Что такое Электрическое напряжение — Определение, измерение
Большинство людей в быту могут оперировать таким понятием как электрическое напряжение. Практически все знают, что бытовая розетка находится под напряжением 220В, а пальчиковая батарейка выдает напряжение всего в 1.5В. При этом далеко не каждый человек, окончивший среднюю школу или даже технический ВУЗ в состоянии ответить, что же все-таки означает термин электрическое напряжение. В этом материале мы постараемся ответить на этот вопрос, по возможности не прибегая к сложной математике.
Определение электрического напряжения
В учебниках по физике и электротехнике можно встретить разные определения электрического напряжения. Одно из них звучит следующим образом: электрическое напряжение между двумя точками пространства равно разности потенциалов электрического поля в этих точках. Математически это записывается так:
U=φ_a-φ_b (1).
Где U – электрическое напряжение, а φ_a и φ_b потенциалы электрического поля в точках A и B соответственно.
Если мы не знаем что такое потенциал электрического поля в точке, то приведенное выше определение мало проясняет вопрос, что же такое электрическое напряжение. Под потенциалом электрического поля в точке понимают работу, по перемещению единичного заряда совершаемую электрическим полем из данной точки в точку с нулевым потенциалом. На первый взгляд определение электрического потенциала кажется довольно сложным. Например, не совсем понятно, где находится точка с нулевым потенциалом.
Для начала нужно запомнить, что электрический потенциал это работа по переносу единичного заряда. Если обратиться к формуле (1) то станет ясно, что электрическое напряжение не что иное, как разность двух работ. То есть электрическое напряжение, тоже есть работа. Отсюда мы приходим ко второму определению. Электрическое напряжение численно равно работе по переносу единичного электрического заряда из точки А в точку В. При этом φ_a и φ_b это потенциальная энергия которой обладает единичный заряд в точках А и В соответственно.
Для лучшего понимания изложенного выше можно привести следующую аналогию. Любое тело, находящееся на некотором расстоянии от Земли обладает потенциальной энергией. Для того чтобы поднять тело выше придется выполнить некоторую работу. Величина этой работы будет равна разности потенциальных энергий, которыми обладает тело на разной высоте. Похожую картину мы наблюдаем, когда мы имеем дело с электрическим полем.
Что касается точки пространства, в которой электрический заряд обладает нулевым электрическим потенциалом, то в теории электричества эту точку можно выбрать произвольно. Связанно это с тем, что электрическое поле «потенциально». Чтобы прояснить этот термин придется прибегнуть к высшей математике, а мы решили этого избежать. На практике специалисты в области электротехники в качестве точек с нулевым потенциалом часто выбирают поверхность Земли. И многие измерения выполняют относительно нее.
Электрические поля могут быть постоянными (неизменными во времени) и переменными. Переменные электрические поля могут изменяться по различным математическим законам. В технике чаще всего используются переменные электрические поля, которые изменяются по закону синуса. В случае переменного электрического поля мгновенное значение разности потенциалов между двумя точками можно вычислить по следующей формуле:
u(t)=U_m sin〖(ωt)〗 (2).
Здесь u – мгновенное значение напряжения; Um – максимальное значение напряжения; ω – частота, t – время.
Измерение электрического напряжения
Электрическое напряжение измеряют с помощью вольтметров. Для измерения напряжения (разности потенциалов) на участке электрической цепи щупы вольтметра подключают к концам этого участка и по шкале считывают показания прибора.
Существует множество типов вольтметров. Мы остановимся на аналоговых вольтметрах с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Эти механизмы довольно часто применяют в щитовых вольтметрах и многофункциональных измерительных приборах – мультиметрах. Магнитоэлектрический электрический механизм представляет собой проволочную катушку, размещенную между полюсами магнита. Катушка подвешивается на спиральных пружинах обеспечивающих высокую чувствительность прибора. С катушкой связана указательная стрелка, с помощью которой осуществляется отсчет показаний на шкале прибора. Ниже на рисунке показано устройство магнитоэлектрического механизма.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность. С их помощью можно измерить напряжения составляющие сотые доли вольта. Для расширения пределов измерения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные сопротивления. Схема простейшего вольтметра постоянного тока показана на рисунке.
Одним из важнейших параметром вольтметра является его внутреннее сопротивление. Чем больше значение внутреннего сопротивления вольтметра, тем меньшую погрешность можно получить в процессе измерения. Для аналоговых вольтметров внутреннее сопротивление обычно составляет 20кОм на вольт. Если необходимо получить большее значение сопротивления для измерений применяют электронные вольтметры, цифровые или аналоговые.
