Электрическое напряжение. Значения и стандарты
Электрическое напряжение - основное понятие электричества, которое описывает разность электрических потенциалов между двумя точками (проводниками: [фаза и ноль] или [+ и —]) электрической цепи. Именно напряжение заставляет электрические заряды двигаться, т.е. вызывает электрический Ток.
Определение напряжения и характеристики
Электрическое напряжение (U) — физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую.
U = A / q
где:- U — напряжение, В (Вольт)
- A — работа электрического поля, Дж
- q — заряд, Кл.
Виды напряжения
1. Постоянное напряжение (DC — Direct Current)
- Величина и направление не меняются со временем.
- Источник: батарейки, аккумуляторы, блоки питания.
- График: прямая линия (U = const).
U(t) = U0
2. Переменное напряжение (AC — Alternating Current)
- Величина и направление периодически изменяются во времени.
- Источник: генераторы, электросеть.
- График: синусоида.
U(t) = Um · sin(ωt)
где:- 𝑈𝑚 — амплитуда напряжения (максимальное значение)
- 𝜔=2𝜋𝑓 — круговая частота
- 𝑓 — частота (Гц).
Формулы и зависимости
1. Закон Ома для участка цепи
Линейная зависимость между силой тока и электрическим напряжением на участка цепи.
U = I · R
- U — напряжение, В
- I — сила тока, А
- R — сопротивление, Ом
2. Закон Джоуля-Ленца
Работа электрического тока или количественная оценка теплового действия электрического тока за промежуток времени.
Q = U · I · t
- t — промежуток времени
- Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени, Дж.
3. Мощность электрического тока
Произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на участке электрической цепи с преобразованием в электрическую энергию.
3.1. Мощность постоянного тока, W (Ватт)
P = U · I
P = I 2 · R = U 2 / R
3.2. Мощность переменного тока, W (Ватт)
P = U · I · cosφ
φ — коэффициент мощности или косинус угла сдвига фазы переменного тока, протекающего через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.
4. ЭДС (электродвижущая сила)
Работа напряжения U, совершенная сторонними силами (возбуждениями) при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, Вольт.
U𝜀 = A сторонних сил / q
Значения и стандарты напряжения
| Энергообъект | Тип напряжения | Значение U на вводе потребителя | Значение U на выходе источника |
|---|---|---|---|
| Электрокардиограмма | Импульсное | 1 - 2 мВ | - |
| Телевизионная антенна | Переменное высокочастотное | 1 - 100 мВ | - |
| Гальванический цинковый элемент типа АА (пальчиковый) | Постоянное | 1,5 В | - |
| Литиевый гальванический элемент | Постоянное | 3 - 3,7 В (в исполнении пальчикового элемента, например Varta Professional Lithium, AA или 18650) | - |
| Логические сигналы компьютерных компонентов | Импульсное | 3,3 В; 5 В | - |
| Батарейка типа 6F22 (Крона) | Постоянное | 9 В | - |
| Силовое питание компьютерных компонентов | Постоянное | 5 В, 12 В | - |
| Электрооборудование автомобилей | Постоянное | 12/24 В | - |
| Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов | Постоянное | 19 В | - |
| Сеть безопасного пониженного напряжения для работы в опасных условиях | Переменное | 12 - 42 В | - |
| Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова | Постоянное | 55 В | - |
| Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке) | Постоянное | 60 В | - |
| Напряжение в электросети Японии | Переменное трёхфазное | 100/172 В | - |
| Напряжение в домашних электросетях США | Переменное трёхфазное | 120 В / 240 В | - |
| Напряжение в бытовых электросетях России | Переменное трёхфазное | 220/380 В | 230/400 В |
| Разряд электрического ската | Постоянное | до 200 - 250 В | - |
| Контактная сеть трамвая и троллейбуса | Постоянное | 550 В | 600 В |
| Разряд электрического угря | Постоянное | до 650 В | - |
| Контактная сеть метрополитена | Постоянное | 750 В | 825 В |
| Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток) | Постоянное | 3 кВ | 3,3 кВ |
| Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности | Переменное трёхфазное | 6 - 20 кВ | 6,6 - 22 кВ |
| Генераторы электростанций, мощные электродвигатели | Переменное трёхфазное | 10 - 35 кВ | - |
| На аноде кинескопа | Постоянное | 7 - 30 кВ | - |
| Статическое электричество | Постоянное | 1 - 100 кВ | - |
| На свече зажигания автомобиля | Импульсное | 10 - 25 кВ | - |
| Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток) | Переменное | 25 кВ | 27,5 кВ |
| Пробой воздуха на расстоянии 1 см | 10 - 20 кВ | - | |
| Катушка Румкорфа | Импульсное | до 50 кВ | - |
| Пробой слоя трансформаторного масла толщиной 1 см | 100 - 200 кВ | - | |
| Воздушная линия электропередачи большой мощности | Переменное трёхфазное | 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ | 38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ |
| Электрофорная машина | Постоянное | 50 - 500 кВ | - |
| Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные) | Переменное трёхфазное | 500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ | 545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ |
| Трансформатор Тесла | Импульсное высокочастотное | до нескольких МВ | - |
| Генератор Ван де Граафа | Постоянное | до 7 МВ | - |
| Грозовое облако | Постоянное | От 2 до 10 ГВ | - |
