Лекция: Напряжение. Единицы и порядок измерения

Заряды бывают двух видов, это положительные со знаком «+» и отрицательные со знаком «-».

Большинство из нас в детстве игрались с магнитиками, которые были честно добыты из очередной сломаной машинки с электромоторчиком, где они и стояли. Так вот когда мы пытались приблизить эти самые магниты друг к другу, то в одном случае они притягивались, а если развернуть один из них наоборот, то соответственно отталкивались.

 

Это происходило, потому что у любого магнита существует два полюса, это южный и северный. В том случае, когда полюса одинаковые, то магнитики будут отталкиваться, ну а когда разноименные, притягиваться. То же самое происходит и с электрическими зарядами, причем сила взаимодействия зависит от количества и разноименности этих заряженных частиц. Проще говоря, чем на одном предмете больше «плюса», а на другом соответственно «минуса», тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Либо наоборот, отталкиваться при одинаковом заряде (+ и + или - и -).

 

Теперь представим, что у нас есть два небольших железных шарика. Если мысленно заглянуть в них, можно увидеть огромное множество маленьких частичек, которые расположены друг от друга на не большом расстоянии и неспособны к свободному передвижению, это ядра нашего вещества. Вокруг этих частичек с невероятно большой скоростью вращаются более мелькие частички, под названием электроны. Они могут оторватся от одних ядер и присоединятся к другим, тем самым путешествуя по всему железному шарику. В случае, когда количество электронов соответствует количеству протонов в ядре, шарики электрически нейтральны.

 

А вот если каким-то образом забрать некоторое количество, такой шарик будет притянуть к себе это самое, недостающее количество электронов, тем самым образуя вокруг себя положительное поле со знаком «+». Чем больше не хватает электронов, тем сильней будет это положительное поле. В соседнем шарике сделаем на оборот и добавим лишних электронов. В результате получим избыток и соответственно такое же электрическое поле, но со знаком «-».

 

В результате получим два потенциала, один из которых жаждет получить электроны, ну а второй от них избавится. В шаре с избытком возникает теснота и эти частицы, вокруг которых существует поле, толкаются и выталкивают друг друга из шара. А там где их недостаток, соответственно происходит что-то наподобие вакуума, который пытается втянуть в себя эти электроны. Это наглядный пример разности потенциалов и не что иное как напряжение между ними. Но, стоит только эти железные шары соединить между собой, как произойдёт обмен и напряжение пропадёт, поскольку образуется нейтральность.

 

Грубо говоря, эта сила стремления заряженных частиц, перейти от более заряженных частей к менее заряженным между двумя точками и будет разностью потенциалов. Давайте мысленно представим провода, которые подключены к батарейке от обычного карманного фонарика. В самой батарейке происходит химическая реакция, в результате которой возникает избыток электронов («-»), внутри батареи они выталкиваются на отрицательную клемму. Эти электроны стремятся, вернутся на своё место, откуда их до этого и вытолкали.

 

Внутри батареи у них не получается, значит остаётся ждать момента, когда им сделают мостик в виде электрического проводника и по которому они быстро перебегут на плюсовую клемму батареи, куда их притягивает. А пока мостика нет, то и будет желание перейти в виде этого самого электрического напряжения или разности потенциалов (напряжение).

 

Пример:

Имеется обычный водопроводный кран с водой. Кран закрыт и, следовательно, вода не пойдёт из него, но внутри вода всё равно есть и более того, она там находится под некоторым давлением, она из-за этого давления стремится вырваться наружу, но ей мешает закрытый кран. И как только Вы повернёте ручку краника, вода тут же побежит. Так вот это давление и можно приблизительно сравнить с напряжением, а воду с заряженными частицами. Сам поток воды будет в данном примере выступать как электрический ток в самих проводах, а закрытый краник в роли электрического выключателя.

Как ни странно, но люди не тесно связанные с профессией электрика, довольно часто называют электрическое напряжение, выражением напряжение тока и это является неправильной формулировкой, поскольку напряжение, как мы выяснили это разность потенциалов электрических зарядов, а ток, это сам поток этих заряженных частиц. И получается что, произнося напряжение тока в итоге небольшое несоответствие самого понятия.

 

Напряжение, так же как и все иные величины, имеет свою единицу измерения. Она измеряется в Вольтах. Это те самые вольты, которые пишутся на устройствах и источниках питания. Например, в обычной домашней розетки 220 В, или купленная вами батарейка с напряжением 1.5 В.