Для измерения переменного напряжения в конструкцию вольтметров включают выпрямители, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное. Шкалы вольтметров для измерения переменного напряжения обычно градуируют в действующих (эффективных) значениях напряжения. Действующее значение переменного тока связано с максимальным следующим соотношением.
U=1/√2 U_m=0,707U_m (3)
Действующее значение удобно применять при вычислении мощности электрической цепи. Когда мы говорим, что в электрической розетке присутствует напряжение 220В, речь идет именно о действующем значении напряжения.
В коротком материале трудно рассказать обо всех нюансах связанных с электрическим напряжением и способах его измерения. Но мы надеемся, что текст окажется полезен читателю.
Лекции и примеры решения задач технической механики
Мерой интенсивности распределения внутренних сил R в окрестности точки в пределах данного сечения площадью A являются напряжения p, измеряемые в единицах силы, отнесенной к единице площади dA
Полные напряжения в точке
Единица измерения напряжений — Паскаль (Н/м2=Па).
Рассмотрим подробнее:
Система приложенных к телу внешних нагрузок, приводит к возникновению в его сечениях внутренней силы R и момента M
Внутренние сила и момент в сечении бруса
При этом надо понимать что внутренняя сила и внутренний момент воздействуют на всё сечение бруса в целом.
Выделим в рассматриваемом сечении элементарную площадку dA бесконечно малой площади.
Элементарная площадка в сечении бруса
Полное напряжение – часть внутренних усилий, приходящаяся на конкретную точку сечения.
Вектор полного напряжения в точке
Обозначение полного напряжения в точке – p.
Единица измерения – Паскаль [Па] (Н/м2).
Ввиду того, что большинство конструкционных материалов обладает высокой прочностью часто напряжения, возникающие в них, измеряются в кратных величинах, например мегапаскаль [МПа].
В общем случае вектор полного напряжения в точке может располагаться под любым углом к сечению. В таких случаях для существенного упрощения расчетов его удобно раскладывать на составляющие (проекции):
Нормальное и касательное напряжения
Проекция вектора полного напряжения p на нормаль к сечению называется нормальным напряжением и обозначается через σ, а проекция вектора полного напряжения на плоскость сечения называется касательным напряжением и обозначается через τ.
Разложение вектора полного напряжения на две указанные составляющие имеет конкретный физический смысл – с нормальным напряжением связано разрушение путем отрыва, а с касательным – разрушение путем сдвига или среза.
В частных случаях (например при растяжении-сжатии и кручении) в поперечных сечениях бруса имеют место только нормальные и только касательные напряжения соответственно.
При решении таких задач, величина нормальных и касательных напряжений сравнивается с соответствующими допустимыми значениями напряжений.
Примеры расчета напряжений >>
Напряжение прикосновения: определение и проверка напряжения
Напряжение прикосновения – опасное явление, определение которого должны знать и обыватели, и специалисты. Проводя работу с электроприборами, нельзя исключать риск воздействия электрического тока и поражения им в любой момент. Причиной может стать косвенное или прямое соприкосновение с проводниками под напряжением.
Что называется напряжением прикосновения
Напряжение прикосновения возникает в момент прямого контакта человека с поврежденной изоляцией или с двумя контактами, проводящими ток. Контакт может быть косвенным или прямым, что напрямую зависит от устройства.
Ознакомление с понятием на примере схемы
Объекты, обладающие сразу двумя токопроводящими точками, опасны для живых организмов. Для предотвращения подобных проблем существуют приборы, измеряющие напряжение. После ответа на вопрос: «Что называется напряжением прикосновения?», – можно переходить к подробному изучению этого термина.
Касание заземленных токоведущих частей
Как определить и проверить напряжение прикосновения
Для определения напряжения прикосновения можно использовать сварочный трансформатор. Так как измерения могут достигать больших значений, в токовую цепь включают короткозамыкатель (ИТК-1) и проверяют состояние тока при помощи импульсного вольтметра.
Схема измерения импульсного тока
Основными измерителями НС являются амперметр и вольтметр.
Для измерения используют схему, где два электрода представлены в виде металлических пластин. Они располагаются на земле или на полу и имитируют подошвы человека. Промежуток между ними равняется 0,8 м (приблизительная ширина шага). Поверхности должны быть в воде на глубине 3 см. На пластины ставят груз с массой не меньше 50 кг.
Напряжение прикосновения определяется по формуле U = (Uпп х Uф)/Uт, где:
- Uпп – величина показателя между пластинами;
- Uф – численная характеристика сети по фазам;
- Uт – напряжение сварочного трансформатора на вторичной обмотке.
