Від чого залежить напруга струму. Напруга струму – важливе поняття електротехніки

Одна з найбільш часто вживаних характеристик електротехніки - це електрична напруга, або просто кажуть - напруга. Дуже часто навіть у досвідчених в електротехніці фахівців важко пояснити, що є ця сама напруга. Таке явище цілком зрозуміле тим, що для практичних потреб обслуговування електроустаткування не потрібно глибокого розуміння суті напруги, достатньо знань напруги в межах розуміння.

Тоді постає питання. У якому разі та за яких обставин необхідне глибоке розуміння того, в чому суть електричної напруги? Насамперед це необхідно для розуміння природи (фізики) електрики, а також для розробки нових електротехнічних пристроїв та створення нових електротехнічних матеріалів. З іншого боку, поглиблене розуміння напруги сприяє самопізнанню.

Думковий експеримент із плоским конденсатором

Щоб перейти до пояснення суті електричної напруги потрібно розуміти, що таке , і .

Крім силових ліній в описі поля присутні ще й еквіпотенційні лінії, а отже є ще одна така характеристика як . Уявіть картину рівномірно розподілених силових ліній електричного поля, які перетинають еквіпотенційні лінії, причому кожна така лінія матиме значення потенціалу поля. Для такого уявлення зручно використовувати картину електричного поля плоского конденсатора, який має дві обкладки та повністю заряджений до деякого максимального значення. На такому конденсаторі буде індуковано електричний заряда простір між обкладками нехай буде наповнений газоподібним діелектриком, наприклад, повітрям. Кожна обкладка конденсатора має кілька зарядів. Q. Так як обкладки конденсатора виконані з металу, в якому носієм зарядів є негативного типу заряди - електрони, то на одній обкладці буде надлишок електронів, а на інший недолік. Таким чином можна позначити одну обкладку як +Q, а іншу як -Q, і силові лініїелектричного поля будуть направлені згідно з правилами від +Qдо -Q. У результаті ми отримаємо картину, наведену на малюнку нижче.

Давайте приймемо, що розмір такого конденсатора більший за людський зріст у кілька разів, нехай обкладки являтимуть собою стіни двох великих. високих будівель, які обклеїли металевими листами звареними разом у єдиний лист. Ви можете вільно переміщатися всередині такого конденсатора від однієї обкладки до іншої у будь-якому напрямку. Подумки можна уявити, що там де зображені силові лінії, хтось закріпив балки із сухого дерева, а на місцях еквіпотенційних ліній встановлені сходи з того самого матеріалу. У результаті ви можете вільно переміщатися в такому просторі всередині конденсатора. Якщо у вас вистачить сили уяви, ви зможете уявити таку конструкцію без проблем. Розмір може бути будь-який, але за умови, що протяжність та висота обкладок у багато разів більша за відстань між обкладками.

Електричне поле повністю зарядженого конденсатора у разі буде статичним, тобто незмінним у часі, його характеристики не змінюються з часом. Що ми маємо? У нас є дві обкладки, які мають деяку кількість заряду рівної величини, але протилежного знака. Ці обкладки будуть притягуватися один до одного відповідно, але ця електрична сила скомпенсована тим, що обкладки міцно закріплені на стінах уявних будівель. Картина електричного поля такого конденсатора представлена ​​силовими та еквіпотенційними лініями, які позначені такими матеріальними предметами як дерев'яні балкита сходи. Ви можете вільно подорожувати всередині такого конденсатора та виконувати необхідні вимірювання. Ні про яке, а тим більше про силу струму не йдеться, тому що немає вільних носіїв заряду.

Досвідчений електрик може поцікавитись, а яка напруга буде на такому конденсаторі? Це закономірне і справедливе питання, але нам слід розібратися, що таке це саме. напруга. Тут нам слід згадати про пробному зарядіякий використовувався для пояснення напруженості електричного поля. Припустимо, що такий заряд з'явився і може вільно переміщатися у просторі між обкладками конденсатора. Що це може бути? Уявіть, що ви є тим самим пробним зарядомі відчуваєте на собі дальнодія електричних сил. Зрозуміло, в реального життятаке малоймовірне, але в нашому уявному експерименті таке цілком допустиме.

Фізична робота пробного заряду в електричному полі

Отже, ви перетворилися на пробний електричний заряд qу багато разів менший за заряд Qна обкладинках конденсатора і почали свою подорож між обкладинками конденсатора. При цьому ви відчуватимете дію. Припустимо, що ви є негативно зарядженою частинкою подібно до електрона, тоді вас буде притягувати у бік обкладки. +Q, і вас відштовхуватиме від обкладки із зарядом -Q. Чим ближче ви будете до однієї з обкладок, тим сильніше ви відчуватимете її силову дію.

