Feszültség - Voltage

Feszültség
Feszültség
	Az akkumulátorok feszültségforrások sok elektromos áramkörben .
Gyakori szimbólumok	V , ∆ V , U , ∆ U
SI egység	volt
Az SI alapegységek	kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
Levezetések ; más mennyiségekből	Feszültség = energia / töltés
Dimenzió	M L 2 T −3 I −1

Feszültség , elektromos potenciálkülönbség , elektromos nyomás vagy elektromos feszültség az elektromos potenciál különbsége két pont között, amelyet (statikus elektromos mezőben ) úgy határozunk meg, mint a töltési egységenkénti munkát, amely ahhoz szükséges, hogy a vizsgálati töltést a két pont között mozgassuk . A Nemzetközi Mértékegység Rendszer , a származtatott egység feszültség (potenciálkülönbség) nevű volt . A SI-egységek, munka egységnyi töltést fejezzük joule per coulomb , ahol 1 voltos = 1 joule (munka) per 1 coulomb (töltés). A volt SI definíció a volt használt teljesítményre és áramra ; 1990 -től a kvantum Hall és a Josephson -effektust használták, és a közelmúltban (2019) alapvető fizikai állandókat vezettek be az összes SI -egység és származtatott egység meghatározásához. A feszültség- vagy elektromos potenciálkülönbséget szimbolikusan jelöli , leegyszerűsítve V vagy U , például Ohm vagy Kirchhoff áramköri törvényeinek összefüggésében . ${\ displaystyle \ Delta V}$

Elektromos potenciál különbségeket pontok oka lehet a felhalmozódó elektromos töltés (pl kondenzátor ) és egy elektromotoros erő (pl elektromágneses indukció a generátor , tekercsek , és transzformátorok ). Makroszkópos skálán potenciális különbséget okozhatnak az elektrokémiai folyamatok (pl. Cellák és akkumulátorok), a nyomás által kiváltott piezoelektromos hatás , valamint a fém-fém csomópontok közötti hő által kiváltott elektromotoros erő. Ez utóbbi eljárások mikroszkopikus szinten a korábban említett fizikai eredetűek.

A voltmérő lehet használni, hogy mérje meg a feszültséget (vagy potenciális különbség) két pont között a rendszer. Gyakran egy közös referenciapotenciált, például a rendszer talaját használják egyik pontként. A feszültség vagy energiaforrást, vagy energiaveszteséget, eloszlást vagy tárolást jelenthet.

Meghatározás

Számos hasznos módszer létezik a feszültség meghatározására, beleértve a korábban említett szabványos meghatározást. A töltésenkénti munkavégzésnek más hasznos definíciói is vannak (lásd § Galvani potenciál vs. elektrokémiai potenciál ).

A feszültséget úgy határozzák meg, hogy a negatív töltésű tárgyakat nagyobb feszültség felé, míg a pozitív töltésű tárgyakat alacsonyabb feszültségek felé húzzák. Ezért a vezetékben vagy ellenállásban a hagyományos áram mindig magasabb feszültségről alacsonyabbra áramlik.

Történelmileg a feszültségre olyan kifejezésekkel hivatkoztak, mint a "feszültség" és a "nyomás". Még ma is használják a "feszültség" kifejezést, például a " nagyfeszültségű " (HT) kifejezésen belül, amelyet általában használnak a termionos szelep ( vákuumcső ) alapú elektronikában.

Definíció az elektrosztatikában

A rúd körül lévő elektromos mező elektroszkópban erőt fejt ki a töltött gömbgolyóra

Statikus területen a munka független az útvonaltól

Az elektrosztatika , a feszültség növelése ponttól néhány pontot kap a változása elektrosztatikus potenciál re a . Definíció szerint ez: ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {A}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {B}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {A}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {B}}$

{\ displaystyle {\ begin {aligned} \ Delta V_ {AB} & = V (\ mathbf {r} _ {B})-V (\ mathbf {r} _ {A}) \\ & =-\ int _ {\ mathbf {r} _ {0}}^{\ mathbf {r} _ {B}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}}-\ bal (-\ int _ {\ mathbf {r} _ {0}}^{\ mathbf {r} _ {A}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ jobb) \\ & =-\ int _ {\ mathbf {r} _ {A}}^{\ mathbf {r} _ {B}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ end {igazítva}}}

Ebben az esetben a feszültségnövekedés A pontból B pontba egyenlő a töltésegységenként elvégzett munkával, az elektromos mezővel szemben, hogy a töltés A -ból B -be kerüljön gyorsulás nélkül. Matematikailag ezt az elektromos mező vonalintegráljaként fejezik ki az út mentén. Az elektrosztatikában ez a vonalintegrál független a megtett úttól.

