Введение

Разница электрического потенциала между двумя точками в пространстве

Напряжение, также известное как разность (электрических) потенциалов, электрическое давление или электрическое напряжение, представляет собой разницу электрического потенциала между двумя точками. В статическом электрическом поле оно соответствует работе, необходимой для перемещения единичного положительного заряда от первой точки ко второй. В Международной системе единиц (СИ) производной единицей напряжения является вольт (В). Напряжение между точками может быть вызвано накоплением электрического заряда (например, в конденсаторе) и электродвижущей силой (например, электромагнитной индукцией в генераторе). В макроскопическом масштабе разность потенциалов может возникать вследствие электрохимических процессов (например, в гальванических элементах и батареях), пьезоэлектрического эффекта, вызванного давлением, и термоэлектрического эффекта. Поскольку речь идет о разнице электрических потенциалов, это физическая скалярная величина. Для измерения напряжения между двумя точками в системе используется вольтметр. Часто в качестве одной из точек выбирают общий референтный потенциал, например, заземление системы. Напряжение может быть связано как с источником энергии, так и с её потерей, рассеянием или накоплением.

Определение

Единицей работы в СИ на единицу заряда является джоуль на кулон, где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон заряда. Старые определения СИ для вольта использовали мощность и ток; начиная с 1990 года применялись квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона, а в 2019 году физическим константам были присвоены фиксированные значения для определения всех единиц СИ. Напряжение обозначается символически , упрощенно V, особенно в англоязычных странах. На международном уровне стандартизирован символ U. Он используется, например, в контексте законов Ома или законов Кирхгофа. Электрохимический потенциал – это напряжение, которое можно непосредственно измерить вольтметром. Потенциал Гальвани, существующий в структурах с переходами между различными материалами, также является работой на заряд, но не может быть измерен вольтметром во внешней цепи (см.). Напряжение определяется таким образом, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высоким потенциалам, а положительно заряженные объекты – к более низким. Следовательно, обычный ток в проводе или резисторе всегда течет от более высокого потенциала к более низкому. Исторически напряжение называли также "напряжением" и "давлением". Даже сегодня термин "напряжение" все еще используется, например, в выражении "высокое напряжение" (HT), которое часто применяется в электронике на вакуумных лампах и автомобильной электронике.

Электростатическая

В электростатике увеличение напряжения от точки к некоторой точке определяется изменением электростатического потенциала от к . По определению, это выражается следующим образом:

где – напряжённость электрического поля. В этом случае увеличение напряжения от точки А до точки В равно работе, совершаемой на единицу заряда против электрического поля при перемещении заряда из точки А в точку В без ускорения. Однако на более низких частотах, когда электрические и магнитные поля изменяются медленно, этим можно пренебречь (см. электростатическое приближение).

Электродинамика

Электрический потенциал может быть обобщен на электродинамику, так что разности электрических потенциалов между точками хорошо определены даже в присутствии изменяющихся во времени полей. Однако, в отличие от электростатики, электрическое поле больше не может быть выражено только через электрический потенциал. Используйте слово "напряжение" для обозначения линейного интеграла электрического поля, а не разности электрических потенциалов. В этом случае, повышение напряжения вдоль некоторого пути из точки в точку задается выражением:

Однако, в этом случае "напряжение" между двумя точками зависит от выбранного пути.

Теория цепей

В анализе цепей и электротехнике используются модели сосредоточенных элементов для представления и анализа электрических цепей. Эти элементы являются идеализированными и самодостаточными элементами схемы, применяемыми для моделирования физических компонентов. При использовании модели сосредоточенных элементов предполагается, что влияние изменяющихся магнитных полей, создаваемых цепью, локализовано в пределах каждого элемента. Если внешние магнитные поля в цепи нельзя пренебречь, их эффекты можно смоделировать добавлением элементов взаимной индуктивности. Однако, в случае физической катушки индуктивности, идеальное сосредоточенное представление часто оказывается достаточно точным. Это объясняется тем, что внешние поля катушек индуктивности, как правило, незначительны, особенно если катушка имеет замкнутый магнитный контур. Если внешние поля пренебрежимо малы, то интеграл оказывается не зависящим от пути, и на выводах катушки индуктивности существует четко определенное напряжение. Именно поэтому измерения вольтметром на катушке индуктивности часто мало зависят от положения измерительных проводов.

Вольт

Вольт (символ: В) — производная единица электрического потенциала, напряжения и электродвижущей силы. Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827), который изобрел вольтов столб, возможно, первую химическую батарею.

