Напрежение: електрически потенциал, волт и видове (постоянно и променливо)
Разберете напрежение: електрически потенциал, волт и видове (постоянно и променливо) — ясни обяснения, формули и практични примери за ученици и професионалисти.
Напрежението е разликата в електрическия потенциал между две точки и именно тя кара електрическите заряди да се движат. То е „тласъкът“, който принуждава зарядите да преминават през проводник или друг електрически проводник. Макар в разговорния език да се казва, че напрежението „дърпа“ или „тласка“ зарядите, то не е сила в класическия смисъл на думата, а величина, която измерва колко енергия се преобразува при преместване на единичен заряд.
Какво означава „електрически потенциал“ и „потенциална разлика“
Терминът за научно описание е „разлика в електрическия потенциал“, но най-често използваното наименование е просто напрежение. Неофициално напрежението се нарича и „потенциална разлика“. В някои контексти се използва и терминът електродвижеща сила (ЕДН) за източници на напрежение (напр. батерии, генератори), въпреки че ЕДН описва и работата, която източникът може да извърши при преместване на заряд.
Единици и означение
Единицата за разлика в електрическия потенциал или напрежение е волт. Волтът е кръстен в памет на Алесандро Волта. Един волт се равнява на един джаул енергия, прехвърлена при преместване на един кулон заряд (1 V = 1 J/C).
Символът за единицата волт се изписва с главна буква V (например 9 V). Когато говорим за напрежение като величина в формули, използваме обикновено курсивната буква V (или v), а електроинженерите понякога използват и символа e {\displaystyle e} за напрежение при електрически вериги (например e = i r).
В текста по-долу са запазени няколко илюстративни математически записа и изображения, които показват начина на означаване: V = 9 V {\displaystyle V=9\,{\text{V}}} 
, напрежение = ток × съпротивление {\displaystyle {\text{напрежение}}={\text{ток}}\times {\text{съпротивление}}} 
и V = i r {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}} 
. За яснота някои инженери използват и символа 
при записа на електрическо напрежение (например 
).
Как се измерва напрежението
Напрежението винаги се измерва между две точки — например между положителния и отрицателния полюс на батерията, между проводник и земя или между две точки в електрическа верига. За измерване се използва волтметър, който се свързва паралелно към тези две точки, за да установи потенциалната разлика.
Важно е да се разбере, че за да се пренася мощност (енергия) по проводник, трябва едновременно да има напрежение и ток. Ако имаме високо напрежение, но кръгът е откъснат (отвън), токът няма да премине и енергия не се пренася. Затова птиците могат да кацат върху проводници с високо напрежение (например 12 kV или 16 kV) без да пострадат — защото между краката им няма значителна потенциална разлика и през тялото им не протича ток.
Постоянно (DC) и променливо (AC) напрежение
Съществуват два основни вида напрежение:
- Постоянно напрежение (DC) — има фиксирана полярност (постоянно положителна и отрицателна страна). Примери: батерии, акумулатори, някои захранвания за електроника. Постоянният ток е предпочитан за електронни устройства, защото дава стабилна полярност и лесно се филтрира/регулира.
- Променливо напрежение (AC) — полярността и величината му се променят периодично. Типичен пример е напрежението от мрежата в домакинствата. В САЩ стандартът е около 120 V с честота 60 Hz (полярността се променя 60 пъти в секунда, което означава 60 пълни цикъла в секунда), а в много европейски страни и Великобритания стандартът е около 230 V с честота 50 Hz (50 цикъла/секунда).
При променливотоковите системи често се говори за ефективно (RMS) напрежение, което е стойността, даваща същата топлинна мощност в резистивен товар, каквато би дала еквивалентна стойност постоянен ток. Например номиналните 230 V са RMS стойност; пикът (амплитудата) на синусоидалното напрежение е около 230·√2 ≈ 325 V, а върхът до връх (peak-to-peak) е двойно по-голям.
Източници на напрежение и електродвижеща сила
Източниците на напрежение включват батерии, соларни клетки, генератори, трансформатори (които променят напрежение в променлив ток) и захранващи блокове. Източникът генерира потенциална разлика и често има вътрешно съпротивление — това означава, че при натоварване изходното напрежение може да спадне спрямо степента на протичащия ток. Този спад може да бъде описан чрез електродвижещата сила (ЕДН) и вътрешното съпротивление на източника.
Практически примери и типични стойности
- Стандартна алкална батерия AA: ~1.5 V
- Автомобилен акумулатор: ~12 V (съставен от 6 клетки по ~2.1 V)
- USB захранване: 5 V
- Мрежово (домашно) напрежение: ~120 V (САЩ) или ~230 V (Европа)
- Трансформатори и далекопроводи: десетки до стотици киловолти (kV)
Безопасност
Напрежението само по себе си не убива — вредният ефект идва от токa, който протича през тялото. Същевременно, по-високото напрежение улеснява протичането на по-голям ток през съпротивления (напр. човешкото тяло, повреди, влага), което увеличава опасността. Затова е важно да се следват безопасни практики при работа с електричество: изключване от мрежата преди обслужване, използване на подходящи защитни средства и инструменти, заземяване и защита с предпазители и прекъсвачи.
Кратко обобщение
- Напрежение = разлика в електрическия потенциал между две точки; измерва се във волтове (V).
