- Загальні відомості
- електричний потенціал
- напруга
- характеристики напруги
- Вимірювання напруги
- Засоби вимірювання напруги
- Вимірювання напруги осциллографом
- експеримент №1
- експеримент №2
- Техніка безпеки при вимірі напруги
Наши партнеры ArtmMisto
плазмова лампа
Загальні відомості
електричний потенціал
напруга
характеристики напруги
Вимірювання напруги
Засоби вимірювання напруги
Вимірювання напруги осциллографом
експеримент №1
експеримент №2
Техніка безпеки при вимірі напруги
Загальні відомості
Піднімаючись в гору, ми здійснюємо роботу проти сили тяжіння
Оскільки ми живемо в епоху електрики, багатьом нам з дитинства знайоме поняття електричної напруги: адже ми часом, досліджуючи навколишню дійсність, отримували від нього чималий шок, засунувши потайки від батьків пару пальців до розетки електричних пристроїв. Оскільки ви читаєте цю статтю, нічого особливо страшного з вами не сталося - важко жити в епоху електрики і не познайомиться з ним у близьких стосунках. З поняттям електричного потенціалу справа дещо складніша.
Будучи математичною абстракцією, електричний потенціал найкраще за аналогією описується дією гравітації - математичні формули абсолютно схожі, за винятком того, що не існують негативні гравітаційні заряди, так як маса завжди позитивна і в той же час електричні заряди бувають як позитивними, так і негативними; електричні заряди можуть як притягатися, так і відштовхуватися. В результаті ж дії гравітаційних сил тіла можуть тільки притягатися, але не можуть відштовхуватися. Якби ми змогли розібратися з негативною масою, ми б оволоділи антигравітацією.
Але варто тільки відштовхнутися ...
Поняття електричного потенціалу відіграє важливу роль в описі явищ, пов'язаних з електрикою. Коротенько поняття електричного потенціалу описує взаємодію різних за знаком або однакових за знаком зарядів або груп таких зарядів.
Зі шкільного курсу фізики і з повсякденного досвіду, ми знаємо, що піднімаючись в гору, ми долаємо силу тяжіння Землі і, тим самим, робимо роботу проти сил тяжіння, що діють в потенційному гравітаційному полі. Оскільки ми володіємо деякою масою, Земля намагається знизити наш потенціал - стягнути нас вниз, що ми з задоволенням дозволяємо їй, стрімко катаючись на гірських лижах і сноубордах. Аналогічно, електричне потенційне поле намагається зблизити різнойменні заряди і відштовхнути однойменні.
Звідси випливає висновок, що кожне електрично заряджене тіло намагається знизити свій потенціал, наблизившись якомога ближче до потужного джерела електричного поля протилежного знака, якщо ніякі сили цьому не перешкоджають. У разі однойменних зарядів кожне електрично заряджене тіло намагається знизити свій потенціал, віддалившись якнайдалі від потужного джерела електричного поля однакового знака, якщо ніякі сили цьому не перешкоджають. А якщо вони перешкоджають, то потенціал не змінюється - поки ви стоїте на рівному місці на вершині гори, сила гравітаційного тяжіння Землі компенсується реакцією опори і вас ніщо не тягне вниз, тільки ваша вага тисне на лижі. Але варто тільки відштовхнутися ...
Аналогічно і поле, створюване якимось зарядом, діє на будь-який заряд, створюючи потенціал для його механічного переміщення до себе або від себе в залежності від знака заряду взаємодіючих тіл.
«Сізіф», Тіціан, Музей Прадо, Мадрид, Іспанія
електричний потенціал
Заряд, внесений в електричне поле, має певний запас енергії, т. Е. Здатністю здійснювати роботу. Для характеристики енергії, запасеної в кожній точці електричного поля, і введено спеціальне поняття - електричний потенціал. Потенціал електричного поля в даній точці дорівнює роботі, яку можуть зробити сили цього поля при переміщенні одиниці позитивного заряду з цієї точки за межі поля.
Повертаючись до аналогії з гравітаційним полем, можна виявити, що поняття електричного потенціалу схоже на поняття рівня різних точок земної поверхні. Тобто, як ми розглянемо нижче, робота з підняття тіла над рівнем моря залежить від того, як високо ми піднімаємо це тіло, і аналогічно, робота по віддаленню одного заряду від іншого залежить від того, наскільки далеко будуть ці заряди.