E meghatározás szerint minden olyan áramkörben, ahol időben változó mágneses mezők vannak, mint például a váltakozó áramú áramkörök , nem lesz jól meghatározott feszültség az áramkör csomópontjai között, mivel az elektromos erő ilyen esetekben nem konzervatív erő . Azonban alacsonyabb frekvenciákon, amikor az elektromos és mágneses mezők nem változnak gyorsan, ezt figyelmen kívül kell hagyni (lásd elektrosztatikus közelítés ).

Általánosítás az elektrodinamikára

Az elektromos potenciál általánosítható az elektrodinamikára, így a pontok közötti elektromos potenciálkülönbségek jól meghatározhatók még időben változó mezők jelenlétében is. Az elektrosztatikával ellentétben azonban az elektromos mezőt már nem lehet csak az elektromos potenciálban kifejezni. Továbbá a lehetséges különbségek jelentése és értéke a mérőeszköz választásától függ .

Ebben az általános esetben egyes szerzők a "feszültség" szót az elektromos tér vonalintegráljára utalják, nem pedig az elektromos potenciál különbségeire. Ebben az esetben a feszültség növekedése mellett néhány útvonal ettől a képlet adja meg: ${\ displaystyle {\ mathcal {P}}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {A}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {r} _ {B}}$

{\ displaystyle \ Delta V_ {AB} =-\ int _ {\ mathcal {P}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}}}

Ebben az esetben azonban a két pont közötti "feszültség" a megtett útvonaltól függ.

Kezelés az áramkör elméletében

Az áramkör elemzése és villamosmérnöki , koncentrált elem modellek ábrázolására használt és elemezni áramkörök. Ezek az elemek idealizált és önálló áramköri elemek, amelyeket a fizikai alkatrészek modellezésére használnak.

Csomós elemmodell használatakor feltételezzük, hogy az áramkör által előidézett változó mágneses mezők hatásait megfelelően tartalmazza az egyes elemek. Ezen feltételezések szerint az egyes komponensek külső régiójában az elektromos mező konzervatív, és az áramkör csomópontjai közötti feszültségek jól meghatározhatók, ahol

{\ displaystyle \ Delta V_ {AB} =-\ int _ {\ mathbf {r} _ {A}}^{\ mathbf {r} _ {B}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} { \ boldsymbol {\ ell}}}

amíg az integráció útja egyetlen komponens belsején sem megy keresztül. A fentiek ugyanazt a képletet használják az elektrosztatikában. Ez az integrál, és az integráció útja a mérővezetékek mentén van, amit a voltmérő ténylegesen mérni fog.

Ha az áramkörben lévő nem visszatartott mágneses mezők nem elhanyagolhatóak, akkor hatásuk kölcsönös induktivitású elemek hozzáadásával modellezhető . Fizikai induktivitás esetén azonban az ideális csomós ábrázolás gyakran pontos. Ennek oka az, hogy az induktivitások külső mezői általában elhanyagolhatóak, különösen akkor, ha az induktor zárt mágneses pályával rendelkezik . Ha a külső mezők elhanyagolhatók, azt találjuk

{\ displaystyle \ Delta V_ {AB} =-\ int _ {\ mathrm {external}} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} = L {\ frac {dI} { dt}}}

útvonaltól független, és jól meghatározott feszültség van az induktor kapcsai között. Ez az oka annak, hogy az induktivitást mérő voltmérővel végzett mérések gyakran ésszerűen függetlenek a mérővezetékek elhelyezésétől.

