Вимірювання напруги. Види та принцип вимірювань. Особливості. Одиниця виміру напруги. Вимірювання напруги мультиметром У чому вимірюється напруга струму

Зміст:

Електричний струм характеризується такими величинами, як сила струму, напруга та опір, пов'язаними між собою. Перш ніж розглядати питання, в чому вимірюється напруга, необхідно точно з'ясувати, що це за величина, і яка її роль в утворенні струму.

Як діє напруга

Загальне поняття електричного струму полягає у спрямованому русі заряджених частинок. Ці частинки є електрони, переміщення яких відбувається під дією електричного поля. Чим більше зарядів потрібно перемістити, тим більша робота здійснюється полем. Цю роботу впливає як сила струму, а й напруга.

Фізичний зміст цієї величини полягає в тому, що робота струму на якійсь ділянці ланцюга співвідноситься з величиною заряду, що проходить по цій ділянці. У процесі цієї роботи позитивний заряд переміщається з точки, де є невеликий потенціал, точку з великим значенням потенціалу. Таким чином, напруга визначається у вигляді електродвигуна або електрорушійної сили, а сама робота є енергією.

Робота електричного струму вимірюється у джоулях (Дж), а величиною електричного заряду є кулон (Кл). В результаті, напруга є відношенням 1 Дж/Кл. Отримана одиниця напруги називається вольтом.

Щоб наочно пояснити фізичний сенс напруги, слід звернутися до прикладу шланга, наповненого водою. В даному випадку, об'єм води відіграватиме роль сили струму, а її тиск буде еквівалентний напрузі. При русі води без наконечника вона вільно і у великій кількості переміщається по шлангу, створюючи невисокий тиск. Якщо ж кінець шланга притиснути пальцем, відбудеться зменшення обсягу при одночасному підвищенні тиску води. Сам струмінь переміщатиметься на значно більшу відстань.

В електриці виходить те саме. Сила струму визначається кількістю або обсягом електронів, що переміщуються провідником. Значення напруги по суті є силою, з якою відбувається проштовхування цих електронів. Звідси випливає, що за умови однакової напруги, провідник, що проводить більшу кількість струму, повинен мати великий діаметр.

Одиниця виміру напруги

Напруга може бути постійною або змінною, залежно від струму. Ця величина може позначатися у вигляді літери В (російське позначення) або V, що відповідає міжнародному позначенню. Для позначення змінної напруги застосовується значок "~", який ставиться перед літерою. Для постійної напруги існує знак "-", проте на практиці він майже не застосовується.

Розглядаючи питання, у чому вимірюється напруга, слід пам'ятати, що для цього є не тільки вольти. Великі величини вимірюються в кіловольтах (кВ) та мегавольтах (мВ), що означає відповідно 1 тисячу та 1 мільйон вольт.

Як виміряти напругу та струм

Під електричною напругою розуміють роботу, що здійснюється електричним полем для переміщення заряду напруженістю 1 Кл (кулон) з однієї точки провідника до іншої.

Як виникає напруга?

Всі речовини складаються з атомів, що є позитивно зарядженим ядром, навколо якого з великою швидкістю кружляють дрібніші негативні електрони. У випадку атоми нейтральні, оскільки кількість електронів збігається з числом протонів в ядрі.

Однак якщо деяку кількість електронів відібрати з атомів, то вони прагнутимуть притягнути таку ж їх кількість, формуючи навколо себе плюсове поле. Якщо додати електронів, то виникне їх надлишок, і негативне поле. Формуються потенціали – позитивний та негативний.

За їхньої взаємодії виникне взаємне тяжіння.

Чим більше буде величина відмінності – різниця потенціалів – тим сильніші електрони з матеріалу з їх надлишковим вмістом перетягуватимуться до матеріалу з їхнім недоліком. Тим сильнішим буде електричне поле та його напруга.

Якщо з'єднати потенціали з різними зарядами провідників, виникне електричний – спрямований рух носіїв заряду, що прагне усунути різницю потенціалів. Для переміщення провідником зарядів сили електричного поля виконують роботу, що й характеризується поняттям електричної напруги.

