Как найти напряжение в электрической цепи

3. Последовательное и параллельное соединение проводников

В быту и в промышленности в электрическую цепь соединяются сразу несколько потребителей электрической энергии. Различают три вида соединения сопротивлений (резисторов):

1. последовательное соединение проводников
2. параллельное соединение проводников
3. смешанное соединение проводников

Последовательное соединение проводников
Схема соединения выглядит следующим образом:
Рис. \(1\). Схема № \(1\)
Обрати внимание!

При последовательном соединении все входящие в него проводники соединяются друг за другом, т.е. конец первого проводника соединяется с началом второго.

Рис. \(2\). Две лампы, последовательно
Опыт показывает:

Сила тока в любых частях цепи одна и та же (об этом свидетельствуют показания амперметров): I = I 1 = I 2 .

Если выкрутить одну лампу, то цепь разомкнётся, а другая лампа тоже погаснет.
Опыт показывает следующее:

При последовательном соединении сопротивлений результирующее напряжение равно сумме напряжений на участках: U = U 1 + U 2 .

Рис. \(3\). Напряжение при последовательном соединении

Результирующее сопротивление последовательно соединённых потребителей равно сумме сопротивлений потребителей: R = R 1 + R 2 .

Для проверки данного утверждения можно использовать омметр. При подключении омметра ключ должен быть разомкнут!

Омметр подключают по очереди к каждому потребителю, а потом к обоим одновременно.

Сопротивление цепи \(R\), состоящей из \(n\) одинаковых ламп, сопротивлением R 1 каждая, в \(n\) раз больше сопротивления одной лампы: \(R\) = R 1 * \(n\).

1. Электрическое напряжение

Электрический ток протекает в проводниках электричества. Например, в металлах электрический ток создают свободные электроны, в жидкостях — положительные и отрицательные ионы.
Чтобы мог образоваться электрический ток, необходимо наличие в веществе электрически заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться.

Свободные электроны и ионы сами по себе не могут перемещаться, необходима сила, воздействующая на них. Эту силу создаёт источник тока, который характеризуется электрическим напряжением.

Что такое электрическое напряжение, поможет выяснить его сравнение с течением реки. Течение — это тоже поток. Оно образуется только потому, что вода течёт с высокого места в низкое. Существует разница высот между истоком и устьем. Эта разница обеспечивает течение реки по всей её длине. Можно сказать, разница высот между истоком и устьем реки — своего рода напряжение.
Подобно действуют источники электрического тока, например, батарейка. У батарейки есть два полюса: плюс (+) и минус (-). В отрицательном полюсе накапливаются свободные электроны, а в положительном полюсе электронов меньше. Поэтому существует разница в концентрации зарядов. Эта разница между обоими полюсами батарейки создаёт электрическое напряжение.
В каждом источнике тока совершается работа, чтобы отделить положительные и отрицательные заряды, которые накапливаются в полюсах источника тока.

Например, в батарейках и аккумуляторах эта работа совершается в результате химических реакций, в фотоэлементах она совершается за счёт энергии света.

Электрическое напряжение характеризует возможность электрического поля совершать работу.

Однако электроны могут перемещаться только тогда, когда образована замкнутая электрическая цепь.

В электрической цепи протекает ток, если в ней имеется источник тока. Чем выше электрическое напряжение источника тока, тем большую работу может совершить поток электронов.

Электрическое напряжение обозначается буквой U, единицей напряжения является вольт (В). Напряжение измеряется вольтметром .

Источник тока	Напряжение
Батарейка	1,5 В — 4,5 В
Аккумулятор автомашины	12 В — 24 В
Электрическая сеть	220 В / 380 В
Электролиния высокого напряжения	20 000 В — 330 000 В
Между грозовыми тучами	до 100 000 000 В

3. Электрическое напряжение. Вольтметр

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 = A q , 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!

Как найти напряжение в цепи: простой алгоритм поиска

Электричество окружает нас повсюду. Без него невозможно представить современную жизнь. Но далеко не каждый знает, как устроена электрическая цепь и откуда в ней берется напряжение. В этой статье мы разберем простой и понятный алгоритм поиска напряжения в любой цепи. Эти знания пригодятся даже школьнику.

Что такое напряжение в электрической цепи

Напряжение — это физическая величина, характеризующая энергию, необходимую для перемещения заряда в электрической цепи. По сути, напряжение показывает, насколько «сильным» является электрическое поле в проводнике.

Напряжение измеряется в вольтах (В). 1 вольт — это напряжение, при котором для перемещения заряда в 1 кулон потребуется работа в 1 джоуль.

Напряжение тесно связано с другими характеристиками цепи — силой тока и сопротивлением. Эта связь выражена законом Ома:

Где U — напряжение (В), I — сила тока (А), R — сопротивление (Ом).

Пример расчета напряжений в цепи

Рассмотрим простую цепь из источника напряжения и двух последовательно соединенных резисторов. Допустим, ЭДС источника 10 В, R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом. Тогда по закону Ома:

• Напряжение на резисторе R1: U1 = I * R1 = ? * 5 = 5 В
• Напряжение на резисторе R2: U2 = I * R2 = ? * 10 = 10 В

Проверим: сумма напряжений U1 + U2 = 5 + 10 = 15 В. А избыточные 5 В «падают» на внутреннее сопротивление источника.