Volt

A volt (szimbólum: $V$ ) az elektromos potenciál , az elektromos potenciálkülönbség és az elektromotoros erő származtatott mértékegysége . A voltot Alessandro Volta (1745–1827) olasz fizikus tiszteletére nevezték el , aki feltalálta a voltaikus halmot , valószínűleg az első vegyi akkumulátort .

Hidraulikus analógia

Az elektromos áramkör egyszerű analógiája a zárt csővezetékben áramló víz , amelyet mechanikus szivattyú hajt meg . Ezt nevezhetjük "vízkörnek". A két pont közötti potenciális különbség megfelel a két pont közötti nyomáskülönbségnek . Ha a szivattyú nyomáskülönbséget hoz létre két pont között, akkor az egyik pontból a másikba áramló víz képes lesz munkát végezni, például turbinát hajtani . Hasonlóképpen a munkát egy elektromos áram is elvégezheti, amelyet az akkumulátor által biztosított potenciálkülönbség hajt . Például a kellően feltöltött autóakkumulátor által biztosított feszültség nagy áramot képes "átnyomni" az autó indítómotorjának tekercsén . Ha a szivattyú nem működik, nem okoz nyomáskülönbséget, és a turbina nem forog. Hasonlóképpen, ha az autó akkumulátora nagyon gyenge vagy "lemerült" (vagy "lemerült"), akkor nem fogja megfordítani az indítómotort.

A hidraulikus analógia hasznos módja számos elektromos fogalom megértésének. Egy ilyen rendszerben, a munka mozogni a víz egyenlő a „ nyomás csepp” (hasonlítson pd) szorozva a térfogat víz mozgott. Hasonlóképpen, egy elektromos áramkörben az elektronok vagy más töltéshordozók mozgatására végzett munka megegyezik az "elektromos nyomáskülönbséggel" és a mozgatott elektromos töltések mennyiségével. Az "áramlással" kapcsolatban minél nagyobb a "nyomáskülönbség" két pont között (potenciálkülönbség vagy víznyomáskülönbség), annál nagyobb az áramlás közöttük (elektromos áram vagy vízáramlás). (Lásd " Elektromos energia ".)

Alkalmazások

Dolgozik nagyfeszültségű távvezetékek

A feszültségmérés megadásához kifejezetten vagy implicit módon meg kell határozni azokat a pontokat, amelyeken a feszültséget mérik. Ha voltmérőt használ a potenciálkülönbség mérésére, akkor a voltmérő egyik elektromos vezetékét az első, egyet a második ponthoz kell csatlakoztatni.

A "feszültség" kifejezés gyakori használata az elektromos eszközön (például ellenálláson) leesett feszültség leírásakor. A feszültségcsökkenés az eszközön úgy értelmezhető, mint a különbség az eszköz egyes csatlakozóin végzett mérések között egy közös referenciapont (vagy föld ) vonatkozásában. A feszültségcsökkenés a két leolvasás közötti különbség. Az elektromos áramkör két pontja, amelyeket ellenállás nélkül és nem változó mágneses mezőn belül egy ideális vezető köti össze, feszültsége nulla. Bármely két, azonos potenciállal rendelkező pontot összeköthet egy vezető, és nem áramlik közöttük.

Feszültségek hozzáadása

Az A és C közötti feszültség az A és B közötti feszültség és a B és C közötti feszültség összege . Az áramkör különböző feszültségeit Kirchhoff áramköri törvényei alapján lehet kiszámítani .

Amikor váltakozó áramról (AC) beszélünk, különbség van a pillanatnyi feszültség és az átlagos feszültség között. Azonnali feszültségek hozzáadhatók az egyenáramhoz (DC) és az AC -hez, de az átlagos feszültségeket csak akkor lehet értelmesen hozzáadni, ha azokra a jelekre vonatkoznak, amelyek mindegyike azonos frekvenciájú és fázisú.

