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.
$ 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.
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.
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.