Уявімо собі героя давньогрецького світу Сізіфа. За його гріхи в земному житті боги засудили Сізіфа виконувати важку безглузду роботу в загробному житті, вкативая величезний камінь на вершину гори. Очевидно, що для підйому каменю на половину гори, Сізіфові потрібно затратити вдвічі меншу роботу, ніж для підйому каменю на вершину. Далі камінь, волею богів, скочувався з гори, здійснюючи при цьому деяку роботу. Природно, камінь, піднятий на вершину гори висотою Н (рівень Н), при спуску зможе зробити велику роботу, ніж камінь, піднятий на рівень Н / 2. Прийнято вважати рівень моря нульовим рівнем, від якого і починається відлік висоти.
За аналогією, електричний потенціал земної поверхні вважається нульовим потенціалом, тобто
де φEarth - позначення електричного потенціалу Землі, що є скалярною величиною (φ - буква грецького алфавіту і читається як «фе»).
Ця величина кількісно характеризує здатність поля зробити роботу (W) по переміщенню якогось заряду (q) з даної точки поля в іншу точку:
В системі СІ одиницею вимірювання електричного потенціалу є вольт (В).
Відвідувачі Канадського музею науки і техніки обертають велике біляче колесо, яке обертає генератор, який живить трансформатор Тесла (на малюнку праворуч), який, в свою чергу, створює високу напругу в кілька десятків тисяч вольт, достатню для пробою повітря
напруга
Одне з визначень електричної напруги описує його як різниця електричних потенціалів, що визначається формулою:
Поняття напруга ввів німецький фізик Георг Ом в роботі 1827 року, в якій пропонувалася гідродинамічна модель електричного струму для пояснення відкритого їм в 1826 р емпіричного закону Ома:
Трансформатор Тесла в Канадському музеї науки і техніки
де V - це різниця потенціалів, I - електричний струм, а R - опір.
Інше визначення електричної напруги представляється як відношення роботи поля по пересуванню заряду в провіднику до величини заряду.
Для цього визначення математичний вираз для напруги описується формулою:
Напруга, як і електричний потенціал, вимірюється в вольтах (В) і його десяткових кратних і часткових одиницях - мікровольтах (мільйонна частка вольта, мкВ), мілівольтах (тисячна частка вольта, мВ), кіловольтах (тисячах вольт, кВ) і МегаВольт (мільйонах вольт, МВ).
Напругою в 1 В вважається напруга електричного поля, що здійснює роботу в 1 Дж по переміщенню заряду в 1 Кл. Розмірність напруги в системі СІ визначається як
Напруга може створюватися різними джерелами: біологічними об'єктами, технічними пристроями і навіть процесами, що відбуваються в атмосфері.
Бічна лінія акули
Елементарною клітинкою будь-якого біологічного об'єкта є клітина, яка з точки зору електрики являє собою електрохімічний генератор малої напруги. Деякі органи живих істот, на кшталт серця, є сукупністю клітин, виробляють більш високу напругу. Цікаво, що найдосконаліші хижаки наших морів і океанів - акули різних видів - мають надчутливий датчиком напруги, званим органом бічної лінії, і що дозволяє їм безпомилково виявляти свою здобич по биттю серця. Окремо, мабуть, варто згадати про електричні схилах і вуграх, що виробили в процесі еволюції для ураження здобичі і відбиття нападу на себе здатність створювати напругу понад 1000 В!
Хоча люди генерували електрику, і, тим самим, створювали різницю потенціалів (напруга) тертям шматочка бурштину про шерсть з давніх часів, історично першим технічним генератором напруги з'явився гальванічний елемент. Він був винайдений італійським вченим і лікарем Луїджі Гальвані, який виявив явище виникнення різниці потенціалів при контакті різних видів металу і електроліту. Подальшим розвитком цієї ідеї займався інший італійський фізик Алессандро Вольта. Вольта вперше помістив пластини з цинку і міді в кислоту, щоб отримати безперервний електричний струм, створивши перший в світі хімічний джерело струму. Поєднавши кілька таких джерел послідовно, він створив хімічну батарею, так званий «Вольтів стовп», завдяки якій стало можливим отримувати електрику за допомогою хімічних реакцій.
Вольтів стовп - копія, зроблена електриком з Музею Алессандро Вольта в Комо, Італія. Канадський музей науки і техніки в Оттаві
Через заслуг в створення надійних електрохімічних джерел напруги, співслужили чималу роль в справі подальших дослідження електрофізичних і електрохімічних явищ, ім'ям Вольта названа одиниця вимірювання електричної напруги - Вольт.
