Напряжение на участке электрической цепи – формула для расчета

Напряжение на участке электрической цепи равно разности потенциалов между точками, выбранными на этом участке. Эта величина равна работе, которую совершает электрическое поле, действуя на единичный электрический заряд, в результате чего происходит перенос (перемещение) заряда из одной точки в другую. Расчет электрического напряжения производится с помощью закона Ома.

Напряжение на участке электрической цепи – формула для расчета

Работа электрического поля

Электрическое поле, оказывая силовое воздействие на заряды, сообщает им дополнительную энергию, то есть совершает работу. В процессе этой работы происходит превращение энергии электрического поля в другие виды энергии — механическую, внутреннюю (тепловую), световую (электромагнитное излучение).

Напряжение на участке электрической цепи – формула для расчета

Рис. 1. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Отношение работы А, совершенной электрическим полем по перемещению положительного заряда из одной точки поля в другую, к величине заряда q называется электрическим напряжением U между этими точками:

$ U = { А over q } $ (1).

Так как заряд измеряется в кулонах, то, следовательно, электрическое напряжение равно работе по перемещению заряда величиной в 1 кулон из одной точки поля в другую.

Величина работы, совершенной электрическим полем, будет равна:

$ А = q * U $ (2).

Электрическое поле также, как и гравитационное, является потенциальным. Поэтому работа, совершенная в процессе перемещения заряда из одной точки в другую не зависит от траектории, по которой произошло перемещение. Отсюда следует важный вывод — при перемещении электрического заряда по произвольной замкнутой траектории работа, произведенная силами электрического поля равна нулю.

Напряжение на участке электрической цепи – формула для расчета

Рис. 2. Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом.

Потенциал

Напряженность электрического поля характеризует его силовые свойства. Для количественной характеристики энергетических возможностей поля было введено понятие потенциала. Потенциал электростатического поля φ — это отношение потенциальной энергии Wp заряда в поле к величине заряда q:

$ φ = {Wpover {q * U}} $ (3).

Тогда напряжение между двумя точками электрической цепи (1-ой и 2-ой) можно выразить так:

$ U = φ_1 – φ_2 $ (4).

То есть становится более понятным физический смысл величины напряжения — это разность потенциалов в начальной точке 1 и конечной точке 2.

Для понимания смыслового значения напряжения можно воспользоваться аналогией с гравитационным полем, которое тоже является потенциальным. Масса тела m аналогична величине заряда q, а высота h, с которой может упасть, например, камень или поток воды, вращающий турбину, аналогична напряжению U. Напомним выражение для потенциальной энергии тела массы m в гравитационном поле Земли:

$ Е_p = m * g * h $ (5),

где: g — ускорение свободного падения, 9,8 м/с2. Видно, что формулы (2) и (4), полученные для разных потенциальных полей, очень похожи.

Расчет напряжения и тока на участке электрической цепи

Проведем расчет на участке цепи, который не содержит ЭДС, то есть внешнего источника тока.

Напряжение на участке электрической цепи – формула для расчета

Рис. 3. Закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС.

Пускай потенциалы в точках 1 и 2 будут φ1 и φ2 соответственно, и φ1 > φ2. Тогда, согласно уравнения (4) напряжение между точками 1 и 2 U12 будет равно:

$ U_{12} = φ_1 – φ_2 $ (6).

Уравнение (5) называется формулой напряжения электрической цепи, не содержащей ЭДС.

Пользуясь формулой закона Ома найдем величину тока I в цепи, протекающего через сопротивление R:

$ I = {U_{12} over R} = {{φ_1 – φ_2}over R} $ (7).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что напряжение на участке электрической цепи равно разности потенциалов. Потенциал электростатического поля φ — это отношение потенциальной энергии Wp заряда в поле к величине заряда q. Приведена формула для напряжения участка электрической цепи, не содержащей ЭДС.

Предыдущая
ФизикаТепловое движение молекул – энергия атомов, средняя квадратичная скорость
Следующая
ФизикаНапряжение электрического тока – виды, формула, единица измерения
Помогли? Поставьте оценку, пожалуйста.
Плохо
0
Хорошо
0
Супер
0
Добавить комментарий

Следи за нами в FaceBook.
Все новые статьи и много уникального!
Спасибо, не показывайте мне эту штуку больше!
Друг, не уходи! Подпишись ВК!
Друг, не уходи!