Припустимо, що ви увійшли до конденсатора з боку обкладки -Qі вас тут же почало відштовхувати від неї у бік обкладинки +Q. Ви не стали чинити опір такому впливу і вирішили не чинити опір природі і рухатися в повній згоді з потягом. Для цих цілей якраз зручно розташовані балки та сходи, якими ви можете вільно дістатися до обкладки +Qбудь-яким маршрутом. Так як на вас діють електрична кулонівська сила, то ви починаєте вільно набирати швидкість, наче вас несе вітром. У результаті ви подолали відстань по балці від одного сходу до іншого в напрямку від точки Aдо точки B (дивіться малюнок вище). Сходи - це еквіпотенційні лінії, і, відповідно, ви подолали відстань від одного значення потенціалу до іншого. У нашому випадку ви рухалися від того потенціалу, який вам більший за величиною, до того, що менше. Якщо б ви були зарядом іншого знака, тобто +qтоді потенціали змінили б свої знаки і більший став би меншим, а менший більшим. Математично це означає множення потенціалів на -1 .

На вас діяла сила і ви перемістилися з точки Aв точку B, тобто ви рухалися від потенціалу φ a(більшого) до потенціалу φ b(Меншому). Це подібно до того, як би ви пливли по течії річки на плоту, коли вам не потрібно веслувати і не потрібно мотора для руху. Можна сказати, що вами досконала механічна роботаяка обчислюється як добуток сили на відстань. Здійснивши таке переміщення, ви втратили частину потенційної енергії, яка перейшла в кінетичну (швидкість вашого руху), а потім виділилася, ймовірно, у вигляді тепла при гальмуванні. Пройшовши зворотний шлях з точки Bв точку A, ви рухатиметеся як би проти течії, вам доведеться витратити енергію, веслувати, використовувати мотор і т. п. Перемістившись назад ви збільшите свою потенційну енергію, тому як переміститеся в точку з великим потенціалом і ваш енергетичний стан збільшиться.

Різниця цих двох потенціалів φ aі φ bі буде електричною напругою. Це рівнозначні поняття, але у практичній електротехніці найчастіше вживають вираз не , а напруга. При розгляді електричних ланцюгів використовують такий вираз як падіння напруги на ділянці ланцюга, а для джерел електрика та сама різниця потенціалів визначається як електрорушійна сила(ЕРС).

Різниця потенціалів Δφ=φ 1 -φ 2завжди показує яку роботу Aможе зробити носій заряду qпри переміщенні цього заряду з точки з одним потенціалом φ 1в точку з іншим потенціалом φ 2. При обчисленні треба мати на увазі, що потенціали можуть бути як зі знаком плюс, так і зі знаком мінус.

Якщо заряду для такого переміщення потрібно витратити енергію, а отже, збільшити свій потенціал, то тоді робота Абуде зі знаком (-), а якщо носій заряду переміщається з області високого потенціалу в область з низьким потенціалом, тоді відбувається виділення енергії та робота Абуде зі знаком (+). Таким чином електрична напруга- це енергетична характеристика електричного поля і є Δφ . Це означає, що неправильно стверджувати, що напруга - це потенціал. Електрична напруга- це завжди різниця потенціалів і вона можлива лише між двома точками електричного поля. Якщо є одна точка в просторі електричного поля, тоді доречно говорити тільки про потенціал цієї точки, але ні про її напругу.

Тобто електричне полеповинно було «протягнути» електрони через навантаження, і енергія, яка при цьому витратилася, характеризується величиною, яка називається електричною напругою. Ця ж енергія витратилася на зміну стану речовини навантаження. Енергія, як ми знаємо, не пропадає в нікуди і не з'являється звідки. Про це говорить Закон збереження енергії. Тобто, якщо струм витратив енергію на проходження через навантаження, цю енергію набуло навантаження і, наприклад, нагрілося.

Тобто, приходимо до визначення: напруга електричного струму- Це величина, що показує, яку роботу здійснило поле при переміщенні заряду від однієї точки до іншої. Напруга в різних ділянках ланцюга буде різною. Напруга на ділянці порожнього дроту буде зовсім невеликою, а напруга на ділянці з будь-яким навантаженням буде набагато більшою, і величина напруги залежатиме від величини роботи, виробленої струмом. Вимірюють напругу у вольтах (1). Для визначення напруги існує формула:

де U - напруга, A – робота, досконала струмом по переміщенню заряду q якийсь ділянку ланцюга.