Mérőműszerek

Multiméter a feszültség mérésére

A feszültség mérésére szolgáló eszközök közé tartozik a voltmérő , a potenciométer és az oszcilloszkóp . Az analóg voltmérők , például a mozgótekercses műszerek, úgy működnek, hogy az áramot egy fix ellenálláson mérik, amely az Ohm-törvény szerint arányos az ellenállás feszültségével. A potenciométer úgy működik, hogy az ismeretlen feszültséget egy híd áramkörben ismert feszültséggel egyensúlyozza . A katódsugaras oszcilloszkóp úgy működik, hogy felerősíti a feszültséget, és arra használja, hogy elterelje az elektronnyalábot az egyenes útról, így a sugár elhajlása arányos a feszültséggel.

Tipikus feszültségek

A zseblámpa -akkumulátorok közös feszültsége 1,5 volt (DC). Az autó akkumulátorok általános feszültsége 12 volt (DC).

Az áramszolgáltatók által a fogyasztók számára biztosított általános feszültségek 110-120 volt (AC) és 220-240 volt (AC). Az erőművek villamosenergia -elosztására használt elektromos távvezetékek feszültsége több százszor nagyobb lehet, mint a fogyasztói feszültség, jellemzően 110–1200 kV (AC).

A használt feszültség felsővezetékek hatalomra vasúti mozdonyok között 12 kV és 50 kV (AC) vagy 0,75 kV 3 kV (DC).

Galvani potenciál és elektrokémiai potenciál

Egy vezető anyagban az elektron energiáját nem csak az átlagos elektromos potenciál, hanem az adott termikus és atomi környezet is befolyásolja. Amikor egy voltmérőt két különböző típusú fém közé csatlakoztatnak, nem az elektrosztatikus potenciális különbség, hanem valami más, amit a termodinamika befolyásol. A voltmérővel mért mennyiség az elektronok elektrokémiai potenciáljának különbsége ( Fermi -szint ), elosztva az elektrontöltéssel, és általában feszültségkülönbségnek nevezik, míg a tiszta, kiigazítatlan elektrosztatikus potenciál (voltmérővel nem mérhető) néha Galvani potenciálnak nevezik . A „feszültség” és a „villamos potenciál” kétértelmű, hogy a gyakorlatban, akkor olvassa el akár ilyen különféle helyzetekben.

Történelem

Az elektromotoros erő kifejezést először Volta használta Giovanni Aldininek írt levelében 1798 -ban, és először 1801 -ben jelent meg az Annales de chimie et de physique című folyóiratban . Volta ez alatt olyan erőt értett, amely nem elektrosztatikus erő, pontosabban elektrokémiai erő. A kifejezést Michael Faraday vette fel az 1820 -as évek elektromágneses indukciójával kapcsolatban . A feszültség egyértelmű meghatározását és mérési módszerét azonban még nem dolgozták ki. A Volta megkülönböztette az elektromotoros erőt (emf) a feszültségtől (potenciálkülönbség): a megfigyelt potenciálkülönbségnek az elektrokémiai cella kivezetésein, amikor nyitott áramkör volt, pontosan ki kell egyensúlyoznia a cella emf -jét, hogy ne folyjon áram.

Lásd még

Áramütés
Hálózati áram országonként (a hálózati feszültséggel és frekvenciával rendelkező országok listája)
Nyitott áramköri feszültség
Fantom feszültség

Hivatkozások

^ ^a ^b Nemzetközi Súly- és Mérőbizottság (2019-05-20), SI Prospektus: A nemzetközi mértékegység-rendszer (SI) (PDF) (9. kiadás), ISBN 978-92-822-2272-0
^ IEV: elektromos potenciál
^ IEV: feszültség
^ Demetrius T. Paris és F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN 0-07-048470-8 , 512, 546
^ P. Hammond, Elektromágnesesség mérnököknek , p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 .
^ ^a ^b ^c ^d ^e Griffiths, David J. (1999). Bevezetés az elektrodinamikába (3. kiadás). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
^ Hold, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Az elektrodinamika alapjai . Dover Publications. o. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
^ ^a ^b ^c A. Agarwal & J. Lang (2007). "Tananyag 6.002 áramkörhöz és elektronikához" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Letöltve: 2018. december 4 .
^ Bossavit, Alain (2008. január). "Mit mérnek a voltmérők?" COMPEL - A nemzetközi folyóirat az elektromos és elektronikai mérnöki számítás és matematika területén . doi : 10.1108/03321640810836582 - a ResearchGate -on keresztül.
^ Feynman, Richard; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew. "The Feynman Lectures on Physics Vol. II. 22. fejezet: AC áramkörök" . Caltech . Letöltve 2021-10-09 .
^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Az elektrokémia alapjai . o. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
^ ^a ^b ^c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Elektromotoros erő: Volta elfelejtett fogalma" , American Journal of Physics , vol. 48, van. 5, 405–408, 1980. május.
^ CJ Brockman, "A voltaikus elektromosság eredete: A kontaktus és a kémiai elmélet az EMF fogalmának kidolgozása előtt" , Journal of Chemical Education , vol. 5, nem. 5., 549–555., 1928. május