Схема определения напряжения прикосновения
Как измерить напряжение прикосновения
Измерение НП проводят при помощи вольтметра и амперметра. Если нет возможности заземления одной точки с вторичной обмоткой, то устанавливают разделительный трансформатор и заземляют этот контакт повторно, то есть создают условия максимальной «опасности».
Расчеты проводят квалифицированные специалисты электролаборатории по тестированию установок. Перед измерениями проводники проверяются на постоянство тока, сопротивления и непрерывность проводки.
ИНП проводят при температуре не ниже +5 градусов. Электроустановка должна быть полностью смонтирована и подключена к действующей сети. Величина испытательного тока составляет 50% от номинального. При подключении современного измерительного прибора MI 3102H CL к необходимым частям электроустановки, производятся измерения.
Устройство для измерения
Важно! При превышении максимальной величины напряжения, проверяют сопротивление заземления.
После всех проведенных процедур, результаты измерений оформляют в виде протокола.
Как правильно рассчитать напряжение
В руководстве К. Е. Белявина, подробно описывается, что это за понятие и как его рассчитывать, к примеру, когда ток проходит через проводник, а именно через ногу человека, которая находится на земле. Утечка происходит от короткого замыкания на расстоянии 20 метров. Если источник погружен в грунт, то опасность маловероятна.
Там же рассмотрены вопросы, когда человек берет в руки провод под напряжением, или просто стоит рядом с ним. Именно во втором случае опасность наименьшая.
Как оборванный провод может повлиять на человека, на расстоянии
Важно! При напряжении соприкосновения нельзя далеко расставлять ноги, иначе можно получить смертельный удар. В случае трагедии, следует покинуть место аварии вприсядку.
Определяя напряжение прикосновения, рассматривают 2 схемы расчета сетей с нейтралью:
- глухозаземленной;
- изолированной.
Сила тока, находящаяся в аккумуляторе, сдерживается сопротивлением цепи, способным влиять на человека, вычисляется по формуле: Iч = Uф/(Rч + Rоб + Rп + R0) ≈ Uф / Rч, где:
- R0 – сопротивление трансформатора.
- R0 ≤ 10 Ом.
- Uф – напряжение по фазам.
- Rч – человеческое сопротивление.
Важно! Рабочее место – это площадка, где специалисты (электротехники) проводят измерения и ремонт. Нерабочее – это безопасное место для нахождения людей, которые не связанных с электроустановками.
Схема сети с изолированной нейтралью
Меры безопасности
Существует требование при работе с напряжением прикосновения, оно не должно превышать 65 В, считается безопасным при прикосновении, но не дольше 3 секунд. Порог зависит от того, в каком интервале находится:
- 0,1 сек – 740 В;
- 0,2 сек – 370 В.
Необходимые требования:
- Во время измерения применять защитную спецодежду;
- Профилактические работы, проводимые на металлических конструкциях, подразумевают оборудование изолирующими материалами;
- В случае длительных утечек тока, места прикосновения металлических конструкций (лестницы, трубы, заборы) должны граничить с заземлителем;
В случае с трубопроводами, с уверенностью можно сказать, что они находятся под катодной защитой и участок, изолированный от заземлителя, опасен. Граница находится на стыке территории здания или завода. В случае аварии рекомендовано устранить источник тока.
Электромонтажник — в процессе работы, в соответствующей спецодежде
Зачастую от воздействия тока или дуги люди получают травмы. Поражение организма может быть общим или местным. Степень поражения зависит от пути электрического тока по телу пострадавшего. Всего существует 5 этапов поражения электрическим током:
- Сокращения мышечной работы;
- Судороги;
- Сбои в работе сердца и затрудненное дыхание;
- Отсутствие сознания;
- Смерть.
Исход поражения током зависит от правильности и своевременности оказания помощи, а также корректного расчета воздействия электричества.
Чтобы исключить поражение током людей или животных, следует своевременно проводить изоляцию кабелей, обмотки электромашин и другие необходимые меры безопасности. При понижении сопротивления или возникновении замыканий в электрической сети, ее полностью отключают.
Определение электрического напряжения
То
есть электрическое поле должно было
«протащить» электроны через нагрузку,
и энергия, которая при этом израсходовалась,
характеризуется величиной, называемой
электрическим напряжением. Эта же
энергия потратилась на какое-то изменение
состояния вещества нагрузки. Энергия,
как мы знаем, не пропадает в никуда и не
появляется из ниоткуда. Об этом
гласит Закон
сохранения энергии.
