В чем измеряется физическая величина напряжение. Что такое напряжение и ток. Что такое ток

Эпоха научно-технического прогресса требует измерять всё. Электрические сети не являются исключением. Для проведения этих измерений важно знать, в каких единицах измеряется напряжение. В самой распространённой системе СИ единица измерения напряжения обозначается 1 Вольт или сокращённо – 1В. Может также обозначаться 1V. Это обозначение выбрано в честь физика из Италии Алессандро Вольта.

Что такое электрическое напряжение

Оно не может существовать само по себе, как вес. Есть два случая, требующих его измерения:

• Между разными узлами электрической цепи или концами проводника. 1 Вольт – это такой потенциал, при котором ток величиной 1 Ампер выделяет 1 Ватт мощности;
• Измерение напряженности электростатического поля проводится между двумя точками поля. Единица напряжения 1 Вольт – это такой потенциал, при котором заряд 1 Кулон совершает работу 1 Джоуль.

Эффект Джозефсона

С 1990 года есть ещё одно определение электрического напряжения. Его значение связано с эталоном частоты и цезиевыми часами. При этом используется нестационарный эффект Джозефсона6 при облучении специальной матрицы излучением на частоте 10-80 ГГц на ней появляется потенциал, величина которого не зависит от условий эксперимента.

Действующее значение напряжения

Определение величины электрического потенциала между участками сети производится по количеству тепла или работе, совершённой за определённое время. Но это справедливо только для постоянного тока. Переменное напряжение имеет синусоидальную форму. В максимуме амплитуды оно максимально, а при переходе от положительной полуволны к отрицательной равно нулю.

Поэтому для расчётов используется среднее значение, которое называется «действующее значение», при расчетах приравнивающееся к постоянному той же величины.

От максимального оно отличается в 1,4 раза или √2. Для сети 220В максимальное значение составляет 311В. Это имеет значение при выборе конденсаторов, диодов и других элементов электронных схем.

Определение величины напряжения

Чем измеряется напряжение? Это производится специальным прибором – вольтметром. Он может иметь различную конструкцию, быть цифровым или стрелочным, но его сопротивление должно быть максимально возможным, а ток – минимальным. Это необходимо для того, чтобы свести к минимуму влияние прибора на сеть и потери в проводах, идущих от источника питания к вольтметру.

Сеть постоянного тока

Эти измерения производятся магнитоэлектрическими приборами. В последнее время широко используются устройства с цифровым табло.

Самый простой способ – прямое подключение прибора к месту измерения. Это возможно при соблюдении ряда условий:

• Предел измерения больше ожидаемого максимума. Если оно до начала измерений неизвестно, то следует выбрать наибольший предел и последовательно его уменьшать;
• Соблюдение полярности подключения. При неправильном подключении стрелка отклонится в обратную сторону, а цифровое табло покажет отрицательную величину.

Если предел измерений недостаточен, то его можно расширить при помощи добавочного сопротивления. Оно может быть внешним или внутренним. Можно использовать несколько сопротивлений и переключать их для изменения предела прибора. Так устроен мультиметр.

Сеть переменного тока

Напряжение измеряется в сети переменного электрического тока приборами всех типов, кроме магнитоэлектрических. Эти устройства можно использовать, только подключив их к выходу выпрямителя.

Для увеличения предела измерения есть несколько способов. Для этого к прибору подключается дополнительно одно из устройств:

• добавочные сопротивления;
• при неизменной частоте сети вместо сопротивления используются конденсаторы;
• самый распространённый вариант – применение трансформатора напряжения.

Требования к измерительным устройствам и дополнительным приспособлениям такие же, как к устройствам постоянного тока.

Веками люди пытались найти ответ на вопрос, что такое ток. Между тем современная наука дает вполне однозначное определение электрического тока. С него и начнем.

Что такое электрический ток

Электрический ток есть упорядоченное движение электрически заряженных частиц в каком-либо проводнике. Для его возникновения необходимо создание так называемого электрического поля, потому что именно под воздействием электрического поля заряженные частицы и приходят в движение. Надо сказать, что электрические заряды возникают практически постоянно при тесном контакте всевозможных веществ.

Иногда заряды свободно перемещаются между различными частями - в таком случае речь идет о проводниках электрического тока. Если же свободное перемещение частиц невозможно, то говорят об изоляторах.

• Примеры проводников - водные растворы кислот и солей и практически все металлы (они имеют разную степень проводимости, но проводниками являются все без исключения).
• К изоляторам относятся такие вещества, как янтарь, эбонит, различные кварцы и большинство газов. Также изоляторами являются и искусственно созданные вещества (полиэтилен, поливинилхлорид и другие).

