Одним из самых фундаментальных терминов в электротехнике является термин «электрическое напряжение». В этой статье мы объясним, что это такое и как его рассчитать.
Объяснение простыми словами
Электрическое напряжение U является той самой причиной, которая «заставляет» протекать электрический ток I. Электрическое напряжение всегда возникает, когда заряды разделены друг от друга, то есть все отрицательные заряды на одной стороне, а все положительные — на другой. Если соединить эти две стороны электропроводящим материалом, потечет электрический ток.
Общепринятое определение термина «электрическое напряжение».
Электрическое напряжение (или просто напряжение) — это разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле. Это движущая сила для электрического заряда.
Потенциал в электрическом поле — это энергия заряженного тела, не зависящая от его электрического заряда. Для пояснения вы можете посмотреть на сравнение с водяным контуром чуть ниже в статье.
Есть другое определение (из учебника по физике 8 класса):
Напряжение — это физическая велuчuна, характеризующая электрическое поле. Электрическое напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершенной при переносе между ними заряда 1 Кл силами электрического поля.
Сравнение с использованием модели протекания воды.
Хорошей аналогией, которая поможет вам представить себе электрическое напряжение и потенциал, является водяной контур. В этой схеме у вас есть два бассейна на разной высоте, которые соединены трубой. В этой трубе вода может перетекать из верхнего бассейна в нижний. Затем вода перекачивается обратно в верхний бассейн с помощью насоса, как показано на рисунке ниже.
В своих размышлениях вы теперь легко можете сравнить насос с источником электрического напряжения. Кроме того, поток воды можно сравнить с электрическим током. Насос транспортирует воду из нижнего бассейна в верхний. Оттуда она самостоятельно течет обратно в нижний бассейн. В данном примере насос является приводом для потока. Чем больше разница в высоте, тем сильнее поток. Решающим фактором является потенциальная энергия верхнего бассейна. Вы можете сравнить разность энергий двух бассейнов с разностью электрических потенциалов. Проще говоря, большая разница в высоте соответствует большему электрическому напряжению.
Формула
Формула для электрического напряжения U, согласно закона Ома для участка цепи, имеет вид
U = R * I .
Как видно из этой формулы, если электрическое напряжение остается неизменным, то чем больше электрическое сопротивление (R), тем меньше сила тока (I).
Другая формула для расчета электрического напряжения такова:
U = P / I .
То есть электрическое напряжение U равно мощности деленной на силу тока I.
Единица измерения электрического напряжения
Единицей измерения электрического напряжения в СИ является Вольт, сокращенно В (в честь итальянского учёного А. Вольта).
1 вольт (1 В) — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.
[U] = 1 В
Теперь вы можете объяснить смысл надписи 4,5 В или 9 В на круглой или плоской батарейке. Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж.
В электротехнике напряжение может варьироваться от микровольт (1 мкВ = 1 * 10-6 В) и миливольт (1 мВ = 10-3 В), до киловольт (1 кВ = 1 * 103 В) и мегавольт (1 МВ = 106 В)
Вы можете преобразовать отдельные единицы измерения следующим образом:
1 В = 1000 мВ, 1 мВ = 1000 мкВ, 1 МВ = 1000 кВ, 1 кВ = 1000 В.
Электрическое напряжение в цепи
Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.
Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (UQ). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу.
Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.
Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.
Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении
У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.
При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.
Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:
UQ = U1 + U2 + U3
то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.
В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.
Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:
UQ = U1 = U2 = U3
Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.
Измерение электрического напряжения
Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.
Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).
Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.
Примеры типовых значений электрического напряжения
Для некоторых применений соответствующее электрическое напряжение можно найти в таблице ниже.
| Светодиод | 1,2 — 1,5 В |
| Зарядное устройство USB | 5 В |
| Напряжение автомобильного аккумулятора | 12, 4 — 12,8 В |
| Напряжение в розетке (среднеквадратичное или действующее значение) | 230 В |
| Высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) | 60 кВ — 1 МВ |
Вы можете видеть, что на высоковольтных линиях присутствует напряжение до мегавольт. Такие большие электрические напряжения используются для того, чтобы уменьшить потери в длинных линиях.