То есть, если ток потратил энергию на
прохождение через нагрузку, эту энергию
приобрела нагрузка и, например, нагрелась.
То
есть, приходим к определению: напряжение
электрического тока –
это величина, показывающая, какую работу
совершило поле при перемещении заряда
от одной точки до другой. Напряжение в
разных участках цепи будет различным.
Напряжение на участке пустого провода
будет совсем небольшим, а напряжение
на участке с какой-либо нагрузкой будет
гораздо большим, и зависеть величина
напряжения будет от величины работы,
произведенной током. Измеряют напряжение
в вольтах (1 В). Для определения напряжения
существует формула:
U=A/q,
где
U — напряжение,
A – работа, совершенная
током по перемещению заряда q на некий
участок цепи.
Напряжение на полюсах источника тока
Что
касается напряжения на участке цепи –
все понятно. А что же тогда означает
напряжение на полюсах источника
тока?
В данном случае это напряжение означает
потенциальную величину энергии, которую
может источник придать току. Это как
давление воды в трубах. Эта величина
энергии, которая будет израсходована,
если к источнику подключить некую
нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение
у источника тока, тем большую работу
может совершить ток.
2) Диэлектрики в электрическом поле
В
отличие от проводников, в диэлектриках
нет свободных зарядов. Все заряды
являются
связанными
: электроны принадлежат своим атомам,
а ионы твёрдых диэлектриков колеблются
вблизи
узлов кристаллической решётки.
Соответственно,
при помещении диэлектрика в электрическое
поле не возникает направлен-ного движения
зарядов
1
.
Поэтому для диэлектриков не проходят
наши доказательства свойств
проводников
— ведь все эти рассуждения опирались
на возможность появления тока. И
дей-ствительно, ни одно из четырёх
свойств проводников, сформулированных
в предыдущей статье,
не
распростаняется на диэлектрики.
1.
Напряжённость электрического поля
внутри диэлектрика может быть не равна
нулю.
2.
Объёмная плотность заряда в диэлектрике
может быть отличной от нуля.
3.
Линии напряжённости могут быть не
перпендикулярны поверхности диэлектрика.
4.
Различные точки диэлектрика могут иметь
разный потенциал. Стало быть, говорить
о
«потенциале
диэлектрика» не приходится.
Поляризация
диэлектриков —
явление, связанное с ограниченным
смещением связанных зарядов в диэлектрике или
поворотом электрических диполей,
обычно под воздействием внешнего электрического
поля,
иногда под действием других внешних
сил или спонтанно.
Поляризацию
диэлектриков характеризует вектор
электрической поляризации.
Физический смысл вектора электрической
поляризации — это дипольный
момент,
отнесенный к единице объема диэлектрика.
Иногда вектор поляризации коротко
называют просто поляризацией.
Вектор
поляризации применим для описания
макроскопического состояния поляризации
не только обычных диэлектриков, но
и сегнетоэлектриков,
и, в принципе, любых сред, обладающих
сходными свойствами. Он применим не
только для описания индуцированной
поляризации, но и спонтанной поляризации
(у сегнетоэлектриков).
Поляризация —
состояние диэлектрика, которое
характеризуется наличием электрического
дипольного момента у любого (или почти
любого) элемента его объема.
Различают
поляризацию, наведенную в диэлектрике
под действием внешнего электрического
поля, и спонтанную (самопроизвольную)
поляризацию, которая возникает
в сегнетоэлектриках в
отсутствие внешнего поля. В некоторых
случаях поляризация диэлектрика
(сегнетоэлектрика) происходит под
действием механических напряжений, сил
трения или вследствие изменения
температуры.
Поляризация
не изменяет суммарного заряда в любом
макроскопическом объеме внутри
однородного диэлектрика. Однако она
сопровождается появлением на его
поверхности связанных электрических
зарядов с некоторой поверхностной
плотностью σ. Эти связанные заряды
создают в диэлектрике дополнительное
макроскопическое поле c напряжённостью 
,
направленное против внешнего поля с
напряжённостью 
.
В результате напряжённость поля 
внутри
диэлектрика будет выражаться равенством:
В
зависимости от механизма поляризации,
поляризацию диэлектриков можно
подразделить на следующие типы:
Электронная —
смещение электронных
оболочек атомов
под действием внешнего электрического
поля. Самая быстрая поляризация (до
10−15 с).
Не связана с потерями.Ионная —
смещение узлов кристаллической структуры
под действием внешнего электрического
поля, причем смещение на величину,
меньшую, чем величина постоянной
решетки.