У чому вимірюється

Температури;

Види напруги

Постійна напруга

Напруга в електричній мережі постійно, коли з одного боку завжди позитивний потенціал, з другого – негативний. Електричний у цьому випадку має один напрямок і є незмінним.

Напруга в ланцюзі постійного струму окреслюється різниця потенціалів з його кінцях.

При підключенні навантаження до ланцюга постійного струму важливо не переплутати контакти, інакше пристрій може вийти з ладу. Класичним прикладом джерела постійної напруги є батареї. Застосовують мережі , коли потрібно передавати енергію великі відстані: у всіх видах транспорту – від мотоциклів до космічних апаратів, у військовій техніці, електроенергетиці і телекомунікаціях, при аварійному електрозабезпеченні, у промисловості (електроліз, виплавка в дугових електропечах і т.д. .

Змінна напруга

Якщо періодично змінювати полярність потенціалів, або переміщати в просторі, те й електричний спрямує у зворотному напрямі. Кількість таких змін напряму за певний час показує характеристику, яка називається частотою. Наприклад, стандартні 50 означають, що полярність напруги мережі змінюється за секунду 50 разів.

Напруга в електричних мережах змінного струму є тимчасовою функцією.

Найчастіше використовується закон синусоїдальних коливань.

Так виходить за рахунок того, що виникає у котушці асинхронних двигунів за рахунок обертання навколо неї електромагніту. Якщо розгорнути обертання за часом, виходить синусоїда.

Складається з чотирьох проводів – трьох фазних та одного нульового. напруга між проводами нульовим і фазним дорівнює 220 і називається фазним. Між фазними напруга також існує, називається лінійною і дорівнює 380 В (різниця потенціалів між двома фазними проводами). Залежно від виду підключення в трифазній мережі можна отримати фазну напругу або лінійну.

Урок присвячений розгляду поняття електричної напруги, його позначення та одиниці виміру. Друга частина уроку відведена переважно для демонстрації приладів вимірювання напруги на ділянці ланцюга та їх особливостей.

Якщо навести стандартний приклад про сенс всім відомого напису будь-яких домашніх побутових приладах «220 У», вона означає, що у ділянці ланцюга відбувається робота 220 Дж з переміщенню заряду 1 Кл.

Формула для розрахунку напруги:

Робота електричного поля з перенесення заряду, Дж;

Заряд Кл.

Отже, одиницю виміру напруги можна так:

Між формулами для обчислення напруги та сили струму існує взаємозв'язок, на який слід звернути увагу: і . В обох формулах є величина електричного заряду , що може виявитися корисним при вирішенні деяких завдань.

Для вимірювання напруги використовують прилад, який називається вольтметр(Рис. 2).

Мал. 2. Вольтметр ()

Існують різні вольтметри за особливостями їх застосування, але в основі принципу їхньої роботи лежить електромагнітна дія струму. Позначаються всі вольтметри латинською літерою, яка наноситься на циферблат приладів та використовується у схематичному зображенні приладу.

У шкільних умовах використовуються, наприклад, вольтметри, зображені малюнку 3. З допомогою проводяться виміри напруги в електричних ланцюгах під час проведення лабораторних робіт.

()	()	()

Мал. 3. Вольтметри

Основними елементами демонстраційного вольтметра є корпус, шкала, стрілка та клеми. Клеми зазвичай підписані плюсом чи мінусом і для наочності виділені різними кольорами: червоний – плюс, чорний (синій) – мінус. Зроблено це з метою того, щоб правильно підключати клеми приладу до відповідних проводів, підключених до джерела. На відміну від амперметра, який включається в розрив ланцюга послідовно, вольтметр вмикається в ланцюг паралельно.

Безумовно, будь-який електричний вимірювальний прилад повинен мінімально впливати на ланцюг, що досліджується, тому вольтметр має такі конструктивні особливості, що його через нього йде мінімальний струм. Забезпечується такий ефект підбором спеціальних матеріалів, що сприяють мінімальному перебігу заряду через прилад.