Решающим фактором для потребителя является мощность P, которую можно рассчитать для постоянного напряжения с помощью формулы:
P = U * I
Это означает, что электрический ток I так же важен для потребителя, как и электрическое напряжение. Согласно закону Ома, зависимость между током и напряжением имеет вид:
U = R * I .
Если напряжение остается неизменным, сопротивление определяет величину тока. Чтобы проиллюстрировать это, представьте следующее. У вас есть три разных бассейна, которые заполнены одинаковым количеством воды. Каждый бассейн имеет слив, который различается по сечению, т.е. в одном бассейне сливная труба очень маленькая, а в другом — очень большая.
Постоянное электрическое напряжение можно определить по тому, что все емкости заполнены на одинаковую высоту. Если слив узкий в нижней части, он представляет собой большое сопротивление. Ток здесь может течь только медленно. Если сечение сливной трубы больше, то сопротивление меньше и, соответственно, может протекать больший ток.
Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо создать электрическое поле. Задачу по созданию и поддержанию электрического поля выполняют источники тока.
После создания электрического поля, на свободные заряженные частицы в проводнике начинают действовать электрические силы, которые и приводят их в движение.
Получается, что у нас есть силы и частицы, которые перемещаются под их действием. Значит, совершается какая-то работа. Этот же факт говорит нам о том, что электрическое поле обладает некоторой энергией.
На данном уроке мы более подробно рассмотрим, что же за работу совершает электрическое поле, от чего она зависит и придем к определению еще одной важной характеристики в электричестве — электрическому напряжению.
Работа тока
Сразу введем новое определение.
Работа тока — это работа, которую совершают силы электрического поля, создающего электрический ток.
В процессе этой работы энергия электрического тока переходит в другие различные виды энергии (механическую, внутреннюю и др.). Более подробно мы говорили об этом, когда рассматривали действия тока.
От чего зависит работа тока?
Логично предположить, что работа тока будет зависеть от того, какой заряд протекает по цепи за определенное время. То есть, работа тока будет зависеть от силы тока.
Проверим это на простом опыте. Соберем цепь, состоящую из ключа, источника тока, амперметра и подключенной к проводам натянутой никелевой проволоки (рисунок 1).
Используя один источник тока, в цепи была определенная сила тока. Проволока нагрелась.
Если же мы заменим источник тока, который даст нам большую силу тока, чем предыдущий, то заметим определенные изменения. Наша проволока нагревается намного сильнее. Вот вам наглядное доказательство того, что тепловое действие (а значит, и работа тока) проявляется сильнее с увеличением силы тока в цепи.
Но дело в том, что сила тока — не единственная характеристика, от которой зависит работа тока. Другая (и не менее важная) величина называется электрическим напряжением или просто напряжением.
Электрическое напряжение
Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле.
Обозначается электрическое напряжение буквой $U$.
Давайте рассмотрим опыт, который наглядно нам покажет, как же эта величина может описать нам электрическое поле.
Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, источника тока, электрической лампы и амперметра. За источник тока возьмем небольшую батарейку (гальванический элемент), а электрическую лампу возьмем от карманного фонарика (рисунок 2).
А теперь соберем похожую цепь. Заменим лампочку от фонарика большой лампой для освещения помещений. Батарейку тоже заменим. Теперь источником тока у нас является городская осветительная сеть (рисунок 3).
Взгляните на показания амперметров в этих двух цепях. Они одинаковы!
Сила тока в цепях одинакова, но ведь большая лампа дает намного больше света и тепла, чем маленькая лампочка от фонарика. Вот здесь и появляется наша новая величина — напряжение.
Связь работы тока и напряжения
Проведенные нами опыты объясняются следующим.
При одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного $1 space Кл$, различна.
Получается, что эта работа тока и определяет нашу новую физическую величину — электрическое напряжение.
Теперь мы может объяснить до конца наши опыты. Напряжение, которое создается батарейкой в первой цепи, меньше напряжение городской осветительной сети. Поэтому лампа, подключенная к сети, дает больше света и тепла. При этом сила тока в обеих цепях одинакова. Вся причина различий — в создаваемом напряжении.
Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Формула для расчета напряжения
Если мы знаем работу тока $A$ на рассматриваемом участке цепи и весь электрический заряд $q$, который прошел по нему, то мы можем рассчитать напряжение $U$. По физическому смыслу, мы определим работу тока при перемещении единичного электрического заряда.
