2. Напряжение на участке цепи

Определения и обозначения

Электрическое напряжение U — физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению заряда, делённой на этот заряд. Проще говоря, оно показывает, сколько работы приходится на каждый кулон перенесённого заряда. Это определение позволяет сравнивать разные участки цепи.

Напряжение на участке цепи — характеристика электрического поля на данном участке, показывающая, какую работу поле совершает при переносе единичного заряда. Участок может быть проводником, лампой или другим элементом цепи. По напряжению можно судить о работе поля между двумя концами этого элемента.

Вольт — единица измерения напряжения. Напряжение равно 1 В, если при переносе заряда 1 Кл электрическое поле совершает работу 1 Дж. Поэтому 1 В = 1 Дж/Кл.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения, который подключают параллельно участку цепи. Его клеммы соединяют с двумя концами исследуемого участка. Такое подключение позволяет определить напряжение именно между этими точками.

Как это устроено

Электрическое поле при движении заряда может совершать работу. Чем больше перенесённый заряд, тем больше обычно оказывается полная работа, поэтому сама работа не всегда удобно характеризует участок. Чтобы сравнение было справедливым, находят работу, приходящуюся на единицу заряда: так появляется напряжение.

Из определения следует формула U = A/q. В ней U — напряжение, A — работа электрического поля, а q — перенесённый электрический заряд. Если известны любые две из этих величин, можно найти третью: A = Uq или q = A/U.

Вольтметр измеряет напряжение между двумя точками, то есть сравнивает электрическое состояние концов участка. Поэтому его клеммы присоединяют к этим концам, не разрывая основной путь тока. Такое соединение называют параллельным.

Перед измерением выбирают предел вольтметра — наибольшее напряжение, которое прибор может показать в данном режиме. Если ожидаемое значение около 12 В, подходит предел 15 В, но не 3 В. При постоянном токе красную, положительную клемму соединяют с положительным выводом источника, а чёрную — с отрицательным.

Единицы напряжения можно переводить с помощью приставок. Один киловольт больше одного вольта в тысячу раз: 1 кВ = 1000 В, а один вольт больше одного милливольта также в тысячу раз: 1 В = 1000 мВ. При выборе прибора сначала переводят все значения в одинаковые единицы.

Напряжение на участке электрической цепи

В таблице собраны обозначение, единицы, формулы и правила измерения напряжения. Сначала определите, что именно требуется найти, затем выберите соответствующую строку и проверьте единицы. Сведения о приборе помогают не перепутать параллельное подключение с последовательным.

Разбор задач

Задача 1

Условие: при переносе заряда 5 Кл электрическое поле совершило работу 20 Дж. Требуется определить напряжение. Даны работа и заряд, значит, подходит основная формула определения напряжения.

1. Записываем формулу: U = A/q.
2. Подставляем значения: U = 20 Дж / 5 Кл.
3. Выполняем деление и сохраняем единицу: U = 4 Дж/Кл = 4 В.

Ответ: напряжение на участке равно 4 В. Деление работы на заряд показывает, сколько джоулей приходится на каждый кулон. Поэтому единица результата — вольт.

Задача 2

Условие: напряжение на участке равно 12 В, а перенесённый заряд — 3 Кл. Нужно найти работу электрического поля. Искомую работу удобнее выразить из формулы напряжения.

1. Из U = A/q получаем A = Uq.
2. Подставляем данные: A = 12 В · 3 Кл.
3. Так как 1 В = 1 Дж/Кл, получаем A = 36 Дж.

Ответ: электрическое поле совершает работу 36 Дж. При увеличении перенесённого заряда в несколько раз работа при том же напряжении увеличивается во столько же раз.

Задача 3

Условие: у вольтметра есть пределы 3 В и 15 В, а напряжение аккумулятора предположительно равно 12 В. Нужно выбрать режим измерения и способ соединения прибора. Ожидаемое значение сравниваем с каждым пределом.

1. Предел 3 В слишком мал, потому что предполагаемое напряжение 12 В его превышает.
2. Выбираем предел 15 В, так как он больше 12 В.
3. Подключаем вольтметр параллельно аккумулятору и соблюдаем полярность клемм.

Ответ: следует выбрать предел 15 В. Красную клемму соединяют с положительным выводом аккумулятора, чёрную — с отрицательным.

Типичные ошибки

Напряжение путают с силой тока, потому что обе величины описывают электрическую цепь. Однако напряжение измеряют в вольтах и вычисляют через работу и заряд, а силу тока измеряют в амперах. Проверьте себя по обозначению и единице величины.

Вольтметр иногда подключают последовательно, как амперметр. Так делают из-за смешения правил подключения двух приборов, но вольтметр должен сравнивать потенциалы двух концов участка. Перед включением мысленно проведите линию между этими концами: к ним и присоединяют клеммы.

В формуле ошибочно пишут U = q/A вместо U = A/q. Такая запись меняет физический смысл величины и даёт неправильную единицу. Проверка проста: напряжение должно выражаться в джоулях на кулон, а не в кулонах на джоуль.

Слишком малый предел измерения может привести к зашкаливанию прибора, а перепутанная полярность — к отклонению стрелки в неверную сторону или ошибочному показанию. Сначала выбирайте больший безопасный предел и проверяйте знаки «+» и «−». Затем можно перейти на меньший предел, если это разрешено прибором.

Связь с другими темами

Для изучения напряжения нужны понятия электрического заряда, работы электрического тока и простейшей электрической цепи. Заряд участвует в формуле U = A/q, а работа объясняет физический смысл напряжения. Без схемы цепи трудно правильно выбрать измеряемый участок.

Напряжение понадобится при изучении силы тока, электрического сопротивления и закона Ома. Эти величины связаны между собой и позволяют рассчитывать работу элементов цепи. Поэтому понимание формулы U = A/q служит основой для дальнейших задач.

Знание напряжения нужно при сборке электрических цепей и расчёте работы электрического тока. По напряжению выбирают подходящие приборы и режимы их работы. Формула A = Uq помогает находить работу поля при переносе известного заряда.

Что запомнить

• Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению единичного заряда.
• Напряжение обозначают буквой U.
• Основная формула: U = A/q.
• Единица напряжения — вольт (В).
• 1 В = 1 Дж/Кл.
• Напряжение измеряют вольтметром.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.