Источники напряжения в электрической цепи

Откуда в электрической цепи берется напряжение? Его создают специальные устройства — источники напряжения.

Типы источников напряжения

Наиболее распространенные источники напряжения:

1. Химические: батарейки, аккумуляторы
2. Электромеханические: генераторы

У каждого типа есть свои достоинства и недостатки. Например, генераторы вырабатывают большие мощности, но требуют механической энергии для работы. А батарейки компактны, но быстро разряжаются.

Внутреннее сопротивление источника

Любой реальный источник напряжения имеет внутреннее сопротивление. Оно приводит к потерям напряжения внутри источника. Чем выше это сопротивление, тем сильнее «просаживается» напряжение при подключении нагрузки.

Например, у гигантских литий-ионных аккумуляторов в электромобилях внутреннее сопротивление очень мало. А обычная батарейка теряет до 20-30% напряжения на внутреннем сопротивлении.

Выбор источника напряжения для конкретной цепи

Чтобы правильно подобрать источник напряжения, нужно знать требования к цепи:

• Необходимая мощность нагрузки
• Допустимое падение напряжения
• Габаритные ограничения

Например, для питания мощного сварочного аппарата потребуется генератор. А для карманного фонарика подойдет миниатюрная батарейка.

Пример расчета падения напряжения из-за внутреннего сопротивления

Рассмотрим цепь с двумя последовательно соединенными лампами мощностью 100 Вт каждая. Питание осуществляется от батареи с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0.5 Ом. Вычислим падение напряжения из-за внутреннего сопротивления:

1. Найдем общий ток цепи: P = U * I → 200 Вт = 12 В * I → I = 200/12 = 16.7 А
2. По закону Ома определим падение напряжение на внутреннем сопротивлении: Увн = I * Рвн = 16.7 * 0.5 = 8.35 В
3. Напряжение, доходящее до ламп, равно: Уламп = ЭДС — Увн = 12 — 8.35 = 3.65 В

Вывод: из-за высокого внутреннего сопротивления батареи, мощность ламп сильно упадет.

Пошаговый алгоритм поиска напряжения в цепи

Рассмотрим подробную последовательность действий для нахождения напряжения в электрической цепи.

Шаг 1. Определить точки для измерения напряжения

Сначала решаем, напряжение между какими точками нас интересует. Это может быть напряжение на отдельном резисторе, лампочке, участке цепи.

Шаг 2. Выбрать прибор для измерения

Для измерения напряжений в цепи используется вольтметр. Он подключается параллельно тому элементу, напряжение на котором нужно определить.

Найти напряжение цепи с помощью расчета

Если есть полная схема цепи, можно вычислить напряжение в конкретной точке с помощью законов Кирхгофа. Это более точный метод.

Проверить полярность подключения прибора

Перед началом измерений нужно убедиться, что прибор подключен с соблюдением полярности — иначе результат будет неверным.

Последовательность измерения напряжения в цепи

При измерении напряжения в цепи нужно придерживаться такой последовательности:

1. Отключить цепь от источника питания
2. Подсоединить вольтметр к необходимым точкам цепи
3. Включить цепь и дать ей несколько секунд установиться
4. Снять показание прибора
5. Выключить цепь
6. Отсоединить вольтметр

Такая методика гарантирует электробезопасность и корректность измерений.

Типичные ошибки при поиске напряжения цепи

• Неверный выбор точек для измерения
• Неправильное подключение вольтметра
• Превышение предельных значений вольтметра
• Ошибки при расчете напряжения цепи

В результате получаются неверные, зашкаливающие или опасные для прибора показания.

Рекомендации по безопасной работе с цепями

1. Использовать изолирующие средства защиты
2. Проверять отсутствие напряжения перед работой
3. Не прикасаться к цепи во время измерений

Это позволит избежать поражения электрическим током.

Критерии выбора качественного вольтметра

Хороший вольтметр должен иметь:

• Высокую точность класса 0,5 или выше
• Широкий диапазон измерений
• Надежный корпус с защитой от ударов

При выборе прибора обязательно нужно изучить его технические характеристики.

Практические кейсы поиска напряжения в цепи

Рассмотрим несколько практических примеров поиска напряжения в электрических цепях различной конфигурации.

Пример 1. Цепь с последовательным соединением приемников

Дана цепь со следующими параметрами:

• ЭДС источника E = 20 В
• Внутреннее сопротивление r = 0,5 Ом
• Три лампы с R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом, R3 = 15 Ом

Требуется найти напряжение на каждой из ламп. Решение:

1. Находим общее сопротивление цепи: Рсумм = R1 + R2 + R3 = 30 Ом
2. По закону Ома определяем ток в цепи: I = E / (Рсумм + r) = 20 / (30 + 0,5) = 0,625 A
3. Вычисляем напряжение на каждой лампе: U1 = I * R1 = 0,625 * 5 = 3,125 В и т.д.

Пример 2. Цепь со смешанным соединением элементов

Приведем алгоритм нахождения напряжения в более сложной схеме со смешанным соединением резисторов и конденсаторов.

Советы по упрощению сложных цепей

Если схема цепи слишком запутанная, то перед поиском напряжения рекомендуется:

1. Разбить цепь на отдельные участки
2. Заменить группы элементов эквивалентным сопротивлением
3. Составить упрощенную схему замещения

Это значительно ускорит процесс анализа и расчета.