$U = frac{A}{q}$
Напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.
Из этой формулы мы также будем использовать два ее следствия:
$A = Uq$,
$q = frac{A}{U}$.
Это интересно: факты об электричестве и напряжении
Единица измерения напряжения
Если единица силы тока была названа в честь ученого, то и с единицей измерения напряжения у нас такая же история.
Она названа вольтом в честь итальянского ученого Алессандро Вольта (рисунок 4).
Единица напряжения — это такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в $1 space Кл$ по этому проводнику равна $1 space Дж$:
$1 space В = 1 frac{Дж}{Кл}$.
Дольные и кратные единицы напряжения
Какие единицы напряжения, кроме вольта, применяют на практике? Это дольные и кратные единицы вольта: милливольт ($мВ$) и киловольт ($кВ$).
$1 space мВ = 0.001 space В$,
$1 space кВ = 1000 space В$.
Значение напряжения для некоторых устройств и природных явлений
В таблице 1 представлены для ознакомления некоторые значения напряжения.
| Устройство | $U$, $В$ |
| Гальванический элемент | 1,25 |
| Городская электросеть | 220 |
| Электролампы | 20 — 250 |
| Телевизор | 100 — 600 |
| Холодильник | 150 — 600 |
| Компьютер | 400 — 750 |
| Утюг | 500 — 2000 |
| Электромоторы | 550 — 1700 |
| Обогреватель | 1000 — 2400 |
| Кондиционер | 1000 — 3000 |
| Циркулярная пила | 1800 — 2100 |
| Насос высокого давления | 2000 — 2900 |
| Линии высоковольтной электропередачи (ЛЭП) | 500 000 |
| Разряд молнии | До 1 000 000 |
Опасные и безопасные значения напряжения
Все знают, что большое (высокое) напряжение опасно для жизни. Проведем простую аналогию для лучшего понимания.
Например, напряжение между проводом высоковольтной линии передачи и землей составляет $100 space 000 space В$. Соединим этот провод с землей. Получается, что при прохождении по нему заряда всего в $1 space Кл$ совершается работа в $100 space 000 space Дж$. Такая же работа будет совершена грузом массой $1000 space кг$, если он упадет с высоты в $10 space м$. Похожие разрушения, может вызывать высокое напряжение.
Обычно безопасным считают напряжение не более $42 space В$. Такое напряжение создают, например, гальванические элементы.
Наверное, многие помнят, как в детстве родители запрещали засовывать пальцы в розетку. Да и разбирать самостоятельно лучше не стоит. Доверять такие работу лучше специалистам. Почему? Ток в такой сети идет от генераторов, и напряжение обычно составляет $220 space В$. Такое напряжение может нанести существенный вред здоровью.
Примеры задач
Задача №1
При нормальном режиме работы тостера сила тока в его электрической цепи равна $6 space А$. Напряжение в сети составляет $220 space В$. Найдите работу электрического тока в цепи за $5 space мин$.
Дано:
$t = 5 space мин$
$I = 6 space А$
$U = 220 space В$
СИ:
$t = 300 space с$
$A — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Запишем формулу для определения напряжения и выразим из нее работу:
$U = frac{A}{q}$,
$A = Uq$.
Как найти электрический заряд? Запишем формулу для расчет силы тока и выразим заряд из нее:
$I = frac{q}{t}$,
$q = It$.
Подставим это в формулу для расчета работы электрического тока:
$A = Uq = UIt$.
Рассчитаем эту величину:
$A = 220 space В cdot 6 space А cdot 300 space с = 396 space 000 space Дж = 396 space кДж$.
Ответ: $A = 396 space кДж$.
Задача №2
На рисунке 5 представлены графики зависимости работы электрического поля (тока) $A$ от перемещаемого заряда $q$ по двум проводникам. Используя график, вычислите напряжение между концами каждого проводника.
На графике выберем удобные для нас точки с точными значениями заряда и работы. Для графика $I$ выберем точку со значениями $q = 0.35 space Кл$ и $A = 70 space Дж$. Для графика $II$: $q = 0.35 space Кл$ и $A = 40 space Дж$. Запишем условие задачи и решим ее.
Дано:
$q_1 = q_2 = 0.35 space Кл$
$A_1 = 70 space Дж$
$A_2 = 40 space Дж$
$U_1 — ?$
$U_2 — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Рассчитывать напряжения для данных проводников будем по формуле $U = frac{A}{q}$.