Серед творців генераторів напруги необхідно відзначити голландського фізика Ван дер Грааф, який створив генератор високої напруги, в основі якого лежить давня ідея поділу зарядів за допомогою тертя - згадаємо бурштин!
Батьками сучасних генераторів напруги були два чудових американських винахідника - Томас Едісон і Нікола Тесла. Останній був співробітником в фірмі Едісона, але два генія електротехніки розійшлися в поглядах на способи генерації електричної енергії. В результаті подальшої патентної війни виграло все людство - оборотні машини Едісона знайшли свою нішу у вигляді генераторів і двигунів постійного струму, що обчислюються мільярдами пристроїв - достатньо просто заглянути під капот свого автомобіля або просто натиснути кнопку стеклопод'емника або включити блендер; а способи створення змінної напруги у вигляді генераторів змінного струму, пристроїв для його перетворення в вигляді трансформаторів напруги та ліній передач на великі відстані і незліченних пристроїв для його застосування по праву належать Теслі. Їх число нітрохи не поступається числу пристроїв Едісона - на принципах Тесла працюють вентилятори, холодильники, кондиціонери і пилососи, і маса інших корисних пристроїв, опис яких виходить за рамки цієї статті.
Цей що знаходиться в Канадському музеї науки і техніки в Оттаві мотор-генератор, виготовлений компанією Westinghouse в 1904 р, використовувався в якості надійного джерела живлення для створення магнітного поля збудника на гідроелектростанції в Ніагара-Фоллс, шт. Нью Йорк. Будівництвом електростанції керували Нікола Тесла і Джордж Вестінгауз
Безумовно, вченими пізніше були створені й інші генератори напруги на інших принципах, в тому числі і на використанні енергії ядерного розпаду. Вони покликані служити джерелом електричної енергії для космічних посланців людства в дальній космос.
Але найпотужнішим джерелом електричної напруги на Землі, не рахуючи окремих наукових установок, до сих пір залишаються природні атмосферні процеси.
Щомиті на Землі гуркочуть понад 2 тисяч гроз, тобто, одночасно працюють десятки тисяч природних генераторів Ван дер Грааф, створюючи напруги в сотні кіловольт, разряжаясь струмом в десятки кілоампер у вигляді блискавок. Але, як не дивно, міць земних генераторів не йде ні в яке порівняння з потужністю електричних бур, що відбуваються на сестрі Землі - Венері - не кажучи вже про величезні планетах на кшталт Юпітера і Сатурна.
характеристики напруги
Напруга характеризується своєю величиною і формою. Щодо його поведінки з плином часу розрізняють постійну напругу (що не змінюється з плином часу), апериодическое напруга (змінюється з часом) і змінну напругу (змінюється з часом за певним законом і, як правило, повторює сам себе через певний проміжок часу). Іноді для вирішення певних цілей потрібно одночасне наявність постійного і змінного напруг. У такому випадку говорять про напругу змінного струму з постійною складовою.
Таким вольтметром вимірювали напругу на початку XX століття. Канадський музей науки і техніки в Оттаві
В електротехніці генератори постійного струму (динамо-машини) використовуються для створення відносно стабільного напруги великої потужності, в електроніці застосовуються прецизійні джерела постійної напруги на електронних компонентах, які називаються стабілізаторами.
Вимірювання напруги
Вимірювання величини напруги грає велику роль в фундаментальних фізики і хімії, прикладних електротехніці і електрохімії, електроніці та медицині і в багатьох інших галузях науки і техніки. Мабуть, важко знайти галузі людської діяльності, виключаючи творчі напрямки начебто архітектури, музики чи живопису, де за допомогою вимірювання напруги не здійснювався б контроль над процесами, що відбуваються за допомогою різного роду датчиків, які є по суті справи перетворювачами фізичних величин в напругу. Хоча варто зауважити, що в наш час і ці види людської діяльності не обходяться без електрики взагалі і без напруги зокрема. Художники використовують планшети, в яких вимірюється напруга ємнісних датчиків, коли над ними переміщається перо. Композитори грають на електронних інструментах, в яких вимірюється напруга на датчиках клавіш і в залежності від нього визначається наскільки сильно натиснута та чи інша клавіша. Архітектори використовують AutoCAD та планшети, в яких теж вимірюється напруга, які перетвориться в числову форму і обробляється комп'ютером.
