Что измеряется в вольтах?

Правильных ответов на вопрос, что измеряется в вольтах, несколько. С помощью единицы СИ, именуемой в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, выражают численные значения следующих электрических величин: потенциала, напряжения (разности потенциалов) и электродвижущей силы. Попробуем разобраться, каков физический смысл каждой из них.

Содержание статьи

Что такое потенциал, напряжение, электродвижущая сила?

Электрическое поле относится к потенциальным, поскольку работа по перемещению заряда по некоторой замкнутой траектории в нем равна нулю. Иначе это свойство можно сформулировать так: энергия, затраченная на перенос заряда из одного места поля в другое, не зависит от формы пути, а определяется только его начальной и конечной точками. Данное утверждение дает возможность ввести особую энергетическую характеристику электрического поля, которую называют разностью потенциалов или напряжением, численно представляющую собой отношение работы, затраченной на перемещение заряженной частицы, к величине ее заряда. Отсюда можно выразить вольт через две другие единицы СИ: джоуль и кулон (1 В = 1 Дж/Кл). Если идет речь о разности потенциалов между текущей точкой поля и некоторой заранее выбранной, положение которой можно принять, например, на поверхности Земли или в бесконечности, то говорят просто о ее потенциале.

Поясним это с помощью картинки, на которой представлены поля, создаваемые одним (a) и двумя (c) точечными положительными зарядами, а также системой из одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов – диполем (b). Красными стрелками здесь обозначены направления силовых линий поля, а каждая синяя кривая определяет так называемую эквипотенциальную поверхность – все принадлежащие ей точки имеют равный потенциал ϕ. Для переноса пробного заряда вдоль силовой линии поля с одной эквипотенциальной поверхности ϕ1 на другую ϕ2 нужно совершить работу, величина которой будет пропорциональна разности потенциалов ϕ1–ϕ2.

Можно заметить, что линии напряженности ориентированы «от плюса к минусу», то есть именно в таком направлении поле будет перемещать пробный положительный заряд. Это же направление принято за нормальное в случае, когда определяют, откуда и куда течет электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение заряженных частиц.

Рассмотрим электрическую цепь, в которой необходимо обеспечить длительное существование тока, состоящую из источника и сопротивления нагрузки R (на картинке). Заметно, что в последней ток течет в правильном направлении, но тогда получается, что внутри батарейки плюсовые заряды должны перемещаться «от минуса к плюсу». С этим электрическое поле самостоятельно справиться не может. Поэтому нужны сторонние силы неэлектрического происхождения (например, химической природы), которые способны переносить положительные частицы от точки с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом. Количественной характеристикой подобного процесса, происходящего в источниках питания, является электродвижущая сила (эдс) – отношение работы сторонних сил, затраченной на перемещение электрического заряда по замкнутому контуру, к величине этого заряда. Из данного определения также становится ясно, что данная физическая величина хоть и именуется силой, но измеряется, как и разность потенциалов, в вольтах.

к содержанию ↑

Значения напряжений и эдс в вольтах для различных объектов

  • Почти любой знает с детства, что в розетке бытовой электросети напряжение составляет 220 В. Однако это справедливо не везде: в различных странах мира стандартное значение данного показателя варьируется от 110 до 240 В.
  • Эдс никель-кадмиевого элемента питания равна 1,2 В, щелочного элемента – 1,5 В, батарейки типа «Крона» – 9 В, напряжение без нагрузки на клеммах аккумулятора легкового автомобиля – 12 В.
  • Контактная сеть наземного электротранспорта (троллейбуса, трамвая) характеризуется постоянным напряжением 600 В; для питания электровозов, движущих железнодорожные составы, необходимо 3 кВ при постоянном токе или 25 кВ при переменном.
  • Напряжение на магистральных линиях электропередач (ЛЭП) – от 110 до 1150 кВ. Такие высокие значения данного параметра обусловлены тем, что передача больших мощностей в этом случае сопровождается наименьшими потерями.
  • Напряжение в разряде молнии может составлять от 107 до 109 В.