Время протекания 10−13 с,
без потерь.Дипольная
(Ориентационная) — протекает с
потерями на преодоление сил связи и
внутреннего трения. Связана с ориентацией
диполей во внешнем электрическом поле.Электронно-релаксационная —
ориентация дефектных электронов во
внешнем электрическом поле.Ионно-релаксационная —
смещение ионов, слабо закрепленных в
узлах кристаллической структуры, либо
находящихся в междуузлие.Структурная —
ориентация примесей и неоднородных
макроскопических включений в диэлектрике.
Самый медленный тип.Самопроизвольная
(спонтанная) — благодаря этому типу
поляризации у диэлектриков, у которых
он наблюдается, поляризация проявляет
существенно нелинейные свойства даже
при малых значениях внешнего поля,
наблюдается явление гистерезиса.
Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики)
отличаются очень высокими
значениями диэлектрической
проницаемости (от
900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной
керамики). Введение спонтанной
поляризации, как правило, увеличивает тангенс
угла потерь материала
(до 10−2)Резонансная —
ориентация частиц, собственные частоты
которых совпадают с частотами внешнего
электрического поля.Миграционная
поляризация обусловлена наличием в
материале слоев с различной проводимостью,
образованию объемных зарядов, особенно
при высоких градиентах напряжения,
имеет большие потери и является
поляризацией замедленного действия.
Поляризация
диэлектриков (за исключением резонансной)
максимальна в статических электрических
полях. В переменных полях, в связи с
наличием инерции электронов, ионов и
электрических диполей, вектор электрической
поляризации зависит от частоты.
Определение главных напряжений — Студопедия
Главными напряжениями называются нормальные напряжения, действующие по площадкам, где отсутствуют касательные напряжения. Координатные оси, являющиеся нормалями к таким площадкам, называются главными осями тензора напряжений, а сами площадки – главными площадками.
Главные напряжения определяются из кубичного уравнения:
(2.2)
Подставляя численные значения инвариантов тензора напряжений из (2.1), получаем:
Кубичное уравнение всегда имеет три корня. При этом встретиться два случая:
1) уравнение имеет один действительный корень и два комплексно сопряженных;
2) уравнение имеет три действительных корня.
Уравнения для определения главных напряжений и главных деформаций всегда имеют три действительных корня. Решать их можно по-разному.
1. Можно сначала определить подбором один из корней уравнения, а затем разложить левую часть уравнения (2.2) на два сомножителя: линейный двучлен и квадратный трехчлен. После этого из решения квадратного уравнения определяются два оставшиеся корня.
2. Существует и аналитический способ решения, для этого используются формулы Кардано.
Воспользуемся вторым способом.
à Решение кубичного уравнения по формулам Кардано
Пусть задано кубическое уравнения:
(2.3)
После подстановки
(2.4)
получают приведенное кубичное уравнение:
(2.5)
Здесь и вычисляются по формулам:
(2.6)
Формулы Кардано для случая уравнения с тремя действительными корнями имеют вид:
(2.7)
(2.8)
Далее с помощью подстановки (2.4) в (2.3) находят корни исходного уравнения.
à Решение уравнения (2.2):
(2.9)
Подстановка (2.4) с новыми обозначениями получает вид:
. (2.10)
Здесь изменен знак второго слагаемого подстановки потому, что .
Подставляя (2.10) в (2.9) получим уравнение аналогичное (2.5):
(2.11)
Здесь коэффициенты и вычисляются по формулам (2.6):
Далее по формулам (2.7) находим:
По формулам (2.8) находим корни уравнения (2.11):
Учитывая (2.10), находим корни исходного уравнения (2.9), являющимися главными напряжениями:
(2.12)
В соответствии с правилом индексации главных напряжений введены обозначения: — алгебраически максимальное напряжение; — алгебраически среднее (минимаксное) напряжение; — алгебраически минимальное напряжение.
Величины и вычислялись с точностью до третьего знака после запятой для того, чтобы в дальнейшем при решении систем уравнений, в которых от зависят величины коэффициентов, избежать возможных больших погрешностей, если встретятся малые разности больших величин.
Тензор напряжений в главных осях имеет вид:
.
Электрическое напряжение: характеристики, влияние, история
Электрическое напряжение – величина, характеризующая напряжённость электрического поля внутри проводника. Термин кажется противоречащим общепринятому, но ниже последует объяснение.
