (a tedy aktuální práce) se projevuje silněji s rostoucím proudem v obvodu.
Faktem však je, že síla proudu není jedinou charakteristikou, na které závisí provoz proudu. Další (a neméně důležitá) veličina je tzv elektrické napětí nebo jednoduše napětí.
Elektricheskoe napryazhenie
Napětí je fyzikální veličina, která charakterizuje elektrické pole.
Elektrické napětí je označeno písmenem $U$.
Podívejme se na experiment, který nám názorně ukáže, jak nám tato veličina dokáže popsat elektrické pole.
Sestavme elektrický obvod složený z klíče, zdroje proudu, elektrické lampy a ampérmetru. Jako zdroj proudu vezmeme malou baterii (galvanický článek) a z baterky si vezmeme elektrickou lampu (obrázek 2).
Nyní sestavíme podobný řetěz. Vyměňme žárovku baterky za velkou lampu pro vnitřní osvětlení. Vyměníme i baterii. Nyní je náš aktuální zdroj síť městského osvětlení (obrázek 3).
Podívejte se na hodnoty ampérmetru v těchto dvou obvodech. Jsou stejní!
Síla proudu v obvodech je stejná, ale velká lampa dává mnohem více světla a tepla než malá lampa z baterky. Zde se objevuje naše nová hodnota – Napětí.
Vztah mezi proudem a napětím
Naše experimenty jsou vysvětleny následovně.
Při stejné síle proudu je práce vykonaná proudem v těchto částech obvodu při pohybu elektrického náboje rovnajícímu se $1 prostoru Kl$ odlišná.
Ukazuje se, že tato práce proudu určuje naši novou fyzikální veličinu – elektrické napětí.
Nyní můžeme plně vysvětlit naše experimenty. Napětí vytvořené baterií v prvním okruhu je menší než napětí sítě městského osvětlení. Proto lampa připojená k síti poskytuje více světla a tepla. V tomto případě je síla proudu v obou obvodech stejná. Celým důvodem rozdílů je vytvořené napětí.
Napětí ukazuje, jakou práci vykoná elektrické pole, když přesune jednotkový kladný náboj z jednoho bodu do druhého.
Vzorec pro výpočet napětí
Známe-li práci proudu $A$ v uvažovaném úseku obvodu a celého elektrického náboje $q$, který jím prošel, pak můžeme spočítat napětí $U$. Z fyzikálního hlediska definujeme práce proudu při pohybu jednotkového elektrického náboje.
Z tohoto vzorce také použijeme dva jeho důsledky:
To je zajímavé: fakta o elektřině a napětí
Jednotka napětí je elektrické napětí na koncích vodiče, při kterém se práce vykonaná pro přesun elektrického náboje v $1 prostoru Kl$ podél tohoto vodiče rovná $1 prostoru J$:
$1 mezera B = 1 frac$.
Dílčí a násobky jednotek napětí
Jaké jednotky napětí, kromě voltu, se v praxi používají? Jedná se o dílčí násobky a násobky voltů: milivolt ($mV$) и kilovolt ($kV$).
$ 1 prostor mV = 0.001 prostor V $,
$1 prostor kV = 1000 prostor V$.
Hodnota napětí pro některá zařízení a přírodní jevy
Tabulka 1 uvádí některé hodnoty napětí pro vaši referenci.
Na grafu vybereme body, které nám vyhovují s přesnými hodnotami náboje a práce. Pro graf $I$ vybereme bod s hodnotami $q = 0.35 mezera Kl$ a $A = 70 mezera J$. Pro graf $II$: $q = 0.35 prostoru Kl$ a $A = 40 prostoru J$. Zapišme si podmínky problému a vyřešme jej.
Vzhledem k:
$q_1 = q_2 = 0.35 mezera Cl$
$A_1 = 70 mezera J$
$A_2 = 40 mezera J$
Ukaž řešení a odpověz
řešení:
Napětí pro tyto vodiče vypočítáme pomocí vzorce $U = frac$.
Odpověď: $U_1 = 200 prostor В$, $U_2 přibližně 114 prostor В$.