$U_1 = frac{A_1}{q_1} = frac{70 space Дж}{0.35 space Кл} = 200 space В$.
$U_2 = frac{A_2}{q_2} = frac{40 space Дж}{0.35 space Кл} approx 114 space В$.
Ответ: $U_1 = 200 space В$, $U_2 approx 114 space В$.
Формулы по физике
8 класс
Количество теплоты при нагревании
Q=c*m*(t2—t1)=с*m*∆t
Q – количество теплоты [Дж]
(Джоуль)
с –
удельная теплоёмкость [Дж/(кг*ºС), Дж/(кг*ºК)] (Джоуль на килограмм-градус
Цельсия, Джоуль на килограмм-градус Кельвина)
m – масса [кг] (килограмм)
t2 – конечная температура [ºC, ºK] (градус Цельсия, градус
Кельвина)
t1 – начальная температура [ºC, ºK] (градус Цельсия, градус
Кельвина)
∆t – изменение температуры [ºC,
ºK] (градус Цельсия, градус Кельвина)
Q>0 – выделение, отдача тепла
(энергии)
Q<0 – поглощение, забор тепла
(энергии)
Теплота сгорания
Q=q*m
Q – количество теплоты [Дж]
(Джоуль)
q – удельная теплота сгорания [Дж/кг]
(Джоуль на килограмм)
m – масса [кг] (килограмм)
Теплота плавления
Q=λ*m
Q – количество теплоты [Дж]
(Джоуль)
λ –
удельная теплота плавления [Дж/кг] (Джоуль на килограмм)
m – масса [кг] (килограмм)
В
течение процесса плавления (отвердевания) температура остается постоянной!
Теплота парообразования
Q=L*m
Q – количество теплоты [Дж]
(Джоуль)
L – удельная теплота парообразования
[Дж/кг] (Джоуль на килограмм)
m – масса [кг] (килограмм)
В
течение процесса парообразования (конденсации) температура остается постоянной!
Сила электрического тока
I=
I – сила тока [А] (Ампер)
q – заряд [Кл] (Кулон)
t – время [с] (секунда)
А – Амперметр, прибор для
измерения силы тока, подключается последовательно.
Электрическое напряжение
U=
U – напряжение [В] (Вольт)
А –
работа электрического тока [Дж] (Джоуль)
q – заряд [Кл] (Кулон)
V – вольтметр, прибор для измерения напряжения, подключается
параллельно
Сопротивление проводника
R=ρ*
R – сопротивление проводника [Ом]
(Ом)
ρ –
удельное сопротивление [Ом*мм2/м, Ом*м] (Ом-квадратный миллиметр на
метр, Ом-метр)
l – длина проводника [м] (метр)
s – площадь поперечного сечения
проводника [мм2,м2] (квадратный миллиметр, квадратный
метр)
Закон Ома
I=
I – сила тока [А] (Ампер)
R – сопротивление проводника [Ом]
(Ом)
U – напряжение [В] (Вольт)
Сопротивление
проводника не зависит от силы тока или напряжения, зависит только от
геометрических параметров (длина, площадь поперечного сечения и удельное
сопротивление материала)
Соединение проводников
1)Последовательное
Rобщее=R1+R2
Iобщая=I1=I2
Uобщее=U1+U2
2)Параллельное
=
+
Iобщая=I1+I2
Uобщее=U1=U2
Работа электрического тока
A=I*U*t
А –
работа электрического тока [Дж] (Джоуль)
I – сила тока [А] (Ампер)
U – напряжение [В] (Вольт)
t – время [с] (секунда)
Закон Джоуля-Ленца
Q=I2*R*t
Q – количество теплоты,
выделяющееся на проводнике [Дж] (Джоуль)
I – сила тока [А] (Ампер)
R – сопротивление проводника [Ом]
(Ом)
t – время [с] (секунда)
Мощность электрического тока
P=
=I*U
P – мощность электрического тока
[Вт] (Ватт)
А –
работа электрического тока [Дж] (Джоуль)
t – время [с] (секунда)
I – сила тока [А] (Ампер)
U – напряжение [В] (Вольт)
Основные формулы работы электрического
тока (теплоты) и мощности
|
A(Q)=U*I*t |
P=U*I |
|
A(Q)=I2*R*t |
P=I2*R |
|
A(Q)= |
P= |
|
A(Q)=P*t |
P= |
Три закона распространения света
1)
В однородной
среде свет распространяется равномерно и прямолинейно
2)
При
отражении света от поверхности угол падения равен углу отражения (углом падения/отражения
называется угол между падающим/отражённым лучом и перпендикуляром к
поверхности)
3)
При переходе
света из одной среды в другую луч преломляется. При переходе света из менее
плотной среды в более плотную луч отклоняется ближе к перпендикуляру к
поверхности, и наоборот.