- За пренос на енергия са необходими едновременно напрежение и ток.
- Двата основни вида са постоянно (DC) и променливо (AC) напрежение; AC има характеристика честота и RMS/пикови стойности.
- При измерване използваме волтметър, който се свързва паралелно към точките, между които искаме да знаем напрежението.
Свързване на кабел за високо напрежение
Определение
Напрежението е промяната на електрическия потенциал между две места
или промяната на електрическата потенциална енергия на кулон между две места.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\displaystyle V=\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}} 
Където V=напрежение, EPE=електрическа потенциална енергия, q=заряд, ∆=разлика в.
Напрежение на земята
Напрежението винаги се измерва между две точки, като едната от тях често се нарича "земя" или точка с нулево напрежение (0V). В повечето електрически инсталации за променлив ток има връзка със земята. Връзката с реалната земя се осъществява чрез водопроводна тръба, заземителен прът, заровен или забит в земята, или удобен метален проводник (не газова тръба), заровен под земята. Тази връзка се прави в точката на влизане на електрическата система в сградата, на всеки стълб, където има трансформатор на улицата (често на електрически стълб), и на други места в системата. Цялата планета Земя се използва като референтна точка за измерване на напрежението. В сградата тази земя се пренася до всяко електрическо устройство по два проводника. Единият е "заземител" (зеленият или голият проводник) и се използва като защитно заземяване за свързване на металните части на оборудването със Земята. Другият проводник се използва като един от електрическите проводници в електрическите вериги на системата и се нарича "нулев проводник". Този проводник, който е с потенциал на земя, завършва всички вериги, като пренася тока от всяко електрическо оборудване обратно към входната точка на системата в сградите и след това към трансформатора, обикновено на улицата. На много места извън сградите не е необходимо да има проводник, който да завършва веригите и да пренася тока от сградите до генераторите. Обратният път, който пренася целия ток обратно, е самата земя.
В постояннотоковите вериги отрицателният край на генератора или батерията често се нарича "земя" или точка с нулево напрежение (0 V), въпреки че може да има или да няма връзка със земята. На една и съща печатна платка (ПП) може да има няколко заземявания, например при чувствителни аналогови вериги тази част от веригата може да използва "аналогова земя", а цифровата част, да има " цифрова земя".
В електрическото оборудване точката с напрежение 0 V може да бъде металното шаси, наречено "заземяване на шасито", или връзка с действителната земя, наречена "заземяване", като всяка от тях има свой собствен символ, използван в електрическите схеми (чертежи на електрически вериги).
Измервателни инструменти
Някои от инструментите за измерване на напрежението са волтметърът и осцилоскопът.
Волтметърът измерва напрежението между две точки и може да се настройва в режим на постоянен или променлив ток. Волтметърът може да измерва например постоянното напрежение на батерия (обикновено 1,5 V или 9 V) или променливото напрежение от електрическия контакт на стената (обикновено 120 V).
За по-сложни сигнали може да се използва осцилоскоп за измерване на постояннотоково и/или променливотоково напрежение, например за измерване на напрежението върху високоговорител.
Потенциална разлика
Напрежението или потенциалната разлика от точка a до точка b е количеството енергия в джаули (в резултат на електрическото поле), необходимо за преместването на 1 кулон положителен заряд от точка a до точка b. Отрицателно напрежение между точките a и b е такова, при което е необходим 1 кулон енергия за преместването на отрицателен заряд от точка a до точка b. Ако около зареден обект има равномерно електрическо поле, отрицателно заредените обекти ще бъдат привлечени към по-високи напрежения, а положително заредените обекти ще бъдат привлечени към по-ниски напрежения. Потенциалната разлика/напрежението между две точки не зависи от пътя, изминат от точка a до точка b. Така напрежението от a до b + напрежението от b до c винаги ще бъде равно на напрежението от a до c.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява напрежението?
О: Напрежението е електрическа потенциална разлика, разликата в електрическия потенциал между две места. То може да се разглежда като силата, която подтиква зарядите да се движат в проводник или друг електрически проводник.
В: Каква единица се използва за измерване на напрежението?
О: Единицата за измерване на напрежение е волт. Символът за тази единица се изписва с главна буква V (9V).
В: Как напрежението предизвиква ток?
О: Напрежението може да предизвика движение на заряди, а тъй като движещите се заряди създават ток, напрежението може да предизвика ток.
В: Кой е Алесандро Волта и защо волтът е наречен на негово име?
О: Алесандро Волта е италиански физик, който през 1800 г. изобретява първата батерия. Волтът е наречен на негово име в знак на почит към приноса му към науката.
В: Волта и напрежението две различни неща ли са?
О: Да, волта са единици, с които измерваме нещо, а напрежението се отнася до това, което измерваме с тези единици.
В: Какви са двата вида напрежение?
О: Има два вида напрежение - постоянен ток (DC) и променлив ток (AC). Постоянният ток винаги има една и съща полярност, докато променливият ток редува положителна и отрицателна полярност.
Въпрос: Възможно ли е птиците да кацат върху линии с високо напрежение, без да пострадат?
О: Да, птиците могат да кацат на високоволтови линии, като например 12 kV и 16 kV, без да загинат, защото трябва да има и напрежение, и ток, за да може да се пренася сила (енергия) по тях - ако има само един елемент, нищо няма да се случи.
обискирам