Напруга на полюсах джерела струму

Щодо напруги на ділянці ланцюга – все зрозуміло. А що тоді означає напруга на полюсах джерела струму? У цьому випадку ця напруга означає потенційну величину енергії, яку джерело може надати струму. Це як тиск води у трубах. Ця величина енергії, яка буде витрачена, якщо до джерела підключити деяке навантаження. Тому, що більше напруга в джерела струму, то більшу роботу може здійснити струм.

2) Діелектрики в електричному полі

На відміну від провідників, діелектрики не мають вільних зарядів. Всі заряди є

пов'язаними: електрони належать своїм атомам, а іони твердих діелектриків коливаються

поблизу вузлів кристалічних ґрат.

Відповідно, при приміщенні діелектрика в електричне поле не виникає спрямованого руху зарядів

Тому для діелектриків не проходять наші докази властивостей

провідників - всі ці міркування спиралися можливість появи струму. І справді, жодна з чотирьох властивостей провідників, сформульованих у попередній статті,

не розповсюджується на діелектрики.

2. Об'ємна щільність заряду в діелектриці може бути відмінною від нуля.

3. Лінії напруженості можуть бути не перпендикулярні поверхні діелектрика.

4. Різні точки діелектрика можуть мати різний потенціал. Отже, говорити про

«Потенціал діелектрика» не доводиться.

Поляризація діелектриків- явище, пов'язане з обмеженим зміщенням пов'язаних зарядів у діелектриці або поворотом електричних диполів, зазвичай під впливом зовнішнього електричного поля, іноді під дією інших зовнішніх сил чи спонтанно.

Поляризацію діелектриків характеризує вектор електричної поляризації. Фізичний зміст вектора електричної поляризації - це дипольний момент, віднесений до одиниці обсягу діелектрика. Іноді вектор поляризації коротко називають просто поляризацією.

Вектор поляризації застосовується для опису макроскопічного стану поляризації не тільки звичайних діелектриків, а й сегнетоелектриків, і, в принципі, будь-яких середовищ, що мають подібні властивості. Він застосовується як для описи індукованої поляризації, а й спонтанної поляризації (у сегнетоэлектриков).

Поляризація - стан діелектрика, що характеризується наявністю електричного дипольного моменту у будь-якого (чи майже будь-якого) елемента його обсягу.

Розрізняють поляризацію, наведену в діелектриці під дією зовнішнього електричного поля, і спонтанну (самовільну) поляризацію, яка виникає в сегнетоелектриках без зовнішнього поля. У деяких випадках поляризація діелектрика (сегнетоелектрика) відбувається під дією механічної напруги, сил тертя або внаслідок зміни температури.

Поляризація не змінює сумарного заряду будь-якому макроскопічному обсязі всередині однорідного діелектрика. Однак вона супроводжується появою на поверхні пов'язаних електричних зарядів з деякою поверхневою щільністю σ. Ці пов'язані заряди створюють у діелектриці додаткове макроскопічне поле з напруженістю, спрямоване проти зовнішнього поля з напруженістю. В результаті напруженість поля всередині діелектрика виражатиметься рівністю:

Залежно від механізму поляризації, поляризацію діелектриків можна поділити на такі типи:

Електронна - усунення електронних оболонок атомів під впливом зовнішнього електричного поля. Найшвидша поляризація (до 10 -15 с). Не пов'язана із втратами.

Іонна - усунення вузлів кристалічної структури під впливом зовнішнього електричного поля, причому зміщення на величину, меншу, ніж величина постійної решітки. Час протікання 10-13 с, без втрат.

Дипольна (орієнтаційна) - протікає із втратами на подолання сил зв'язку та внутрішнього тертя. Пов'язана з орієнтацією диполів у зовнішньому електричному полі.

Електронно-релаксаційна – орієнтація дефектних електронів у зовнішньому електричному полі.

Іонно-релаксаційна - усунення іонів, слабо закріплених у вузлах кристалічної структури, або що знаходяться в міжвузлі.

Структурна - орієнтація домішок та неоднорідних макроскопічних включень у діелектриці. Найповільніший тип.

Мимовільна (спонтанна) - завдяки цьому типу поляризації у діелектриків, у яких він спостерігається, поляризація виявляє суттєво нелінійні властивості навіть за малих значень зовнішнього поля, спостерігається явище гістерезису. Такі діелектрики (сегнетоелектрики) відрізняються дуже високими значеннями діелектричної проникності (від 900 до 7500 деяких видів конденсаторної кераміки). Введення спонтанної поляризації, як правило, збільшує тангенс кута втрат матеріалу (до 10 -2)

Резонансна – орієнтація частинок, власні частоти яких збігаються із частотами зовнішнього електричного поля.