=
α – угол падения
β
– преломлённый угол
n1 – показатель преломления более плотной
среды (β)
n2 – показатель преломления менее плотной
среды (α)
Оптическая сила линзы
D=
D – оптическая сила линзы [дптр]
(диоптрия)
F – фокусное расстояние линзы [м]
(метр)
Формула тонкой линзы
=
+
F – фокусное расстояние линзы [м]
(метр)
f – расстояние от линзы до
изображения [м] (метр)
d – расстояние от предмета до
линзы [м] (метр)
Физика 8 класс. Напряжение. Единицы напряжения
Электрическое напряжение. Единицы напряжения. Измерение напряжения.
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем, а оно при этом совершает работу. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.
Работа тока зависит от силы тока, то есть от электрического заряда, протекающего по цепи в 1 с. Работа силы тока зависит также от напряжения.
Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Напряжение U равно отношению работы тока A на данном участке к электрическому заряду q, прошедшему по данному участку.
где U – напряжение, А — работа тока, q – электрический заряд.
Единица напряжения называется Вольт, обозначается В.
За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж.
1 В = 1 Дж/Кл
Используют также другие единицы напряжения: милливольт (мВ) и киловольт (кВ)
1 мВ = 0,001 В, 1 кВ = 1000 В
Для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи применяют прибор, называемый вольтметром.
Зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение. Такое включение прибора называется параллельным.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника: во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нем.
Конспект составлен на основании теоретического материала учебника «Физика 8 класс» А.В. Перышкин
Источник
Формула нахождения напряжения в физике 8 класс
Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока ( I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).
Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.
За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н. Эта единица и называется ампером (1 А).
Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.
Амперметр
Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.
У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.
Напряжение
Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.
Напряжение ( U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .
Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.
Единица напряжения: [U] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).
Вольтметр
Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.
У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.
Формулы и определения.
1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.
2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.
3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).
4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)
5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).
Конспект урока «Сила тока. Напряжение».
Источник
Основные формулы по физике 8 класс
Формулы по физике за 8 класс: основные разделы
В 8 классе школьники на уроках физики изучают следующие разделы:
- Тепловые явления.
- Электрические явления.
- Электромагнитные явления.
- Световые явления.
Рассмотрим подробно основные законы и формулы каждого из разделов. Дадим все необходимые пояснения к ним.
Тепловые явления
Явления, которые связаны с изменением температуры тела, приводящей к его нагреванию или охлаждению, называют тепловыми.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
В качестве примера можно привести нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.
Закон сохранения энергии
Закон сохранения энергии постулирует, что в природе не происходит возникновения или исчезновения энергии. Энергия существует всегда, просто она превращается из одного вида в другой, передается от одного тела другому, и при этом ее значение сохраняется.
Уравнение, иллюстрирующее закон сохранения механической энергии, выглядит так:
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, которые находятся в замкнутой системе и взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости, остается постоянной.
В данном уравнении (E_) и (E_) — кинетическая энергия тела, (E_) и (E_) — потенциальная энергия тела.
Полная механическая энергия (E) будет определяться по формуле:
где (E_k) — кинетическая энергия, (E_p) — потенциальная.
Формула вычисления количества теплоты
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя путями:
- за счет совершения работы;
- без совершения работы, за счет теплопередачи.
Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.
где Q — количество теплоты, измеряемое в джоулях, c — удельная теплоемкость, m — масса тела, (t_1) — начальная, (t_2) — конечная температуры.
Формула вычисления количества теплоты при сгорании топлива
Количеством теплоты при сгорании топлива называется величина, которая равняется количеству энергии, выделяемой при полном сгорании топлива.