 

 

Измерение напряжения

Измерительный прибор для измерения напряжения — вольтметр — подключается параллельно участку цепи, на котором проводится измерение.

Ламповый вольтметр состоит из выпрямителя на ламповом диоде и магнитоэлектрического прибора. Основные преимущества ламповых вольтметров перед другими измерительными приборами:

1) большое входное сопротивление (10—50 Мом);

2) возможность измерения переменных напряжений с частотой до 100 Мгц.

Измерение напряжения при помощи магнитоэлектрических, электромагнитных, электродинамических и тепловых приборов представляет собой по существу измерение тока, причем через прибор течет только небольшая часть тока, текущего между двумя точками в схеме, а шкала прибора градуируется в вольтах. Лишь электростатические и ламповые вольтметры реагируют непосредственно на напряжение и на ток.

 

 

Большинство измерительных приборов, применяемых для измерений в электрических цепях, реагируют на ток, т.е. по своей природе служат измерителями тока.

Но напряжение и ток, согласно закону Ома, прямо пропорциональны друг другу. Поэтому обе эти величины могут быть измерены с помощью одного и того же прибора. Только шкала прибора в одном случае градуируется на ток, а в другом - на напряжение. Прибор, шкала которого проградуирована в вольтах, называется вольтметром.

Вольтметр включается в цепь параллельно тому участку цепи, напряжение на котором он измеряет. Вольтметр измеряет напряжение между двумя точками цепи, существовавшее между ними до того, как вольтметр был подключен. При этом сам вольтметр при подключении образует новый участок цепи, параллельный исследуемому.

Каким же сопротивлением должен обладать вольтметр, чтобы изменения напряжений в цепи при его подключении были незначительными?

Пусть сопротивление проводника между точками А и С равно R_АС, а сопротивление вольтметра - R.После подключения вольтметра сопротивление R_х участка цепи между точками А и С можно найти из равенства:

.

Приведем эту формулу к виду, удобному для исследования:

,

откуда видно, что сопротивление R_х тем меньше отличается от R_АС, чем меньше дробь , т.е. чем больше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением участка цепи, на концах которого измеряется напряжение. Если это условие выполнено, то напряжение, измеряемое вольтметром, мало отличается от напряжения, существовавшего до подключения вольтметра.

Итак, вольтметр можно применять для измерения напряжения на тех участках цепи, сопротивление которых мало по сравнению с сопротивлением самого вольтметра.

Каждый измерительный прибор изготовляют, рассчитывая его на определенный максимальный для него ток. Поэтому для каждого измерительного прибора существует предельное значение измеряемой им величины тока или напряжения. Существуют амперметры на 1; 5; 10; 50 А и т.д.; также имеются и вольтметры на различные напряжения. Но всегда оказывается возможным расширить пределы измерения данного прибора, или, как говорят, увеличить цену деления его шкалы.

Для того чтобы повысить цену деления вольтметра и таким образом приспособить его к измерению напряжений больших, чем то, на которое он рассчитан, надо последовательно с ним включать проводник, обладающий некоторым сопротивлением. Величину этого сопротивления легко рассчитать.

Пусть мы располагаем вольтметром на 10 В, а нам предстоит измерять напряжение до 100 В. Если мы наш вольтметр подключим к участку с напряжением 100 В, то обмотка этого прибора перегорит, так как через него пройдет ток в 10 раз больший, чем тот, на который он рассчитан. На приборе наибольшее напряжение может быть 10В, остальные же90 В должны приходиться на проводник с добавочным сопротивлением R_x, которое нужно включить последовательно с вольтметром.

Так как при последовательном соединении напряжения на отдельных участках цепи пропорциональны сопротивлениям этих участков, то величину добавочного сопротивления найдем из пропорции:

,

где R – сопротивление вольтметра.

Таким образом, добавочное сопротивление должно быть в 9 раз больше сопротивления вольтметра.

Цена одного деления шкалы вольтметра с таким добавочным сопротивлением будет в 10 раз больше цены деления основной шкалы.

В настоящее время, главным образом для нужд лабораторий, изготавливают универсальные приборы, снабжаемые набором шунтов и дополнительных сопротивлений. Такие приборы используются как для измерения токов, так и для измерения напряжений в очень широких пределах. Например, можно измерять токи от 1 мА до сотен ампер. Так же широк диапазон измеряемых напряжений.