Напряжение в цепях переменного тока измеряют

Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.

Как возникает напряжение?

Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.

Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.

При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.

Чем больше будет величина различия – разность потенциалов – тем сильнее электроны из материала с их избыточным содержанием будут перетягиваться к материалу с их недостатком. Тем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.

Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический ток – направленное движение носителей заряда, стремящееся устранить разницу потенциалов. Для перемещения по проводнику зарядов силы электрического поля совершают работу, которая и характеризуется понятием электрического напряжения.

В чем измеряется

Единицей напряжения называют вольт (В). Один Вольт выражается в разности потенциалов двух точек электрического поля, силы которого совершают работу в 1 Дж для перемещения заряда в 1 Кл из первой точки во вторую. Измеряют напряжение специальным прибором — вольтметром.

Таким образом, значение 220 В подразумевает, что электрическое поле данной сети способно совершить работу (потратить энергию) в 220 Дж для «протаскивания» зарядов через цепь и нагрузку.

От чего зависит напряжение?

Напряжение участка цепи зависит от:

Виды напряжения

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический ток в этом случае имеет одно направление и является постоянным.

Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.

При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети постоянного тока, когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).

Переменное напряжение

Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический ток устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 герц означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.

Определение

Напряжение — это электродвижущая сила, которая толкает свободные электроны от одного атома к другому в том же направлении.

В первые дни электричества напряжение было известно как электродвижущая сила (ЭДС). Именно поэтому в уравнениях, таких как закон Ома, напряжение представлено символом Е.

Алессандро Вольта

Единицей электрического потенциала является вольт, названный в честь Алессандро Вольта, итальянского физика, жившего между 1745 и 1827 годами.

Алессандро Вольта был одним из пионеров динамического электричества. Исследуя основные свойства электричества, он изобрел первую батарею и углубил понимание электричества.

Представление напряжения

Легче всего понять напряжении, представив давлении в трубе. При более высоком напряжении (давлении) будет течь более сильный ток. Хотя важно понимать, что напряжение (давление) может существовать без тока (потока), но ток не может существовать без напряжения (давления).

Напряжение часто называют разностью потенциалов, потому что между любыми двумя точками в цепи будет существовать разница в потенциальной энергии электронов. Когда электроны протекают через батарею, их потенциальная энергия увеличивается, но когда они протекают через лампочку, их потенциальная энергия будет уменьшаться, эта энергия покинет цепь в виде света и тепла.

Возьмите, например, обычную 1,5-вольтовую батарею AA, между двумя клеммами (+ и -) есть разность потенциалов 1,5 Вольт.

Напряжение или разность потенциалов — это просто измерение количества энергии (в джоулях) на единицу заряда (кулона). Например, в 1,5-вольтовой батарее AA каждый кулон (заряд) будет получать 1,5 вольт или джоулей энергии.

Напряжение = [Джоуль ÷ Кулон]

1 вольт = 1 джоуль на кулон

100 вольт = 100 джоулей на кулон

1 кулон = 6 200 000 000 000 000 000 электронов (6,2 × 10 18 )

В чем измеряется напряжение

Мы измеряем напряжение в единицах «Вольт», которые обычно обозначаются просто буквой «V» на чертежах и технической литературе. Часто необходимо количественно определить величину напряжения, это делается в соответствии с единицами СИ, наиболее распространенные величины напряжения, которые вы увидите:

• мегавольт (мВ)
• киловольт (кВ)
• вольт (В)
• милливольт (мВ)
• микровольт (мкВ)

Напряжение всегда измеряется в двух точках с помощью устройства, называемого вольтметром. Вольтметры являются либо цифровыми, либо аналоговыми, причем последний является наиболее точным. Вольтметры обычно встроены в портативные цифровые мультиметровые устройства, как показано ниже, они являются распространенным и часто важным инструментом для любого электрика или инженера-электрика. Обычно вы найдете аналоговые вольтметры на старых электрических панелях, таких как распределительные щиты и генераторы, но почти все новое оборудование будет поставляться с цифровыми счетчиками в качестве стандарта.

На электрических схемах вы увидите устройства вольтметра, обозначенные буквой V внутри круга, как показано ниже:

Расчет напряжения

В электрических цепях напряжение может быть рассчитано в соответствии с треугольником Ома. Чтобы найти напряжение (V), просто умножьте ток (I) на сопротивление (R).

Напряжение (V) = ток (I) * сопротивление (R)

V = I *R

Пример

Ток в цепи (I) = 10 А
Сопротивление цепи (R) = 2 Ом

Напряжение (V) = 10 А * 2 Ом

Ответ: V = 20В

Резюме

• Напряжение — это сила, которая перемещает электроны от одного атома к другому
• Напряжение также известно как разность потенциалов
• Напряжение измеряется в единицах «вольт» (В)
• Батареи увеличивают потенциальную энергию электронов
• Лампочки и другие нагрузки уменьшают потенциальную энергию электронов
• Напряжение измеряется с помощью вольтметра
• Напряжение цепи можно рассчитать путем умножения тока и сопротивления

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Для измерения силы тока в цепях синусоидального тока промышленной частоты используют главным образом электромагнитные амперметры, а для более точных измерений — электродинамические амперметры. При больших значениях переменного тока амперметры включают через измерительные трансформаторы тока. Для измерения малых переменных токов (ниже десятков миллиампер) служат выпрямительные милли- и микроамперметры.