Электрическое поле в эфире
Физики пока не в состоянии сказать, что такое электрическое поле. Собрали массу знаний, даже составили описательные формулы, выражения, но сути не представляют. Одновременно высмеивают понятие эфира, а значит, Алессандро Вольту, давшего имя, используемое теперь для обозначения единицы электрического напряжения. Итак, по нынешним меркам:
Электрическое поле – вид материи, посредством которой взаимодействуют электрические заряды.
Читатели уже догадались, что правило выписано из советского учебника (времён СССР), логично поинтересоваться мнением «идеалистов» на Западе (в противовес материалистам). Википедия на русском даёт уже более осторожное определение, трактуя электрическое поле как часть электромагнитного. Не углубляясь в суть.
Как следовало ожидать, на Западе говорят, что электрическое поле – нечто, неподвластное органам чувств, что определяется через единичный тестовый заряд путём опыта. Определение векторного поля тоже мало сообщает об истинной природе вещей. Приходится признать, что человечество пока не понимает поля и причину их взаимодействия указанным образом.
Решили один вид статических зарядов обозначить положительным, второй отрицательным. Существование двух видов признавал ещё Бенджамин Франклин в XVIII веке. Линии электрического поля начинаются и заканчиваются исключительно на зарядах. Это ключевой постулат, объясняющий работу конденсаторов, экранов и прочих приспособлений. Поле принято обозначать силовыми линиями, исходящими из положительных зарядов и входящими в отрицательные. Не все задумываются над причинами происходящего.
Линии направлены по указанному, пробный (тестовый) заряд (см. определение выше) тоже положительный. Вектор направлен по ходу движения. Общеизвестно, что заряды одинакового знака отталкиваются, если пробный положительной полярности, он стремится удалиться. В ту сторону изображают и линии напряжённости электрического поля. Соответственно, пробный заряд притягивается отрицательным.
Сегодня направление тока перепутано с истинным движением электронов по той причине, что физики избрали пробным зарядом положительный. Бытует мнение, что Бенджамин Франклин ввёл в заблуждение целый Земной шар. Он считал, что стекло обладает избытком электрической жидкости (флюида), назвав заряд стеклянным. Соответственно, смоляное электричество – отрицательное (избыток электронов). Читатели уже догадались, что в момент выбора требовалось сделать наоборот.
Разница потенциалов электрического поля
Вследствие путаницы магнитные полюса Земли (истинные) перепутаны. Впрочем, об этом упоминается в теме, касающейся магнитного поля. Итак, линии напряжённости начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. В каждой точке характеризуются напряжённостью – силой, действующей на пробный заряд. Эта величина, разумеется, векторная, направленная согласно с силовыми линиями.
Как следует из определения, единицей измерения напряжённости считается Н/Кл, но на практике применяется производная величина – В/м, которая уже ближе стоит к напряжению и привычным обозначениям тока и разницы потенциалов. Опытным путём, построением картины поля определено, что линии поля не пересекаются. Это траектории движения пробного (тестового) положительного (стеклянного) заряда. Линии напряжённости поля не замыкаются на себя по очевидной причине: направление оказалось бы противоположным на концах, что невозможно.
Из этого вытекает малоизвестный публике факт: при любой удалённости электрических зарядов, силовые линии поля все равно найдут путь. Указанный закон проявляется на всех планах Вселенной. Отсюда происходят принципы действия многих устройств. К примеру, поле внутри металла не существует, свободные электроны занимают такое положение близ поверхности, что их собственные линии напряжённости блокируют проникновение внутрь чужеродной материи (термин взят согласно вышеуказанному определению). Договорились, что условно изображая поле на чертеже силовыми линиями, физики через их плотность нанесения охарактеризуют размер напряжённости. Из рисунка станет понятен характер распределения силы.
Указанные утверждения приводят к потенциалу. Если силовые линии не пересекаются, начинаются и заканчиваются на зарядах, косвенно следует, что работа совершаемая вдоль каждой не зависит от формы траектории. Подобные поля в физике принято называть потенциальными:
Работа электрического поля по перемещению заряда зависит исключительно от разницы между потенциалами двух точек – начальной и конечной.
Налицо разница потенциалов. К полям рассматриваемого типа относится и гравитационное. Физики Жданов и Маранджян вполне однозначно трактуют понятие потенциала:
Потенциальной энергией точки в поле становится работа, затраченная полем, чтобы переместить пробный заряд на бесконечно далёкое расстояние.
Это не значит, что работа совершена, если заряд прочно удерживается на месте. При освобождении заряд понемногу отдалился бы в бесконечность. Понятна тесная связь магнитного, электрического и гравитационного полей. Из сказанного проистекает определение для потенциала:
Потенциалом называют потенциальную энергию в поле единичного пробного заряда.