У кухонному термометрі (зліва) температура м'яса визначається за допомогою вимірювання напруги на резистивном датчику температури, через який пропускають невеликий струм. У мультиметри (праворуч) температура визначається шляхом вимірювання напруги безпосередньо на термопарі
Вимірювані величини напруги можуть змінюватися в широких межах: від часток мікровольта при дослідженнях біологічних процесів, до сотень вольт в побутових і промислових пристроях і приладах і до десятків мільйонів вольт в надпотужних прискорювачах елементарних частинок. Вимірювання напруги дозволяє нам контролювати стан окремих органів людського організму за допомогою зняття енцефалограм мозкової діяльності. Електрокардіограми і Ехокардіограма дають інформацію про стан серцевого м'яза. За допомогою різних промислових датчиків ми успішно, а, головне, безпечно, контролюємо процеси хімічних виробництв, часом відбуваються при позамежних тисках і температурах. І навіть ядерні процеси атомних станцій піддаються контролю за допомогою вимірювання тиску. За допомогою вимірювання напруги інженери контролюють стан мостів, будівель і споруд і навіть протистоять такої грізної природного силі як землетруси.
Пульсоксиметр, як і вольтметр, вимірює напругу на виході пристрою, що підсилює сигнал з фотодіода або фототранзистор. Однак, на відміну від вольтметра, тут на дисплеї ми бачимо не значення напруги в вольтах, а відсоток насичення гемоглобіну киснем (97%).
Блискуча ідея зв'язати різні значення рівнів напруги зі значеннями стану одиниць інформації дало поштовх до створення сучасних цифрових пристроїв і технологій. В обчислювальній техніці низький рівень напруги трактується як логічний нуль (0), а високий рівень напруги - як логічна одиниця (1).
По суті справи, всі сучасні пристрої обчислювальної техніки є в тій чи іншій мірі компараторами (вимірювачами) напруги, перетворюючи свої вхідні стану за певними алгоритмами у вихідні сигнали.
Крім усього іншого, точні вимірювання напруги лежать в основі багатьох сучасних стандартів, виконання яких гарантує їх абсолютне дотримання і, тим самим, безпеку застосування.
Плата пам'яті, яка використовується в персональних комп'ютера, містить десятки тисяч логічних вентилів
Засоби вимірювання напруги
В ході вивчення і пізнання навколишнього світу, способи і засоби вимірювання напруги значно еволюціонували від примітивних органолептичних методів - російський вчений Петров зрізав частину епітелію на пальцях, щоб підвищити чутливість до дії електричного струму - до найпростіших індикаторів напруги і сучасних приладів різноманітних конструкцій на основі електродинамічних і електричних властивостей різних речовин.
Смак електрики. Колись, дуже давно, якщо не було вольтметра, ми визначали напругу мовою!
До слова сказати, початківці радіоаматори легко відрізняли «робочу» плоску батарейку на 4,5 В від «підсіла» без будь-яких приладів через їх повної відсутності, просто лизнувши її електроди. Протікали при цьому електрохімічні процеси давали відчуття певного смаку і легкого печіння. Окремі видатні особистості бралися визначати таким способом придатність батарейок навіть на 9 В, що вимагало чималої витримки і мужності!
Прикладом найпростішого індикатора - пробника напруги - може служити звичайна лампа розжарювання з робочою напругою не нижче напруги мережі. У продажу є прості пробники напруги на неонових лампах і світлодіодах, які споживають малі струми. Обережно, використання саморобних конструкцій може бути небезпечним для вашого життя!
Необхідно відзначити, що прилади для вимірювання напруги (вольтметри) вельми відрізняються один від одного в першу чергу по типу вимірюваної напруги - це можуть бути прилади постійного або змінного струму. Взагалі, в вимірювальної практиці важливо поведінку вимірюваної напруги - воно може бути функцією часу і мати різну форму - бути постійним, гармонійним, негармонійним, імпульсним і так далі, і його величиною прийнято характеризувати режими робіт електротехнічних ланцюгів і пристроїв (слабкострумові і силові).
Розрізняють такі значення напруги:
- миттєве,
- амплітудне,
- середнє,
- середньоквадратичне (діюче).
Миттєве значення напруги Ui (див. Малюнок) - це значення напруги в певний момент часу. Його можна спостерігати на екрані осцилографа і визначати для кожного моменту часу по осциллограмме.
Амплітудне (пікове) значення напруги Ua - це найбільше миттєве значення напруги за період. Розмах напруги Up-p - величина, що дорівнює різниці між найбільшим і найменшим значеннями напруги за період.