При несинусоидальных токах действующие значения измеряют электромагнитными или электродинамическими приборами.

Измерение напряжения в цепях переменного тока осуществляют электромагнитными и выпрямительными вольтметрами. Для более точных измерений применяют электродинамические, электростатические и выпрямительные вольтметры. Переменные синусоидальные напряжения выше 600 В измеряют обычно электромагнитными вольтметрами с использованием измерительных трансформаторов напряжения.

Измерение активной мощности в однофазной цепи переменного тока осуществляют электродинамическим ваттметром. Ваттметр PW (рис. 17.11) имеет две катушки. При этом неподвижную катушку, выполненную из небольшого числа витков толстого медного провода, включают последовательно с нагрузкой Z_H, а подвижную катушку с большим числом витков — параллельно нагрузке. Для ограничения тока в подвижной катушке последовательно с ней включают высокоомный резистор R_a.

При сравнительно низких частотах можно полагать, что ток /₂ совпадает по фазе с напряжением U(рис. 1 Л,б). Угол отклонения подвижной части ваттметра а будет пропорционален активной мощности, потребляемой в нагрузке, сопротивлением Z_H:

Здесь принято, что индуктивное сопротивление подвижной катушки мало по сравнению с сопротивлением резистора R_a.

Цена деления ваттметра зависит от выбранных пределов тока /_тах, напряжения U_max и от делений шкалы ос_тах.

Электродинамический ваттметр — полярный прибор, т.е. направление отклонения подвижной части зависит от относительного направления / и U в катушках. Для правильного отклонения подвижной части прибора начальные зажимы катушек (генераторные зажимы), обозначенные звездочкой, должны соединяться так, как показано на рис. 17.11, а.

Рис. 17.11. Схема включения ваттметра в электрическую цепь (а), векторная диаграмма цепи (б) и условное обозначение счетчика энергии (в)

Активную энергию 1C = J Pdt измеряют в однофазных цепях си-

нусоидального тока с помощью индукционных счетчиков активной энергии (см. § 17.4.9).

Схема включения однофазного счетчика не отличается от схемы включения ваттметра (см. рис. 17.11, а). Но так как счетчик является интегрирующим прибором, его условное обозначение представлено на рис. 17.11, в.

Измерение мощности и энергии в трехфазных цепях переменного тока. В трехфазных цепях активную мощность измеряют также с помощью электродинамических и ферродинамических ваттметров.

В четырехпроводных цепях для этих целей включают три ваттметра (рис. 17.12) PW^—PW^, каждый из которых измеряет активную мощность соответствующей фазы. Активная мощность всей цепи

Рис. 17.12. Схема включения ваттметров для измерения активной мощности в четырехпроводной цепи

В трехпроводных цепях в зависимости от вида приемника (симметричный или несимметричный) включают соответственно один или два ваттметра. При симметричном (Z_a = Z_b = Z_c) приемнике (рис. 17.13, а) активная мощность цепи равна

где Рф — активная мощность одной фазы.

При несимметричном приемнике (Z_a ^Z_b^ Z_c) наиболее широкое применение нашел метод двух ваттметров (рис. 17.13,6).

Активная мощность трехпроводной цепи (см. гл. 3) может быть представлена выражением

Это выражение определяет одну из возможных схем включения обмоток ваттметров в измерительную цепь: токовая обмотка одного из ваттметров включена в линейный провод А (ток 1_А), а его обмотка напряжения — между проводами Ли В (напряжение U_AB, генераторный зажим * — к линии А); токовая обмотка другого ваттметра — в линейный провод С (ток /_с), а его обмотка напряжения — между линейными проводами С и В (напряжение U_CB, генераторный режим * — к линии С). Углы аи(3 равны: а = U_ABl_A; Р = Ц_СВ1_С. Ак-

Рис. 17.13. Измерение активной мощности в трехпроводной цепи одним ваттметром для симметричного приемника (о), двумя ваттметрами для несимметричного приемника (б)

тивная мощность приемника равна алгебраической сумме показаний обоих ваттметров.

Показание каждого из ваттметров в отдельности в схеме на рис. 17.13, б физического смысла не имеет. Для отсчета отрицательного показания ваттметра на его корпусе предусмотрен переключатель направления тока в обмотке напряжения.

Активную энергию измеряют в трехфазных цепях с помощью двух- и трехэлементных индукционных счетчиков.

В промышленных установках активную мощность приемников измеряют посредством двух- и трехэлементных электродинамических ваттметров.

«>