Електрична напруга
Ми знаємо, що електричний струм - це впорядкований рух заряджених частинок, яке створюється електричним полем, а воно при цьому здійснює роботу. Роботу сил електричного поля, що створює електричний струм, називають роботою струму. У процесі такої роботи енергія електричного поля перетворюється в інший вид енергії - механічну, внутрішню і ін.
Від чого ж залежить робота струму? Можна з упевненістю сказати, що вона залежить від сили струму, т. Е. Від електричного заряду, що протікає по ланцюгу в 1 с. У цьому ми переконалися, знайомлячись з різними діями струму. Наприклад, пропускаючи струм по залізній або нікелінового дроті, ми бачили, що чим більше була сила струму, тим вище ставала температура дроту, т. Е. Сильніше було теплову дію струму.
Але не тільки від однієї сили струму залежить робота струму. Вона залежить ще і від іншої величини, яку називають електричною напругою або просто напругою.
Напруга - це фізична величина, що характеризує електричне поле. Воно позначається буквою U. Щоб ознайомитися з цією дуже важливою фізичною величиною, звернемося до досвіду.
На малюнку зображена електрична ланцюг, в яку включена лампочка від кишенькового ліхтарика. Джерелом струму тут служить батарейка. На малюнку б показано інша ланцюг, в неї включена лампа, яка використовується для освітлення приміщень. Джерелом струму в цьому ланцюзі є міська освітлювальна мережа. Амперметри, включені в зазначені ланцюга, показують однакову силу струму в обох ланцюгах. Однак лампа, включена в міську мережу, дає набагато більше світла і тепла, ніж лампочка від кишенькового ліхтаря. Пояснюється це тим, що при однаковій силі струму робота струму на цих ділянках ланцюга при переміщенні електричного заряду, рівного 1 Кл, різна. Ця робота струму і визначає нову фізичну величину, яка називається електричною напругою.
Мал. Різна світіння ламп при одній і тій же силі струму:
а - джерело струму - батарейка; б - джерело струму - міська мережа
Напруга, яке створює батарейка, значно менше напруги міської мережі. Саме тому при одній і тій же силі струму лампочка, включена в ланцюг батарейки, дає менше світла і тепла.
Напруга показує, яку роботу виконує електричне поле при переміщенні одиничного позитивного заряду з однієї точки в іншу.
Знаючи роботу струму А на даній ділянці ланцюга і весь електричний заряд q, що пройшов по цій ділянці, можна визначити напруга U, т. Е. Роботу струму при переміщенні одиничного електричного заряду:
Отже, напруга дорівнює відношенню роботи струму на даній ділянці до електричного заряду, який пройшов по цій ділянці.
З попередньої формули можна визначити:
Електричний струм подібний течією води в річках і водоспадах, т. Е. Течією води з більш високого рівня на більш низький. Тут електричний заряд (кількість електрики) відповідає масі води, що протікає через перетин річки, а напруга - різниці рівнів, напору води в річці. Робота, яку здійснює вода, падаючи, наприклад, з греблі, залежить від маси води та висоти її падіння. Робота струму залежить від електричного заряду, що протікає через перетин провідника, і від напруги на цьому провіднику. Чим більше різниця рівнів води, тим більшу роботу виконує вода при своєму падінні; чим більше напруга на ділянці кола, тим більше робота струму. В озерах і ставках рівень води усюди однаковий, і там вода не тече; якщо в електричному ланцюзі немає напруги, то в ній немає і електричного струму.
Одиниця напруги названа вольт (В) на честь італійського вченого Алессандро Вольта, який створив перший гальванічний елемент.
За одиницю напруги приймають таке електрична напруга на кінцях провідника, при якому робота по переміщенню електричного заряду в 1 Кл по цьому провіднику дорівнює 1 Дж.
Крім вольта застосовують частинні і кратні йому одиниці: мілівольт (мВ) і кіловольт (кВ).
1 мВ = 0,001 В;
1 кВ = 1000 В.
Висока (велика) напруга небезпечно для життя. Припустимо, що напруга між одним проводом високовольтної лінії передачі і землею 100 000 В. Якщо цей провід з'єднати якимось провідником з землею, то при проходженні через нього електричного заряду в 1 Кл буде здійснена робота, рівна 100 000 Дж. Приблизно таку ж роботу зробить вантаж масою 1000 кг при падінні з висоти 10 м. Він може зробити великі руйнування. Цей приклад показує, чому так небезпечний струм високої напруги.
Вольта Алессандро (1745-1827)
Італійський фізик, один із засновників вчення про електричному струмі, створив перший гальванічний елемент.
Але обережність треба дотримуватися і в роботі з більш низькими напругами. Залежно від умов напруга навіть у кілька десятків вольт може виявитися небезпечним. Для роботи в приміщенні безпечним вважають напругу не більше 42 В.
Напруга в деяких технічних пристроях і в природі
Гальванічні елементи створюють невисока напруга. Тому в освітлювальної мережі використовується електричний струм від генераторів, що створюють напругу 127 і 220 В, т. Е. Що виробляють значно більшу енергію.
Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму або на якому-небудь ділянці ланцюга застосовують прилад, званий вольтметром.
Вольтметр, який використовується в шкільних дослідах, показаний на малюнку а, в лабораторних роботах - на малюнку в.
Багато вольтметри за зовнішнім виглядом дуже схожі на амперметри. Для відмінності вольтметра від інших приладів на його шкалою ставлять букву V. На схемах вольтметр зображують кружком з буквою V всередині (рис. Б).
Як і у амперметра, у одного затиску вольтметра ставлять знак «+». Цей зажим необхідно обов'язково поєднувати з проводом, що йде від позитивного полюса джерела струму. Інакше стрілка приладу буде відхилятися в зворотну сторону.
Вольтметр включається інакше, ніж амперметр. На малюнку а зображена електрична ланцюг, в яку включені електрична лампа, амперметр і вольтметр. На малюнку б показано схема такого ланцюга. Амперметром в цьому ланцюзі вимірюють силу струму в лампі, для цього він включений в ланцюг послідовно з нею. Вольтметр повинен показувати напругу, яка існує на затискачах лампи.
Мал. Підключення вольтметра і амперметра в ланцюг
Тому його включають в ланцюг непослідовно з лампою, а так, як показано на малюнку а й на схемі (див. Рис. Б). Затискачі вольтметра приєднують до тих точках ланцюга, між якими треба виміряти напругу. Таке включення приладу називають паралельним. Сила струму, що проходить через вольтметр, мала в порівнянні з силою струму в ланцюзі, тому він майже не змінює напругу між тими точками, до яких підключений.
Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму вольтметр підключають безпосередньо до затискачів джерела струму так, як показано на малюнку.
Мал. Підключення вольтметра до джерела струму
Домашня робота
- Як називають прилад для вимірювання напруги?
- Як включають вольтметр для вимірювання напруги на ділянці кола?
- Як за допомогою вольтметра виміряти напругу на полюсах джерела струму?
- Якою має бути сила струму, що проходить через вольтметр, в порівнянні з силою струму в ланцюзі?
- Що приймають за одиницю напруги?
- Яка напруга використовують в освітлювальної мережі?
- Чому дорівнює напруга на полюсах сухого елемента і кислотного акумулятора?
- Які одиниці напруги, крім вольта, застосовують на практиці?
- Опишіть досвід, який доводить, що робота струму залежить не тільки від сили струму, але і від напруги.
- Що таке електрична напруга?
- Як можна визначити його через роботу струму і електричний заряд?
До заняття прикріплений файл «Це цікаво!». Ви можете завантажити файл в будь-який зручний для вас час.