Середнє квадратичне (діюча) значення напруги Urms визначається як корінь квадратний із середнього за період квадрата миттєвих значень напруги.
Всі стрілочні і цифрові вольтметри зазвичай градуюються в середньоквадратичних значеннях напруги.
Середнє значення (постійна складова) напруги - це середнє арифметичне всіх його миттєвих значень за час вимірювання.
Середньовипрямлене напруга визначається як середнє арифметичне абсолютних миттєвих значень за період.
Різниця між максимальним і мінімальним значеннями напруги сигналу називають розмахом сигналу.
Зараз, в основному, для вимірювання напруги використовуються як багатофункціональні цифрові прилади, так і осцилографи - на їх екранах відображається не тільки форма напруги, а й суттєві характеристики сигналу. До таких характеристик відноситься і частота зміни періодичних сигналів, тому в техніці вимірювань важливий частотний межа вимірювань приладу.
Вимірювання напруги осциллографом
Ілюстрацією до вищесказаного буде серія дослідів з вимірювання напруг з використанням генератора сигналів, джерела постійної напруги, осцилографа і багатофункціонального цифрового приладу (мультиметра).
експеримент №1
Загальна схема експерименту №1 представлена нижче:
Генератор сигналів навантажений на опір навантаження R1 в 1 кОм, паралельно опору підключені вимірювальні кінці осцилографа і мультиметра. При проведенні дослідів врахуємо ту обставину, що робоча частота осцилографа значно вище робочої частоти мультиметра.
Досвід 1: Подамо на опір навантаження сигнал синусоїдальної форми з генератора частотою 60 герц і амплітудою 4 вольт. На екрані осцилографа будемо спостерігати зображення, показане нижче. Відзначимо, що ціна поділки масштабної сітки екрану осцилографа по вертикальній осі 2 В. Мультиметр і осцилограф при цьому покажуть середньоквадратичне значення напруга 1,36 В.
Досвід 2: Збільшимо сигнал від генератора вдвічі, розмах зображення на осцилографі зросте рівно вдвічі і мультиметр покаже подвоєне значення напруги:
Досвід 3: Збільшимо частоту генератора в 100 разів (6 кГц), при цьому частота сигналу на осцилографі зміниться, але розмах і середньоквадратичне значення залишаться колишніми, а показання мультиметра стануть неправильними - позначається допустимий робочий частотний діапазон мультиметра 0-400 Гц:
Досвід 4: Повернемося до вихідної частоті 60 Гц і напрузі генератора сигналів 4 В, але змінимо форму його сигналу з синусоїдальної на трикутну. Розмах зображення на осцилографі залишився колишнім, а показання мультиметра зменшилися в порівнянні зі значенням напруги, яке він показував в досвіді №1, так як змінилося чинне напруга сигналу:
експеримент №2
Схема експерименту №2, аналогічна схемі експерименту 1.
Ручкою зміни напруги зсуву на генераторі сигналів додамо зміщення 1 В. На генераторі сигналів встановимо синусоїдальна напруга з розмахом 4 В з частотою 60 Гц - як і в експерименті №1. Сигнал на осцилографі підніметься на половину великого поділу, а мультиметр покаже середньоквадратичне значення 1,33 В. Осцилограф покаже зображення, подібне зображення з досвіду 1 експерименту №1, але підняте половину великого поділу. Мультиметр покаже майже таке ж напруга, як було в досвіді 1 експерименту №1, так як у нього закритий вхід, а осцилограф з відкритим входом покаже збільшене діюче значення суми постійного і змінного напруг, яке більше діючого значення напруги без постійної складової:
Техніка безпеки при вимірі напруги
Оскільки в залежності від класу безпеки приміщення і його стану навіть відносно невисокі напруги рівня 12-36 В можуть становити небезпеку для життя, необхідно виконувати наступні правила:
- Чи не проводити вимірювання напруги, що вимагають певних професійних навичок (понад 1000 В).
- Не проводити вимірювання тиску в важкодоступних місцях або на висоті.
- При вимірі напруг у побутовій мережі застосовувати спеціальні засоби захисту від ураження електричним струмом (гумові рукавички, килимки, чоботи або боти).
- Користуватися справним вимірювальним інструментом.
- У разі використання багатофункціональних приладів (мультиметров), стежити за правильною установкою вимірюваного параметра і його величини перед виміром.
- Користуватися вимірювальним приладом з справними щупами.
- Строго дотримуватись рекомендацій виробника по використанню вимірювального приладу.
література
Автор статті: Сергій Акішкін
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
