Про напряжение
Добавлено 26 марта 2015 года в 17:32, Чт
Так что же такое напряжение? Забегая вперед, скажу — это разность потенциалов и измеряется она, т.е. эта разность, в Вольтах(об этом чуть позже). Утверждение это верно и для постоянного и для переменного напряжения. «Вот это да, — скажете вы, — а что такое потенциал»? Ну, можно представить себе два шара, отличающихся друг от друга массой. Попробуйте их кинуть с высоты на песок. Что увидите? Правильно — более тяжелый сделал более глубокую яму. Примерно так. Значит, левый шар обладал большей энергией, чем правый. Однако, отношение энергии каждого из них к своей массе будет величинами одинаковыми. Вот это самое отношение можно грубо принять за потенциал шара. Но только для сравнения. Также и с потенциалом — отношение энергии какого-то заряда к его величине (имеется в виду значение электрической величины, а не размер заряда) будет одинаково для зарядов любой величины, если их поместить в данную точку поля. Так вот — напряжение есть разность этих потенциалов. Т.е., например, если потенциал одной пластины, скажем 0В(ноль вольт), т.е. сумма потенциалов зарядов на данной пластине(или проводе), а другой 3В, то напряжение, которое мы сможем с них взять будет равно 3В. А если потенциал одной пластины, скажем, 5В, а другой 21В, то мы сможем получить напряжение величиной 16В, т.е 21В — 5В = 16В. Поэтому, то напряжение, которое мы с вами имеем дома(220В) — это есть разность двух потенциалов — нуля вольт(в одном проводе) и 220вольт(в другом). Потенциал земли у нас принят за ноль. Поэтому, если мы с вами измЕряем напряжение между каждым из проводов и землей(т.е., грубо говоря, один конец щупа измерительного прибора будем держать в земле, а второй попеременно воткнем сначала в одно отверстие розетки, а затем в другое), то получим два показания прибора — 0В и 220В. Т.е. в первом измерении наше напряжение было результатом разностидвух потенциалов — это нулевой потенциал земли и нулевой потенциал первого провода(0В-0В=0) — рисунок1. А во втором случае результатом показания была разность потенциала 220В второго провода и потенциала 0В земли(220-0=220) — рисунок2. Такие измерения называют измерением относительно земли, т.е. по отношению к ней мы измеряли потенциалы наших проводов. И если бы наша промышленность, так скажем, давала нам в один провод потенциал 380В, а в другой 160В(опять же таки, по отношению к земле), то мы все равно имели бы в розетке всё те же преславутые 220В(380-160=220). Хотя, забегая вперед, надо отметить, что при переменном напряжении потенцал провода(фазы)будет изменяться по закону синуса. Но об этом потом. Хотя, конечно, это по сути своей мультиметр или, как более просто называют — тестер. И служит он не только для измерения напряжения, но также и тока, и сопротивлений. А цифровые модели могут быть снабжены измерителем емкостей конденсаторов, частотомером и другими примочками. Но это сути дела не меняет. И всё-таки — а как же представить себе, так сказать, визуально, что такое напряжение. С током теперь всё понятно — это движение зарядов через сечение провода сквозь его кристаллическую решетку. И чем больше их пробегает за единицу времени, тем больше величина этого тока. Ну, а те, кто с током разобрался, легко могут представить себе напряжение. Напряжение будет представлять из себя некое множество зарядов, застрявших при своем движении в узлах кристаллической решетки. Иными словами, заряды просто-напросто сталкиваются с кристаллами решетки, немного задерживаясь в ней. На рисунке рядом это продемонстрировано.
Наибольшее их количество задерживается в деталях, называемых сопротивлениями или, что то же самое, резисторами, которые присутствуют практически во всех схемах электроприборов. А если зарядов именно там больше всего, значит и увидеть по вольтметру это напряжение(а значит, и нахождение зарядов)проще всего. Для этого надо оба щупа вольтметра подвести к обоим концам сопротивления(резистора). Но это мы увидим в разделе" Про сопротивление".
Не забывайте, что единица измерения электрического напряжения называется Вольт (В) в честь итальянского физика Александро Вольта(1745 — 1827). Для измерения напряжения используется специальный прибор -вольтметр. Когда нужно измерить напряжение между любыми двумя точками электрической цепи, вольтметр подключается к этим двум точкам без разрыва цепи(в отличие от амперметра при измерении тока — см. раздел ПРО ТОК).При измерении постоянного напряжения необходимо соблюдать полярность, т.е. ток должен «входить» через положительную клемму, а «выходить» — через отрицательную (рис.3). Впрочем, если вы ошибетесь в полярности, то стрелка прибора отклонится не вправо, а влево.
При измерении переменного напряжения соблюдение полярности не требуется. Некоторые вольтметры являются частью комбинированных измерительных приборов(их называют тестерами или авометрами, или если полностью — ампервольтомметрами), снабженным соответствующим переключателем для разных измеряемых величин. Теперь, если вам интересно, углубимся еще дальше и поговорим о производимой напряжением работе. Электрический ток, протекая через какой-либо потребитель, обязательно производит какую-либо работу, например, нагревает нить электрической лампы, притягивает якорь электромагнита, приводит в действие ротор электродвигателя и т.д. Производимая работа зависит не только от протекающего количества электричества (т.е. тока), но и от подведенного напряжения. В этом мы можем убедиться, рассмотрев рис.4, на котором показана обычная лампочка от карманного фонаря и обыкновенная лампа накаливания в 40Вт(Ватт). Через обе лампы протекает ток в 0,2А (две десятых Ампера), т.е. за единицу времени протекает одно и то же количество электричества. Однако, вторая лампа светит ярче первой, потому как подведенное напряжение больше. Здесь может возникнуть вопрос: поскольку количество напряжения одно и то же, то почему во втором случае электроны являются носителями большей энергии и отличаются ли чем-нибудь входящие в лампу электроны от выходящих из нее?