Lábjegyzetek

^ Ez a Maxwell-Faraday-egyenletből következik : Ha változó mágneses mezők vannak valamely egyszerűen összekapcsolt régióban, akkoraz elektromos mező görbülete ezen a területen nem nulla, és ennek következtében az elektromos mező nem konzervatív. Bővebben lásd: Konzervatív erő § Matematikai leírás . ${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} =-{\ frac {\ részleges \ mathbf {B}} {\ részleges}}}$
^ Ez az állítás néhány feltételezést tesz a voltmérő jellegére vonatkozóan (ezeket az idézett cikk tárgyalja). Az egyik ilyen feltételezés az, hogy a voltmérő által felvett áram elhanyagolható.

Külső linkek

V elektromos feszültség , I áram , R ellenállás , Z impedancia , P teljesítmény

[SI-Bro-1] Nemzetközi Súly- és Mérőbizottság (2019-05-20), SI Prospektus: A nemzetközi mértékegység-rendszer (SI) (PDF) (9. kiadás), ISBN 978-92-822-2272-0

[2] IEV: elektromos potenciál

[3] IEV: feszültség

[4] Demetrius T. Paris és F. Kenneth Hurd, Basic Electromagnetic Theory , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN 0-07-048470-8 , 512, 546

[5] P. Hammond, Elektromágnesesség mérnököknek , p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 .

[:1-6] Griffiths, David J. (1999). Bevezetés az elektrodinamikába (3. kiadás). Prentice Hall. ISBN 013805326X.

[8] Hold, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Az elektrodinamika alapjai . Dover Publications. o. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.

[:2-9] A. Agarwal & J. Lang (2007). "Tananyag 6.002 áramkörhöz és elektronikához" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Letöltve: 2018. december 4 .

[10] Bossavit, Alain (2008. január). "Mit mérnek a voltmérők?" COMPEL - A nemzetközi folyóirat az elektromos és elektronikai mérnöki számítás és matematika területén . doi : 10.1108/03321640810836582 - a ResearchGate -on keresztül.

[12] Feynman, Richard; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew. "The Feynman Lectures on Physics Vol. II. 22. fejezet: AC áramkörök" . Caltech . Letöltve 2021-10-09 .

[13] Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Az elektrokémia alapjai . o. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.

[Varney-14] Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Elektromotoros erő: Volta elfelejtett fogalma" , American Journal of Physics , vol. 48, van. 5, 405–408, 1980. május.

[15] CJ Brockman, "A voltaikus elektromosság eredete: A kontaktus és a kémiai elmélet az EMF fogalmának kidolgozása előtt" , Journal of Chemical Education , vol. 5, nem. 5., 549–555., 1928. május

[7] Ez a Maxwell-Faraday-egyenletből következik : Ha változó mágneses mezők vannak valamely egyszerűen összekapcsolt régióban, akkoraz elektromos mező görbülete ezen a területen nem nulla, és ennek következtében az elektromos mező nem konzervatív. Bővebben lásd: Konzervatív erő § Matematikai leírás . ${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} =-{\ frac {\ részleges \ mathbf {B}} {\ részleges}}}$

[11] Ez az állítás néhány feltételezést tesz a voltmérő jellegére vonatkozóan (ezeket az idézett cikk tárgyalja). Az egyik ilyen feltételezés az, hogy a voltmérő által felvett áram elhanyagolható.

Languages

In other projects