Схематичне зображення вольтметра (рис. 4):

Мал. 4.

Зобразимо для прикладу електричну схему (рис. 5), в якій підключено вольтметр.

Мал. 5.

У ланцюгу майже мінімальний набір елементів: джерело струму, лампа розжарювання, ключ, амперметр, послідовно підключений, і вольтметр, підключений паралельно до лампочки.

Зауваження. Краще розпочинати складання електричного ланцюга з усіх елементів, крім вольтметра, а його вже підключати наприкінці.

Існує безліч різних видів вольтметрів з шкалами, що розрізняються. Тому питання про обчислення ціни приладу в даному випадку є дуже актуальним. Дуже поширені мікровольтметри, мілівольтметри, просто вольтметри і т. д. За їх назвами зрозуміло, з якою кратністю вимірюються.

Крім того, вольтметри ділять на прилади постійного струму та змінного струму. Хоча в міській мережі і змінний струм, але на даному етапі вивчення фізики ми займаємося постійним струмом, який подають усі гальванічні елементи, тому нас цікавитимуть і відповідні вольтметри. Те, що пристрій призначений для ланцюгів змінного струму, прийнято зображати на циферблаті у вигляді хвилястої лінії (рис. 6).

Мал. 6. Вольтметр змінного струму ()

Зауваження. Якщо говорити про значення напруги, то, наприклад, напруга 1 є невеликою величиною. У промисловості використовуються набагато більші значення напруги, що вимірюються сотнями вольт, кіловольтами і навіть мегавольтами. У побуті ж використовується напруга 220 і менше.

На наступному занятті ми дізнаємося, що таке електричне опір провідника.

Список літератури

1. Генденштейн Л. Е., Кайдалов А. Б., Кожевніков В. Б. Фізика 8 / За ред. Орлова Ст А., Ройзена І. І. - М.: Мнемозіна.
2. Перишкін А. В. Фізика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадєєва А. А., Засов А. В., Кисельов Д. Ф. Фізика 8. - М: Просвітництво.

Додаткові ррекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет

1. Класна фізика ().
2. YouTube ().
3. YouTube ().

Домашнє завдання

Чим напруга відрізняється від сили струму, опору та потужності, можна скористатися такою аналогією. Уявіть трубу, до якої прикладено певний тиск газу або рідини. Цей тиск – напруги. Від тиску і залежатиме кількість речовини, що проходить через трубу за одиницю часу. Тут – аналог опору, а кількість речовини, що проходить через трубу за одиницю часу – аналог сили струму. При цьому на трубі виділятиметься у вигляді тепла певна потужність через тертя. Це аналог теплової потужності, що виділяється на провіднику зі струмом.

Напруга вимірюється у вольтах. Ця названа на честь італійського вченого Алессандро Вольта, винахідника одного із видів електрохімічних джерел струму. Тисяча вольт називається кіловольтом, мільйон вольт – кіловольтом. Тисячна частка вольта зветься мілівольта, мільйонна - мікровольтом.

Напруга буває постійною і змінною. У другому випадку воно періодично змінює полярність із певною частотою. У змінної напруги є два значення: амплітудне та діюче. Перше характеризує розмах коливань, а друге - еквівалентна постійна напруга, яка виділила б на такому ж навантаженні ту ж потужність. Співвідношення між амплітудним та діючим значеннями напруги залежить від його форми. У синусоїдальної однофазної напруги амплітудне значення перевищує діючу кількість разів, що дорівнює кореню з двох.

Поняття «небезпечна напруга» не зовсім правильне. Небезпека впливу електрики на людину залежить не від напруги, а від струму. Інша річ, що шкіра має певний опір, і тому небезпечний струм у ній може виникнути за певного значення напруги. Шкіра різних людей має різний опір, також залежить від психічного і фізичного стану. Тому поріг небезпечної напруги може змінюватися навіть в однієї людини. При певній напрузі шкіра пробивається, і до джерела виявляється доданий значно менший опір підшкірних шарів, що ще небезпечніше.