Для определения количества теплоты при сгорании топлива необходимо знать удельную теплоту сгорания q — количество теплоты, которое выделяет 1 килограмм топлива при полном сгорании.
где Q — количество теплоты при сгорании топлива, измеряется в джоулях, m — масса топлива.
Количество теплоты плавления (кристаллизации)
Количество теплоты плавления или кристаллизации — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо для плавления тела при условии, что оно находится в условиях температуры плавления и нормальном атмосферном давлении.
Для определения количества теплоты плавления нужно знать удельную теплоту плавления (lambda) — величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо дать кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.
Количество теплоты плавления определяется по формуле:
Количество теплоты кристаллизации находят таким образом:
где Q — количество теплоты плавления или кристаллизации, измеряется в джоулях, m — масса тела.
Формула вычисления абсолютной влажности
Влажностью воздуха называется содержание водяного пара в атмосфере, которое возможно за счет непрерывного испарения воды с поверхности водоемов.
Абсолютная влажность (ρ) показывает плотность водяного пара, т.е. сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом 1 кубический метр при заданных условиях.
где m — масса водяного пара в воздухе, V — объем воздуха.
Вычисление относительной влажности воздуха
Относительная влажность воздуха ((varphi)) — это отношение абсолютной влажности воздуха (ρ) к плотности насыщенного водяного пара при той же температуре ( (ρ_0) ), выражается в процентах.
Насыщение водяного пара зависит от:
- температуры;
- количества водяных паров;
- давления.
Соответственно, относительную влажность воздуха можно вычислить при помощи формулы:
КПД тепловой машины
С помощью коэффициента полезного действия (КПД) двигателя определяют экономичность различных тепловых двигателей.
КПД называется отношение совершенной двигателем полезной работы к энергии, полученной от нагревателя.
КПД двигателя находят по формуле:
где eta — КПД, выражается в процентах; (Q_1) — количество теплоты, полученное от нагревателя, (Q_2) — количество теплоты, отданное телом холодильнику.
Электрические явления
Раздел «Электрические явления» учебника 8-го класса рассматривает основные закономерности и параметры, характерные для работы электроцепей.
Закон Ома для участка цепи
В 1827 году немецкий физик Георг Ом вывел и доказал опытным путем зависимость силы тока от напряжения и сопротивления. Эта зависимость называется законом Ома и звучит так: сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Формула, отражающая эту зависимость, выглядит так:
где I — сила тока на участке цепи, измеряется в амперах, U — напряжение на участке электроцепи, R — сопротивление участка цепи.
Вычисление удельного сопротивления проводника
Зависимость сопротивления проводника от его размера и материала, из которого он изготовлен, впервые изучил Ом. Он доказал, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от материала изготовления.
Зависимость сопротивления от материала изготовления проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1м^2 называют удельным сопротивлением вещества (p).
Сопротивление проводника определяем по формуле:
где R — сопротивление проводника, измеряется в омах, l — длина проводника, S — площадь сечения.
Законы последовательного соединения проводников
Следующие закономерности справедливы для последовательно соединенных проводников в любом количестве:
где (I_1, U_1, R_1) — сила тока, напряжение и сопротивление на одном участке цепи, (I_2, U_2, R_2) — сила тока, напряжение и сопротивление на другом участке цепи.
Сила тока измеряется в амперах, напряжение — в вольтах, сопротивление — в омах.
Законы параллельного соединения проводников
Для параллельного соединения действуют следующие закономерности:
где (I_1, U_1, R_1) 1 — сила тока, напряжение и сопротивление первого участка цепи, (I_2, U_2, R_2) — сила тока, напряжение и сопротивление второго участка цепи.
Единицы измерения основных характеристик электроцепи одинаковые при последовательном и параллельном соединениях.
Вычисление величины заряда
Электрический заряд (q) — это физическая величина, которая описывает особенность частиц или тел выступать источником электромагнитных полей и участвовать в электромагнитном взаимодействии.
Измеряется в кулонах, вычисляется по формуле:
где I — сила, t — время прохождения тока.
Нахождение работы электрического тока
Работа электрического тока — это физическая величина, которая показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.
Работа электрического тока обозначается символом A, измеряется в джоулях, рассчитывается по формуле:
где I — сила тока в проводнике, U — напряжение на концах проводника, t — время протекания тока через проводник.