Гидравлическая аналогия

Простая аналогия для электрической цепи – вода, протекающая в замкнутом контуре трубопровода, приводимая в движение механическим насосом. Это можно назвать "водяной цепью". Разность потенциалов между двумя точками соответствует разности давлений между двумя точками. Если насос создает разность давлений между двумя точками, то вода, текущая из одной точки в другую, сможет совершать работу, например, вращать турбину. Аналогично, работу может совершать электрический ток, приводимый в движение разностью потенциалов, обеспечиваемой батареей. Например, напряжение, создаваемое достаточно заряженной автомобильной батареей, может "проталкивать" большой ток через обмотки стартерного двигателя автомобиля. Если насос не работает, он не создает разности давлений, и турбина не будет вращаться. Точно так же, если автомобильная батарея сильно разряжена или "села" (или "разряжена"), она не сможет запустить стартер. Гидравлическая аналогия – полезный способ понимания многих электрических концепций. В такой системе работа, совершаемая для перемещения воды, равна "перепаду давления" (сравните п. д.) умноженному на объем перемещенной воды. Аналогично, в электрической цепи работа, совершаемая для перемещения электронов или других носителей заряда, равна "электрической разности потенциалов" умноженной на количество перемещенных электрических зарядов. Что касается "потока", то чем больше "разность давлений" между двумя точками (разность потенциалов или разность давления воды), тем больше поток между ними (электрический ток или поток воды). (См. "Электрическая мощность".)

Приложения

Для определения измерения напряжения требуется явное или неявное указание точек, между которыми измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения напряжения один электрический провод вольтметра должен быть подключен к первой точке, а другой – ко второй. Распространенное употребление термина "напряжение" связано с описанием падения напряжения на электрическом элементе (например, на резисторе). Падение напряжения на элементе можно понимать как разность между измерениями на каждом его выводе относительно общей точки отсчета (или земли). Падение напряжения – это разность между двумя значениями измерений. Две точки в электрической цепи, соединенные идеальным проводником без сопротивления и не находящиеся в переменном магнитном поле, имеют нулевое напряжение. Любые две точки с одинаковым потенциалом могут быть соединены проводником, и между ними не будет протекать ток.

Сбор напряжений

Напряжение между точками А и С равно сумме напряжения между точками А и В и напряжения между точками В и С. Различные напряжения в цепи можно вычислить, используя законы Кирхгофа для электрических цепей. При рассмотрении переменного тока (AC) важно различать мгновенное и среднее напряжение. Мгновенные напряжения можно складывать как для постоянного тока (DC), так и для переменного тока, однако средние напряжения осмысленно складывать только в случае сигналов с одинаковой частотой и фазой.

Измерительные приборы

Приборы для измерения напряжения включают вольтметр, потенциометр и осциллоскоп. Аналоговые вольтметры, такие как вольтметры с подвижной катушкой, работают, измеряя ток, протекающий через фиксированный резистор, который, согласно закону Ома, пропорционален напряжению на этом резисторе. Потенциометр работает, уравновешивая неизвестное напряжение относительно известного напряжения в мостовой схеме. Катодно-лучевой осциллоскоп работает, усиливая напряжение и используя его для отклонения электронного луча от прямой траектории, при этом отклонение луча пропорционально напряжению.

Типичные напряжения

Общее напряжение для батарей фонариков составляет 1,5 вольта (DC). Обычное напряжение для автомобильных аккумуляторов составляет 12 вольт (DC). Обычные напряжения, поставляемые энергоснабжающими компаниями потребителям, составляют от 110 до 120 вольт (AC) и от 220 до 240 вольт (AC). Напряжение в линиях электропередачи, используемых для распределения электроэнергии от электростанций, может быть в несколько сотен раз выше потребительского напряжения, обычно от 110 до 1200 кВ (AC). Напряжение, используемое в воздушных линиях для питания железнодорожных локомотивов, составляет от 12 кВ до 50 кВ (AC) или от 0,75 кВ до 3 кВ (DC).

Потенциал галванического по сравнению с электрохимическим потенциалом

Внутри проводящего материала энергия электрона подвержена влиянию не только среднего электрического потенциала, но и конкретной тепловой и атомной среды, в которой он находится. Когда вольтметр подключается к двум различным типам металлов, он измеряет не электростатическую разность потенциалов, а нечто иное, зависящее от термодинамики. Величина, измеряемая вольтметром, представляет собой отрицательное значение разности электрохимических потенциалов электронов (уровня Ферми), делённое на заряд электрона, и обычно называется разностью напряжений, в то время как чистый, не скорректированный электростатический потенциал (неизмеримый вольтметром) иногда называют потенциалом Гальвани. Термины "напряжение" и "электрический потенциал" являются неоднозначными, поскольку на практике они могут относиться к любому из этих понятий в различных контекстах.

История

Термин "электродвижущая сила" впервые был использован Вольтой в письме Джованни Альдини в 1798 году и впервые появился в опубликованной статье в 1801 году в "Анналах химии и физики". Этот термин был подхвачен Майклом Фарадеем в связи с электромагнитной индукцией в 1820-х годах. Однако четкого определения напряжения и метода его измерения в то время еще не было разработано. Вольта различал электродвижущую силу (ЭДС) и напряжение (разность потенциалов): наблюдаемая разность потенциалов на выводах электрохимического элемента в разомкнутой цепи должна была точно компенсировать ЭДС элемента, чтобы ток не протекал.