Крім електричного, існує також механічна напруга. Воно виникає у конструкціях, до яких прикладені зовнішні механічні дії. До того ж, у деяких конструкціях можуть виникати ще на етапі виготовлення внутрішні напруги. Якщо виготовити об'єкт з прозорого матеріалу і помістити між двома поляризаторами, можна визначити наявність таких напруг. А в переносному значенні напругою називають напружений стан психіки людини.

Вольтметр– це вимірювальний прилад, призначений для вимірювання напругипостійного чи змінного струму в електричних ланцюгах.

Вольтметр підключається паралельно до висновків джерела напруги за допомогою щупів виносних. За способом відображення результатів вимірювань вольтметри бувають стрілочні та цифрові.

Величина напруги вимірюється в Вольтах, позначається на приладах буквою У(російською мовою) або латинською літерою V(Міжнародне позначення).

На електричних схемах вольтметр позначається латинською літерою V, обведеною коло, як показано на фотографії.

Напруга струму буває постійна та змінна. Якщо напруга джерела змінного струму, то перед значенням ставиться знак " ~ "якщо постійного, то знак " – ".

Наприклад, змінна напруга побутової мережі 220 Вольт коротко позначається так: ~220 Вабо ~220 V. На батарейках та акумуляторах під час їх маркування знак " – часто опускається, просто нанесено число. Напруга боротої мережі автомобіля або акумулятора позначається так: 12 Вабо 12 V, а батарейки для ліхтарика або фотоапарата: 1,5 Вабо 1,5 V. На корпусі обов'язково наноситься маркування біля позитивного виведення у вигляді знака " + ".

Полярність змінної напруги змінюється у часі. Наприклад, напруга в побутовій електропроводці змінює полярність 50 разів на секунду (частота зміни вимірюється в Герцах, один Герц дорівнює одній зміні полярності напруги за одну секунду).

Полярність постійної напруги у часі не змінюється. Тому для вимірювання напруги змінного та постійного струму потрібні різні вимірювальні прилади.

Існують універсальні вольтметри, за допомогою яких можна вимірювати як змінну, так і постійну напругу без перемикання режимів роботи, наприклад вольтметр типу Е533.

Як вимірювати напругу в електропроводці побутової мережі

Увага! При вимірі напруги величиною вище 36 В неприпустимо дотик людини до оголеного дроту, так як можна отримати удар струмом.

Відповідно до вимог ГОСТ 13109-97 чинне значення напруги в електричній мережі має бути 220 ±10%, тобто може змінюватися в межах від 198 В до 242 В. Якщо в квартирі стали тьмяно горіти лампочки або часто перегоряти, стала не стабільно працювати побутова техніка, то для вжиття заходів потрібно спочатку вимірювати значення напруги в електропроводці.

Приступаючи до вимірювань, необхідно підготувати прилад: – перевірити надійність ізоляції провідників із наконечниками та щупами;

– встановити перемикач меж вимірювань у положення вимірювання змінної напруги не менше 250 В;

– вставити роз'єми провідників у гнізда приладу орієнтуючись за написами біля них;

– увімкнути вимірювальний прилад (якщо потрібно).

Як видно на картинці, в тестері обрано межу зміни змінної напруги 300 В, а в мультиметрі 700 В. У багатьох моделях тестерів потрібно встановити в потрібне положення відразу кілька перемикачів. Рід струму (~ або –), вид вимірів (В, А або Оми) і ще вставити кінці щупів у потрібні гнізда.

Увага! Вимірювання напруги, коли штекер вставлений у гніздо 10 А виведе пристрій з ладу.У кращому разі перегорить вставлений усередині приладу запобіжник, у найгіршому доведеться купувати новий мультиметр. Особливо часто припускаються помилок при використанні приладів для вимірювання опору, і, забувши переключити режим, вимірюють напругу. Зустрічав не один десяток таких несправних приладів із горілими резисторами всередині.