Как правило, потенциал считается скалярной величиной, чтобы удобнее производить вычисления. Для определённости пробный заряд берётся положительным, хотя это неверно. Если работа совершается против сил поля при перемещении в бесконечную точку, потенциал окажется отрицательным. Единицей измерения потенциала применяется вольт.
Определение электрического напряжения
Электрическим напряжением называется разница потенциалов между двумя точками поля. Для разграничения среды и эфира принято использовать термин лишь в реально существующих цепях. К примеру, между облаками и грунтом присутствует напряжение в сотни кВ, о чём прямо не говорится. Вместо этого употребляют термин «разница потенциалов» либо «напряжённость». Становится понятным определение, данное выше.
Когда речь заходит об электрическом напряжении, подразумевают некое тело. Если говорят про эфир, оперируют с напряжённостью поля. Это выгодно с точки зрения расчётов. К примеру, амплитуда сигнала на выходе антенны выражается через напряжённость, через указанный параметр определяется чувствительность приёмника – насколько слабую напряжённость поля устройство способно преобразовать в детализированный и понятный человеку сигнал.
Сравнивая единицы измерения, замечаем, что численно напряжённость равна напряжению, делённому на расстояние между двумя рассматриваемыми точками. Это общепринятая физическая формула. Через выражение оценивается напряжённость поля плоского конденсатора. Термины говорят также о людских представлениях:
- Напряжение обычно возникает в материальном: предмете, человеке.
- Напряжённость наблюдается в отношениях, не представляемые непосредственно в виде материи.
Аналогично напряжённость характеризует поле в эфире, а напряжение описывает проводники и диэлектрики. Эти термины столь разрознены по причине, что теория не отличается стройностью. К примеру, в магнитном поле введены индукция и напряжённость, всем понятно, что первое характеризует поведение материалов и зависит от них, а второе присутствует на абсолютном плане, в эфире. Электрическое поле плохо описано, редкий физик в состоянии сказать, что означает ток смещения в формулах Джеймса Клерка Максвелла.
Итак, показано, что напряжённость считается исходной величиной поля, магнитного и электрического. Электрическое напряжение – производная характеристика, через которую удобно действовать.
Влияние напряжения
Под действием электрического напряжения в проводниках возникает ток, как и при прикосновении внешнего поля. Для поддержания процесса выполняются два условия:
- Замкнуть контур из проводников.
- Создать движущую силу для восполнения энергии поля.
Диэлектрики ведут себя иначе. До определённых пор энергия поля ориентирует по-новому мелкие диполи материала. Удерживающие силы обладают упругостью, разрешая «запасать» энергию в виде механической. Когда внешнее поле ослабевает, система возвращается в прежнее состояние, отдавая накопленное.
Если электрическое напряжение слишком высокое, наступает отрыв диполей либо расформирование. Что внешне выражается в разрушении материала диэлектрика. Тогда говорят о некотором предельном напряжении электрической изоляции, выше которого вещество неспособно выполнить функции. Для обычных, рядовых бытовых цепей проверка диэлектрика осуществляется электрическим напряжением 500 В.
Из истории
Сложно сказать, кто ввёл понятие напряжения, но в исходном виде термина voltage не отмечалось. Англоязычное слово указывает на Алессандро Вольту. Физики эпохи становления отрасли электромагнетизма чаще применяли термин electrical tension. Это нечто, связанное с напряжённостью из механики. Из категории, что и тензометрические датчики напольных весов.
К слову сказать, напряжённость на Западе называют интенсивностью (intensity). Предполагаемый основоположник Вольта потому, что в трудах всех без исключения учёных начала XIX века проскальзывает словцо – tension. В современном английском слова нет.
Ответ прост: это – сложившаяся дань традиции. К примеру, Алессандро Вольта делал доклады зарубежным академиям наук, но не вооружившись устоявшейся терминологией, на ходу придумывал подходящие обозначения. Ввёл в обиход понятие конденсатора (condensor), которое прижилось гораздо лучше, нежели tension. Мы полагаем, что у слова латинские корни, а в Италии и Испании им до сего дня обозначают электрическое напряжение. Следовательно, если ток берет исходное название от Луиджи Гальвани – так говорили все авторы начала XIX века – tension происходило из уст Вольты.
К сожалению, авторы не проводили углублённое изучение вопроса и не могут привести название работы, где впервые прозвучала речь об электрическом напряжении. Но совершенно точно, что Ампер, Араго, Ом оперировали термином tension.