Формула электрической мощности
Мощность электротока — это величина, которая измеряется в ваттах и показывает, какую работу совершает ток за единицу времени.
Для вычисления мощности тока верно следующее уравнение:
где I — сила тока на участке цепи, U — электрическое напряжение.
Закон Джоуля-Ленца
Закон Джоуля-Ленца — закон физики, который дает количественную оценку теплового действия электрического тока. Открыт в 1841 и 1842 году независимо друг от друга Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем.
Уравнением этот закон выражается так:
где Q — количество теплоты, выделяемое за время ((Delta t)) , в течение которого ток течет в проводнике, измеряется в джоулях, I — сила тока в проводнике, R — сопротивление проводника.
Электромагнитные явления
Раздел «Электромагнитные явления» разбирает физические процессы, которые связаны с электрическим током и образующимся вокруг него магнитным полем.
Правило правой руки
Если обхватить проводник с током ладонью правой руки и направить большой палец, отставленный на 90 градусов по направлению силы тока в проводнике, оставшиеся четыре пальца покажут направление линий магнитного поля проводника.
Правило буравчика
Световые явления
В разделе «Световые явления» рассматривается свет, его источники и распространение в пространстве, а также основные физические законы, согласно которым свет распространяется в среде. Рассмотрим подробнее каждый из них.
Закон отражения света
Закон отражения света от зеркальной поверхности звучит так: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, который проведен к границе раздела двух сред в точке падения луча.
Угол падения alpha равен углу отражения (beta) :
Закон преломления
Преломлением света называется изменение направления светового луча на границе сред при переходе его из одной среды в другую.
- Лучи, падающий и отраженный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, который проведен к границе раздела двух сред в точке падения луча.
- Угол преломления может быть меньше или больше угла падения — в зависимости от того, из какой среды и в какую луч переходит.
Закон открыл в 1621 году голландский математик В. Снеллиус.
Вычисление абсолютного и относительного показателя преломления вещества
Абсолютный показатель преломления вещества (n) — это показатель преломления вещества относительно вакуума.
Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в среде.
где c — скорость света в вакууме, v — скорость света в данной среде.
Относительный показатель преломления вещества показывает, во сколько раз скорость света в первой среде отличается от скорости во второй среде.
Оптическая сила линзы
Линзы — это прозрачные тела, созданные для управления световыми лучами с помощью изменения их направления, которые представляют собой ограниченные с двух сторон сферические поверхности.
Линзы характеризует величину, которую называют оптической силой линзы, измеряется в диоптриях (D).
Оптическая сила линзы обратно пропорциональна фокусному расстоянию линзы (F) и рассчитывается по формуле:
1 диоптрия — это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой составляет 1 м.
Примеры задач с решением
Рассмотрим варианты самых распространенных задач с решениями.
Задачи из раздела «Тепловые явления»
Задача на вычисление количества теплоты
Какое количество теплоты отдаст стакан горячего чая массой 200 грамм и температурой 90 градусов, остыв до 20 градусов?
Задача на вычисление количества теплоты при сгорании топлива
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 300 гр керосина?
Задача на вычисление абсолютной влажности
Какой будет абсолютная влажность воздуха, если относительная влажность равна 50% при температуре 20 градусов?
Смотрим в таблице, сколько пара может содержаться при температуре 20 градусов. Обнаруживаем значение 17 г. Так как у нас относительная влажность равна 50%, необходимо 17 / 2, получаем 8,5 г/м 3 . Абсолютная влажность равна 8,5 г/м 3 .
Задача на вычисление относительной влажности воздуха
Какой будет относительная влажность при том условии, что при температуре 30 градусов в воздухе содержалось 17 г воды?
Задача на вычисление КПД тепловой машины
Какой КПД у теплового двигателя, который совершил полезную работу 70 кДж, если при полном сгорании топлива выделилась энергия 200 кДж?
Задачи из раздела «Электрические явления»
Задача на вычисление удельного сопротивления проводника
Чему будет равно сопротивление проводника, в котором течет ток силой 600 мА при напряжении на концах 1,2 кВ?
Задача на вычисление величины заряда
Через поперечное сечение проводника за 0,5 часа проходит заряд 2 700 кулонов. Какой будет сила тока в цепи?