Міграційна поляризація обумовлена ​​наявністю в матеріалі шарів з різною провідністю, утворенню об'ємних зарядів, особливо при високих градієнтах напруги, має великі втрати та є поляризацією уповільненої дії.

Поляризація діелектриків (за винятком резонансної) максимальна у статичних електричних полях. У змінних полях у зв'язку з наявністю інерції електронів, іонів та електричних диполів вектор електричної поляризації залежить від частоти.

Електрика - найбільш використовується людиною вид енергії. Без перебільшення можна сказати, що визначення електричного струму як упорядкованого руху електронів добре відоме ще зі шкільного підручника фізики. Але струму і яким чином забезпечується цей «упорядкований рух», відповість далеко не кожен. Згадаймо, що електрон, елементарний сам собою по провіднику не рухається. З іншого боку, тільки рух зарядів ланцюгом супроводжується виконанням корисної роботи у вигляді перетворення енергії з одного виду в інший. Саме завдяки цим перетворенням електричний струмв одних випадках розжарює нитку лампочки, а в інших – обертає ротор електродвигуна. У першому випадку маємо перетворення на теплову, а в другому - на магнітну. Енергія зарядів, що рухаються, витрачається за рахунок джерела, яке підтримує електричний струм у ланцюгу. Протікаючи по провіднику, струм переносить енергію джерела ЕРС споживача - нитки розжарення, обмоток електродвигуна тощо.

Якщо визначити струм як кількість зарядів, що протікають по провіднику, можна сказати, що робота струму залежить від кількості цих зарядів в одиницю часу. А від чого залежить електричний струм у ланцюзі? Розглянемо модель протікання струму на прикладі водяного струменя, що випливає з отвору в нижній частині циліндра, заповненого догори. Уявимо, що в нашій моделі циліндр – це провідник, а вода – це велике числокрапельок-електронів. Тоді цілком ясно, що кількість води, що витікає за одиницю часу, залежить від двох параметрів - тиску стовпа води, яке в електричних ланцюгах іменується як напруга струму, і діаметра отвору - аналога Висота водяного стовпа в даній моделі визначає верхній потенціал джерела енергії, крапельки-заряди схожі на потік електронів, що переміщуються від верхнього шару до нижнього. водяної маси, тобто. здатність виконати деяку корисну роботу, на верхньому та нижньому рівнях різна. Завдяки наявності різниці потенціалів вода може випливати з отвору та з перетворенням потенційної енергії стовпа води на кінетичну енергію струменя води. Якщо висоту водяного стовпа збільшувати, то різниця потенціалів, або напруга струму, збільшується, і сила струму, точніше, маса води, що витікає в одиницю часу, також зростає. Таким чином, запропонована модель показує прямо пропорційну залежність сили струму від напруги.

Теоретично електрики цей висновок записується так: I = f(U)* K, де I - струм, U - напруга, а K - індивідуальна характеристикареакції електричного ланцюга на струм, що проходить - провідність. У техніці зазвичай застосовують величину, зворотну провідності R = 1/K і називається вона «опір». Опір зазвичай сприймається як корисне навантаження ланцюга. У нашій моделі таким «опіром» виступає площа отвору для зливу води: чим вона більша, тим більша її прохідність, або, говорячи мовою електротехніки, провідність, а значить, опір потоку води зменшується.

На моделі наочно видно, як потенційна енергія потоку крапельок-зарядів перетворюється на кінетичну енергію струменя. Чим менший опір (або більша провідність), тим більша механічна робота виконується над масою води. Інакше кажучи, корисні навантаження різних видів- це перетворювачі струму, наприклад, нитка розжарювання перетворює електричну енергіюв теплову та світлову, котушка реле перетворює електричну енергію на магнітну і т.д.

повертаючись до електричним ланцюгамможна зробити висновок, що сила струму I і напруга струму U є електричними параметрами, Визначальними роботу струму А (А = U * I).

При цьому сила струму визначається кількістю перенесеного заряду, а напруга є та причина, яка змушує електрони «упорядковано» переміщатися від більшого потенціалу до меншого. Якщо напруга струму відсутня, то жодна кількість вільних електронів у речовині не призведе до руху зарядів. Це означає, що відсутність напруги струму не призводить до передачі енергії.

Хорошою демонстрацією отриманих висновків є гідроелектростанції: їх будують із використанням великого перепаду рівнів (потенціалів) води. Тут маса падаючої води подібна до струму, а різниця рівнів верхнього та нижнього б'єфів відіграє роль перепаду потенціалів.