В английском языке слово voltage едва ли появилось ранее 80-х годов XIX века, IEC ввели единицу вольт лишь в 1881 году. Он составлял 100 млн. единиц напряжения системы СГС. В дальнейшем, как эпредполагается, появилось слово voltage, заменив присутствующее раньше tension.
Стабилизация напряжения синхронного генератора — прямой и косвенный метод
Регулировка напряжения синхронного генератора — это повышение напряжения на клеммах, когда нагрузка снижается с номинального значения полной нагрузки до нуля, скорость и ток возбуждения остаются постоянными. Это зависит от коэффициента мощности нагрузки. Для единичного и запаздывающего коэффициентов мощности всегда есть падение напряжения с увеличением нагрузки, но для определенной опережающей мощности регулирование напряжения полной нагрузки равно нулю.
Регулировка напряжения определяется уравнением, показанным ниже.
Где,
- | E a | — величина генерируемого напряжения на фазу
- | V | — величина номинального напряжения на клеммах на фазу
В этом случае напряжение на клеммах одинаково как для полной, так и для нулевой нагрузки. При более низких опережающих факторах мощности напряжение растет с увеличением нагрузки, и регулирование отрицательное.
Определение регулирования напряжения
Существует два основных метода, которые используются для определения регулирования напряжения генераторов переменного тока с гладким цилиндрическим ротором. Они называются методом прямого испытания нагрузки и косвенными методами регулирования напряжения. Косвенный метод дополнительно классифицируется как метод с синхронным импедансом , метод ампер-виток, и метод с нулевым коэффициентом мощности .
Испытание прямой нагрузкой
Генератор работает на синхронной скорости, и его напряжение на клеммах настроено на номинальное значение V.Нагрузка изменяется до тех пор, пока амперметр и ваттметр не покажут номинальные значения при заданном коэффициенте мощности. Нагрузка снимается, а скорость и возбуждение поля остаются постоянными. Регистрируется значение холостого хода и напряжения холостого хода.
Оно также определяется процентным регулированием напряжения и выражается уравнением, показанным ниже.
Метод прямой нагрузки подходит только для небольших генераторов переменного тока мощностью менее 5 кВА.
Косвенные методы регулирования напряжения
Для больших генераторов переменного тока используются следующие три косвенных метода для определения регулирования напряжения.
.
Предел максимального падения напряжения — Руководство по электрическому монтажу
Максимально допустимое падение напряжения варьируется от страны к стране. Типичные значения для низковольтных установок приведены ниже на Рисунок G27.
Рис. G27 — Максимальное падение напряжения между исходной точкой установки и любой точкой нагрузки (IEC60364-5-52, таблица G.52.1)
| Тип установки | Цепи освещения | Другое применение (отопление и электроэнергия) |
|---|---|---|
| Низковольтные установки, питаемые напрямую от общественной низковольтной распределительной сети | 3% | 5% |
| Низковольтная установка с питанием от частной сети низкого напряжения | 6% | 8% |
Эти пределы падения напряжения относятся к нормальным установившимся условиям эксплуатации и не применяются во время пуска двигателя, одновременного (случайного) переключения нескольких нагрузок и т. Д.как указано в разделе «Оценка фактического максимального потребления кВА (коэффициенты разнообразия и использования и т. д.)». Когда падение напряжения превышает значения, указанные на , рис. G27, для исправления ситуации необходимо использовать кабели (провода) большего размера.
Значение 8%, хотя и разрешено, может привести к проблемам с нагрузкой двигателя; например:
- Обычно для удовлетворительной работы двигателя требуется напряжение в пределах ± 5% от его номинального значения в установившемся режиме,
- Пусковой ток двигателя может в 5–7 раз превышать значение полной нагрузки (или даже выше).Если падение напряжения на 8% происходит при токе полной нагрузки, то во время запуска произойдет падение на 40% или более. В таких условиях двигатель либо:
- Остановка (то есть оставаться неподвижным из-за недостаточного крутящего момента для преодоления момента нагрузки) с последующим перегревом и возможным отключением
- Или ускоряться очень медленно, так что сильноточная нагрузка (с возможным нежелательным воздействием низкого напряжения на другое оборудование) продолжится после нормального периода запуска
- Наконец, падение напряжения на 8% представляет собой непрерывную потерю мощности , что при длительных нагрузках будет значительным тратой (измеренной) энергии.По этим причинам не рекомендуется достигать максимального значения 8% в устойчивых рабочих условиях в цепях, которые чувствительны к проблемам пониженного напряжения (см. Рис. G28).
Рис. G28 — Максимальное падение напряжения (значения, указанные здесь, относятся к цепям, отличным от цепей освещения)
.
