Отличие напряжения от давления

2.11. Связь понятий напряжения и давления в механике.

Механикам известно, что давление определяется, как отношение силы на площадь некоторой поверхности. Придадим этому понятию другую трактовку, характерную для движения рабочих масс аналогично току в электричестве. Для этого рассмотрим некий трубопровод длиной L. Известна сила и площадь трубопровода. Давление будетP=F/S. Умножим и разделим дробь наL.P=F/S=FL/SL. Это тождественное преобразование не меняющее выражение. Однако при этом трактовка изменилась. В числителе мы видим выражение для работы силы, а в знаменателе объем трубопровода. Получаем новую трактовку: давление – это работа сил по перемещению единичного объема материальной массы, которая аналогична трактовке напряжения. Именно поэтому мощность гидравлических механизмовNопределяется произведениемN=P•Q, гдеQ– расход – объем масс перетекающих в единицу времени. Это выражение аналогично электрической мощности – произведение напряжения на силу тока.

Рассмотрим другую сторону взаимодействия сил на заряд.

Согласно третьему закону Ньютона, сил без противосил не бывает. Поэтому, как только мы определили, что на положительный единичный заряд действует сила взаимодействия с электрическим полем, так сразу же следует рассмотреть и противосилу. Это будет сила, не принадлежащая данному электрическому полю. Это сила, действующая на заряд со стороны среды. В электричестве они называются сторонние силы Fc. Сторонние силы могут иметь самую различную природу: механическую, электрическую, химическую, электромагнитную и так далее и тому подобную.

Соответственно можно рассмотреть и работу этих сил.

2.12. Электродвижущая сила (эдс)

Электродвижущая сила (ЭДС) это работа сторонних сил(часто их называют противосилами, то есть сил среды, сил, имеющих обратное направление по отношению к рассматриваемой в данный момент силе) при перемещении положительного единичного электрического заряда из точки (от клеммы) “а” в точку (к клемме) “b”. ЭДС обычно обозначают Е. Часто ЭДС с обратным знаком удобно называть противоэдс. Таким образом ЭДС, это совсем не сила двигающая электричество, как часто ссылаются на слова этого названия, появившегося в самом начале представления об электрических явлениях, когда люди имели дело, как правило, с простейшими потребителями типа нагревателей. Во-первых, это не сила, а работа сил. Во-вторых, сил всегда направленных против сил, действующих на заряд, со стороны данного электрического поля.

По аналогии с напряжением можно определить Е в интегральной форме так:

Если к цепи приложено напряжение, то в ней ВСЕГДА возникает равная и противоположно приложенная ЭДС, U=-E(удобно ЭДС с обратным знаком назвать противоэдс, но специального (своего) символа, к сожалению, понятие пртивоэдс не имеет).

В силу закона Ньютона Fe=-Fc.

Проинтегрируем последнее равенство.

== . (*)

, . (**)

Заменим в равенстве (*) первый и последний интегралы на равноценные символы из (**). ПолучимU=-E, что и требовалось доказать.

Этот закон играет такую же роль в электричестве, как и закон Ньютона в механике. По сути дела это закон сохранения работы в электричестве. Работа электрического поля отдается в равном количестве среде и, наоборот, среда может в равной степени отдавать работу электричеству, если заряд движется от “b” к “a” (против сил поля).

Так же, как в механике, можно сказать, что всякое движение, в том числе и ток, как направленное движение зарядов, будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС был выполнен непременно.

Итак, ток всегда будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС имел место.Направление движения электрических зарядов никакого отношения ни к напряжению, ни к ЭДС не имеет. Это надо знать и к этому надо привыкнуть вообще, и в электромеханике особенно. Направление движения зарядов, то есть тока, определяется только равенством механических сил и противосил, механических моментов и противомоментов, напряжения и противоэдс. Ток является неким Х, уравнивающим силы и противосилы, моменты и противомоменты, напряжения и противоэдс в уравнениях, отражающих всеобщий НЬЮТОНОВСКИЙ закон единства противоположностей.

Ток зависит не столько от напряжения, сколько от среды характерной для цепи тока. Среди множества различных сред, создающих ЭДС, существует три типовых среды, которые и рассмотрим ниже. 2.14. Емкостная среда

Первая среда — емкостная среда. Это среда, в которой ЭДС создается за счет электрических зарядов (создание своего стороннего электрического поля). Например, на обкладках конденсатора накапливаются электрические заряды, которые создают свое собственное поле стороннее по отношению к действующему электрическому полю.

Коэффициент С носит название емкости. Емкость измеряется в Фарадах. Одна Фарада соответствует такому конденсатору, у которого при заряде в 1 кулон появляется ЭДС численно равная одному Вольту. Это большая величина емкости. Обычно в паспорте конденсатора указывается его емкость в микрофарадах, то есть в миллионных долях от Фарады. Поэтому при расчетах надо переводить микрофарады в Фарады, деля паспортные величины на 10 6 .

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Что такое напряжение

Что такое напряжение в электронике и электротехнике? Как его можно трактовать? Обо всем этом мы как раз и поговорим в нашей статье.