Після проведення всіх підготовчих робіт можна приступати до виміру. Якщо Ви увімкнули мультиметр, а на індикаторі не з'явилися цифри, значить, або в прилад не встановлена ​​батарея або вона вже виробила свій ресурс. Зазвичай у мультиметрах застосовується батарейка типу «Крона», напругою 9, термін придатності якої один рік. Тому навіть якщо прилад не використовувався довгий час, батарейка може бути непрацездатною. При експлуатації мультиметра в стаціонарних умовах доцільно замість крони використовувати адаптер ~220/9 В.

Вставляєте кінці щупів у розетку або торкаєтеся ними до проводів електропроводки.

Мультиметр відразу покаже напругу в мережі, а ось у стрілочному тестері показання треба ще вміти прочитати. На погляд, здається, що складно, оскільки багато шкал. Але якщо придивитися, стає зрозуміло, за якою шкалою зчитувати показання приладу. На приладі типу ТЛ-4 (який безвідмовно мені служить більше 40 років!) є 5 шкал.

Верхня шкала використовується для зняття показань, коли перемикач стоїть в кратних положеннях 1 (0,1, 1, 10, 100, 1000). Шкала, розташована трохи нижче, кратних 3 (0,3, 3, 30, 300). При вимірах напруги змінного струму величиною 1 і 3, нанесені ще 2 додаткові шкали. Для виміру опору є окрема шкала. Аналогічне градуювання мають усі тестери, але кратність може бути будь-яка.

Так як межа вимірювань була виставлена ​​~300 В, значить, відлік потрібно робити за другою шкалою з межею 3, помноживши показання на 100. Ціна маленького поділу дорівнює 0,1, отже, виходить 2,3 + стрілка стоїть посередині між штрихами, значить беремо значення показань 2,35 100 = 235 В.

Вийшло, що виміряне значення напруги становить 235, що в межах допустимого. Якщо в процесі вимірювань спостерігається постійна зміна значення цифр молодшого розряду, а у тестера стрілка постійно коливається, значить є погані контакти в з'єднаннях електропроводки і необхідно провести її ревізію.

Як вимірювати напругу батареї
акумулятора або блока живлення

Так як напруга джерел постійного струму зазвичай не перевищує 24 В, то дотик до клем і оголених проводів не є небезпечним для людини і особливих заходів безпеки дотримуватися не потрібно.

Для того, щоб оцінити придатність батареї, акумулятора або справність блоку живлення, потрібно вимірювати напругу на їх висновках. Висновки у круглих батарей знаходяться по торцях циліндричного корпусу, позитивний висновок позначений знаком «+».

Вимірювання напруги постійного струму мало чим відрізняється від вимірювання змінного. Потрібно просто переключити прилад у відповідний режим вимірювання та дотримуватись полярності підключення.

Величина напруги, яку створює батарейка, зазвичай нанесена на її корпусі. Але навіть якщо результат вимірювань показав достатню напругу, це ще не говорить про те, що батарейка хороша, оскільки виміряна ЕРС (електрорушійна сила), а не ємність батарейки, від якої залежить тривалість роботи виробу, в який вона буде встановлена.

Для більш точної оцінки ємності батарейки потрібно вимірювати напругу, приєднавши до її полюсів навантаження. Як навантаження для батареї 1,5 В добре підходить лампочка розжарювання для ліхтарика, розрахована на напругу 1,5 В. Для зручності роботи потрібно припаяти до її цоколя провідники.

Якщо напруга під навантаженням знижується менш ніж на 15%, то батарейка або акумулятор цілком придатні для експлуатації. Якщо немає вимірювального приладу, можна судити про придатність до подальшої експлуатації батарейки за яскравістю свічення лампочки. Але така перевірка не може гарантувати тривалість роботи батареї у пристрої. Вона лише свідчить, що в даний час батарея ще придатна до експлуатації.