За объяснением обратимся рис.5, на котором показаны два случая вытекания одного и того же количества воды, падающей с различной высоты. И здесь можно задать вопрос: почему во втором случае энергия водных частиц больше? Энергия частиц воды обусловлена земным гравитационным полем. Когда частицы падают в направлении поля, они выделяют энергию, которую можно использовать. Таким же образом энергия электронов связана с электрическим полем, которое создает источник нашего напряжения. Это поле действует на каждый электрон так, что электроны при движении выделяют энергию. Но в то время как частицы воды падают к центру земли всегда, то электроны «падают» как бы от одного полюса источника к другому. Так мы подошли к более понятной формулировке термина напряжения. Напряжение между двумя точками электрической цепи измеряется произведенной работой по переносу единицы количества электричества из одной точки в другую. Единица измерения электрического напряжения называется Вольт(В) в честь итальянского физика Александро Вольта (1745 — 1827).
Источники напряжения можно соединять между собою как последовательно, так и параллельно. В первом случае напряжения всех источников суммируются, во втором — увеличивается его мощность. Теперь подробнее на примерах.
Для простоты разговор пойдет с применением конкретных значений питания и потребления. В качестве элементов питания возьмем обычные гальванические элементы. Основные параметры такого элемента — это указанное на его корпусе напряжение, например, 1,5 В, а также его емкость, которую обычно не указывают. Но в паспортах производителей можно найти и ее значение. В основном, это где-то в районе 0,15 Ач (Ампер-часов). Теперь о том, что все это означает. С напряжением обычно все всем понятно. Например, если вы имеете некую лампочку, на корпусе которой написано «4,5 В», а в вашем арсенале имеются батарейки с напряжением питания 1,5 В, то, соединив их последовательно, подобно рис.6а (плюс первого источника с минусом второго и далее плюсовой выход второго с минусовым выводом третьего) можно получить суммарное напряжение величиною в 4,5 В, которое необходимо для работы выбранной лампочки. С подключением тоже как бы понятно — один ее вывод на минус первой батарейки, второй е конец — на плюс последней. Но обычно несведущих людей интересует вопрос о том, насколько долго хватит ее работы. Вот тут-то и надо воспользоваться таким ее параметром, как емкость. Причем в совокупе с таким параметром лампочки, как ток(а не напряжение) потребления. Если внимательно посмотреть на лампочку карманного фонарика, то кроме указанного на ней напряжения можно заметить и указанный ток потребления. Например, это 0,3 А. Кстати, мощность лампочки — это произведение ее напряжения на ее ток. Т.е. получим P = U*I = 4,5B*0,3A = 1,35 Вт. А время работы лампы связано с током ее потребления и так называемой емкости питающего элемента. И если емкость питающего элемента, скажем, составляет 0,15 Ач, то это означает, что при токе потребления нагрузкой тока 0,015 Ампер батарея непрерывно«продержится» 10 часов (т.е. 10 часов, умноженные на 0,015 Ампер = 0,15 Ампер-часов). Таким образом, под емкостью подразумевается непрерывный (именно непрерывный, а не суммарный «время от времени») 10-часовой разряд батареи до некоторого ее минимального нормального напряжения. Например, до 1,2 В в рассматриваемом случае. Однако, если ее нагрузить током величиною в 0,15 А, то один час она не проработает, хотя 1 час, умноженный на 0,15 А и равен 0,15 Ампер-часов. Это потому, что зависимость разряда батареи от проходящего через нее тока не равномерная. Поэтому под емкостью и принято считать именно 10-часовой разряд до некоторого нормального минимального напряжения. И если у вас аккумулятор емкостью 55 Ач, то он непрерывно проработает 10 часов при токе потребления 5,5 А. После этого его напряжение станет, к примеру, 10 В и предметом разговора уже быть не может. Теперь снова вернемся к рис.6а. У емкости, как и у других электрических величин есть свое свойство. И при последовательном соединении элементов емкость общей батареи, в отличие от напряжения, не суммируется, а остается той же, что и у одного отдельно взятого элемента. Поэтому, если мы подключим одну лампочку, как на рис.6а, то грубо можно считать, что она прогорит 0,5 часа (t=C/I=0,15/0,3=0,5 ч). А с двумя и того меньше.
Отсюда вывод: последовательное соединение аккумуляторных источников питания применяется в случае, когда питание потребителя превышает напряжение одного отдельно взятого элемента. Ну, и разумеется, его емкость должна быть согласована с током нагрузки.
А теперь рассмотрим рис.6б. Здесь показано параллельное соединение элементов (или аккумуляторов — это одно и то же). В этом случае напряжение общей батареи будет на уровне одного отдельно взятого элемента, а вот емкость при параллельном соединении элементов возрастет в числотраз самих элементов. И, если мы подключим только одну лампочку, как на рис.6б, то приближенно говоря, от одного элемента она проработает 1час, а вот от трех — 3часа. Соответственно, с двумя — 1,5часа.Все это согласно формуле t=C/I. Но это только приближенно, потому как теперь вы знаете, что полная разрядка вычисляется, исходя из величины тока в 10раз меньшей величины емкости. Но для понятия самого принципа разряда и продолжительности работы можно воспользоваться для простоты такой вот приведенной формулой.
Отсюда вывод: параллельное соединение аккумуляторных источников питания применяется в случае, когда необходимо увеличить продолжительность работы нагрузки от общей батареи по сравнению с одной.
А в общем случае есть графики, позволяющие более точно определить время разряда батареи при токе нагрузки, превышающем десятую часть емкости батареи.