Напряжение с точки зрения гидравлики

Все вы видели и представляете, как выглядит водонапорная башня или просто водобашня. Грубо говоря, это большой высокий «бокал», заполненный водой.

Так вот, представим себе, что башня доверху наполнена водой. Получается, в данный момент на дне башни ого-го какое давление!

водобашня, заполненная водой

А что, если слить из башни воду хотя бы наполовину? Давление на дно башни уменьшится вдвое. А давайте-ка нальем в пустую башню одно ведро воды! Давление на дно башни будет мизерное.

Представьте такую ситуацию. У нас есть водонос, а шланг мы закупорили пробкой.

Вода вроде бы готова бежать, но бежать то некуда! Пробка туго закупоривает шланг. Но на саму пробку сейчас оказывается давление, которое создает насосная станция. От чего зависит давление на пробку? Думаю понятно, что от мощности насоса. Если мощность насоса будет большая, то пробка вылетит со скоростью пули, или давление порвет шланг, если пробка туго сидит в шланге. В данном случае давление создается с помощью насоса. То есть можно сказать, что это модель башни с водой в горизонтальном положении.

Все то же самое можно сказать и про водобашню. Здесь давление на дно создается уже гравитационной силой. Как я уже говорил, давление на дне башни зависит от того, сколько воды в башне в данный момент. Если башня наполнена водой под завязку, то и давление на дне башни будет большое, и наоборот.

А теперь представьте себе какое давление на дне океана, особенно в Марианской впадине! Что можно сказать про давление в этих двух случаях? Оно вроде как есть, но молекулы воды стоят на месте и никуда не двигаются. Запомните этот момент. Давление есть, а движухи — нет.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

источник питания постоянного тока

Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Формула напряжения

В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.

A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули

U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты

На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.

Напряжение тока — что это означает?

Этот термин очень часто можно услышать в разговорной речи. Ток, в данном случае, это электрический ток. Получается, напряжение тока — это напряжение электрического тока. Просто у нас так сокращают. Как я уже говорил выше, ток бывает переменным и постоянным. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, как и переменный ток и переменное напряжение. Получается фраза «напряжение тока» говорит нам о том, какое напряжение между двумя точками или проводами в электрической цепи.

Например, на вопрос «какое напряжение тока в розетке» вы можете смело ответить: переменный ток 220 Вольт», а на вопрос «какое напряжение тока тока у автомобильного аккумулятора», вы можете ответить «12 Вольт постоянного тока». Так что не стоит пугаться).

Постоянное и переменное напряжение

Напряжение бывает бывает постоянным и переменным. В разговорной речи часто можно услышать «постоянный ток» и «переменный ток. Постоянный ток и постоянное напряжение — это синонимы, то же что и переменный ток и переменное напряжение.

На примере выше мы с вами рассмотрели постоянное напряжение. То есть давление воды на дно башни в течение времени постоянно. Пока в башне есть вода, она оказывает давление на дно башни. Вроде бы все элементарно и просто. Но какое же напряжение называют переменным?

Все любят качаться на качелях:

Сначала вы летите в одном направлении, потом происходит торможение, а потом уже летите обратно спиной и весь процесс снова повторяется. Переменное напряжение ведёт себя точно так же. Сначала «электрическое давление» давит в одну сторону, потом происходит процесс торможения, потом оно давит в другую сторону, снова происходит торможение и весь процесс снова повторяется, как на качелях.

Тяжко для понимания? Тогда вот вам еще один пример из знаменитой книжки «Первые шаги в электронике» Шишкова. Берем замкнутую систему труб с водой и поршень. Поршень у нас находится в движении. Следовательно, молекулы воды у нас отклоняются то в одну сторону:

Так же ведут себя и электроны. В вашей домашней сети 220 В они колеблются 50 раз в секунду. Туда-сюда, туда-сюда. Столько-то колебаний в секунду называется Герцем. В литературе пишется просто «Гц». Тогда получается, что колебание напряжения в наших розетках 50 Гц, а в Америке 60 Гц. Это связано со скоростью вращения генератора на электростанциях. В разговорной речи постоянное напряжение называют «постоянкой», а переменное — «переменкой».

Осциллограммы постоянного и переменного напряжения

Давайте рассмотрим, как выглядит переменное и постоянное напряжение на экране осциллографа. Как вы знаете, осциллограф показывает изменение напряжения во времени. Если на щуп осциллографа не подавать никакое напряжение, то на осциллограмме мы увидим простую прямую линию на нулевом уровне по оси Y. Ось Y — это значение напряжения, а ось Х — это время.

осциллограмма нулевого напряжения

Давайте подадим постоянное напряжение. Как вы могли заметить, осциллограмма постоянного напряжения — это также прямая линия, параллельная оси времени. Это говорит нам о том, что с течением времени значение постоянного напряжение не меняется, о чем нам лишний раз доказывает осциллограмма.

осциллограмма постоянного напряжения

А вот так выглядит осциллограмма переменного напряжения. Как вы видите, напряжение со временем меняет свое значение. То оно больше нуля, то оно меньше нуля.

осциллограмма переменного напряжения

Про параметры переменного напряжения можете прочитать в этой статье.

Также отличное объяснение темы можно посмотреть в этом видео.

Источник