Задача на нахождение работы эл. тока
Какую работу совершает электрический ток за 10 минут работы утюга с сопротивлением, равным 80 Ом, и работающим от сети с напряжением 220 В?
Задачи из раздела «Электромагнитные явления»
Для решения задач по правилам правой руки и буравчика, важно знать условные обозначения:
Задачи из раздела «Световые явления»
Задача на вычисление абсолютного показателя преломления вещества
Расчет оптической силы линзы
Какой будет оптическая сила линз объектива фотоаппарата, если его фокусное расстояние составляет 58 мм?
Источник
Пробовали ли вы когда-нибудь надувать воздушные шарики на время? Один надувает быстро, а другой за это же время надувает гораздо меньше. Без сомнения, первый совершает большую работу, чем второй.
Рис. (1). Надувание шара
С источниками напряжения происходит точно так же. Чтобы обеспечить движение частиц в проводнике, надо совершить работу. И эту работу совершает источник. Работу источника характеризует напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет гореть лампочка в цепи (при других одинаковых условиях).
Рис. (2). Лампа в цепи
Напряжение равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда
к величине перемещаемого заряда на участке цепи.
U=Aq
, где (U) — напряжение, (A) — работа электрического поля, (q) — заряд.
Обрати внимание!
Единица измерения напряжения в системе СИ — [(U)] = (1) B (вольт).
(1) вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, равного (1) Кл, совершается работа, равная (1) Дж: (1) В (= 1) Дж/1 Кл.
Все видели надпись на домашних бытовых приборах «(220) В». Она означает, что на участке цепи совершается работа (220) Дж по перемещению заряда (1) Кл.
Кроме вольта, применяют дольные и кратные ему единицы — милливольт и киловольт.
(1) мВ (= 0,001) В, (1) кВ (= 1000) В или (1) В (= 1000) мВ, (1) В (= 0,001) кВ.
Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр.
Обозначаются все вольтметры латинской буквой (V), которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.
Рис. (3). Обозначение вольтметра
В школьных условиях используются вольтметры, изображённые на рисунке:
Рис. (4). Вольтметры
Основными элементами вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный — плюс, черный (синий) — минус. Сделано это с той целью, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключённым к источнику.
Обрати внимание!
В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.
Рис. (5). Электроцепь с подключенным вольтметром и амперметром
Включая вольтметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность.
Сборку электрической цепи лучше начинать со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в самом конце.
Вольтметры делятся на приборы постоянного тока и переменного тока.
Если прибор предназначен для цепей переменного тока, то на циферблате принято изображать волнистую линию. Если прибор предназначен для цепей постоянного тока, то линия будет прямой.
Таблица (1). Вольтметры
|
Рис. (6). Вольтметр постоянного тока |
Рис. (7). Вольтметр переменного тока |
|
|
|
|
|
|
Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («(+)» и «(-)»), то это прибор для измерения постоянного напряжения.
Иногда используют буквы (AC/DC). В переводе с английского (AC) (alternating current) — переменный ток, а (DC) (direct current) — постоянный ток.
В цепь переменного тока включается вольтметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.
Рис. (8). Электроцепь с переменным источником тока
Обрати внимание!
Для измерения напряжения можно использовать и мультиметр.
Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.
Рис. (9). Мультиметр
Следует помнить, что высокое напряжение опасно.
Что будет с человеком, который окажется рядом с упавшим оголённым кабелем, находящимся под высоким напряжением?
Так как земля является проводником электрического тока, вокруг упавшего оголённого кабеля, находящегося под напряжением, может возникнуть опасное для человека шаговое напряжение.
При попадании под шаговое напряжение даже небольшого значения возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног. Обычно человеку удаётся в такой ситуации своевременно выйти из опасной зоны.
Обрати внимание!
Однако нельзя выбегать оттуда огромными шагами, шаговое напряжение при этом только увеличится! Выходить надо обязательно быстро, но очень мелкими шагами или скачками на одной ноге!
Существует много знаков, предупреждающих о высоком напряжении. Вот некоторые из них.
Рис. (10). Предупреждающие об опасности знаки
Источники:
Рис. 5. Электроцепь с подключенным вольтметром и амперметром. © ЯКласс.
Рис. 8. Электроцепь с переменным источником тока. © ЯКласс.