В чем измеряется ток

Существует несколько основных параметров измерения электрического тока. Наиболее важными считаются сила тока и напряжение. Однако для полного описания всех параметров мы расскажем и о таких характеристиках, как мощность, сопротивление и частота, о которой мы расскажем, когда будем давать определение переменного тока.

Сила тока

Сила тока - измеряемая физическая величина, которая равна отношению количества заряда, проходящего за определенное время через проводник (точнее - его поперечное сечение), к величине указанного промежутка времени. Как мы знаем, сила тока измеряется в Амперах (А). Также, говоря о силе тока, нельзя не упомянуть и такую величину, как плотность тока.

Плотностью тока называют отношение силы тока, проходящего сквозь определенный элемент поверхности, к площади этого элемента.

Мощность тока

Мощностью называется такая работа, которая выполняется частицами электрического тока против электрического сопротивления. Результаты этой работы мы видим в выделяющейся тепловой энергии. Поэтому, если говорить проще, мощность электрического тока - это количество выделяемого тепла за единицу времени. Измеряют мощность в Ваттах (Вт).

Напряжение тока

Напряжением электрического тока называется отношение работы тока к заряду на определенном участке цепи. Заряд тока измеряется в Кулонах (Кл), а работа - в Джоулях (Дж). Таким образом напряжение можно измерить так: 1Дж/1Кл. Как вы уже, наверное, догадались, полученное значение будет равно 1 Вольту (В) - основной единице, в которых измеряют напряжение.

Электрическое сопротивление

В свое время немецкий ученый Георг Симон Ом заметил, что приборы выдают различную силу тока при использовании разных электрических цепей. Таким образом было доказано, что различные проводники имеют разное электрическое сопротивление. Формула расчета сопротивления проста. Отметим само сопротивление буквой R, L будет обозначать длину проводника, а S - площадь поперечного сечения. В этом случае сопротивление вычисляется по формуле R=L/S. Измеряется сопротивление в Омах.

Что такое постоянный ток и переменный ток

Собственно говоря, ответ на этот вопрос весьма прост. Постоянным током называется такой ток, в котором величина и направление практически не меняются во времени. Постоянный ток поэтому не имеет и частоты изменения. Потому, когда на производстве имеют в виду постоянный ток, то говорят о таком токе, у которого нулевая частота.

Вот мы и подошли к определению того, что такое переменный ток. Переменным током называется такой ток, который меняется за определенный промежуток времени по величине и направлению. Теперь поговорим о такой характеристике переменного тока, как частота.

Частота переменного тока

Частотой называется количество циклов изменения электрического тока за определенную единицу времени. Измеряют частоту переменного тока в Герцах (Гц). Так, частота промышленного тока в России и во многих других странах мира равна 50 Гц, а, например, в США используется переменный ток частотой 60 Гц.

И последнее, о чем хотелось бы рассказать: от чего зависит ток, точнее говоря - его определенные параметры. Отчасти мы уже ответили на этот вопрос. Как мы уже говорили, сила тока и сопротивление зависят от характеристик проводящих материалов, а частота - от способности переменного тока изменять свои характеристики. Что касается возникновения тока, то для этого должны быть соблюдены определенные условия, а именно: наличие движения заряженных частиц, которое может возникнуть как естественным, так и искусственным путем.

Вольтметр – это измерительный прибор, который предназначен для измерения напряжения постоянного или переменного тока в электрических цепях.

Вольтметр подключается параллельно к выводам источника напряжения с помощью выносных щупов. По способу отображения результатов измерений вольтметры бывают стрелочные и цифровые.

Величина напряжения измеряется в Вольтах , обозначается на приборах буквой В (в русском языке) или латинской буквой V (международное обозначение).

На электрических схемах вольтметр обозначается латинской буквой V, обведенной окружностью, как показано на фотографии.

Напряжение тока бывает постоянное и переменное. Если напряжение источника тока переменное, то перед значением ставится знак "~ ", если постоянного, то знак "– ".

Например, переменное напряжение бытовой сети 220 Вольт кратко обозначается так: ~220 В или ~220 V . На батарейках и аккумуляторах при их маркировке знак "– " часто опускается, просто нанесено число. Напряжение боротой сети автомобиля или аккумулятора обозначается так: 12 В или 12 V , а батарейки для фонарика или фотоаппарата: 1,5 В или 1,5 V . На корпусе в обязательном порядке наносится маркировка возле положительного вывода в виде знака "+ ".

Полярность переменного напряжения изменяется во времени. Например, напряжение в бытовой электропроводке изменяет полярность 50 раз в секунду (частота изменения измеряется в Герцах, один Герц равен одному изменению полярности напряжения в одну секунду).

Полярность постоянного напряжения во времени не меняется. Поэтому для измерения напряжения переменного и постоянного тока требуются разные измерительные приборы.

Существуют универсальные вольтметры, с помощью которых можно измерять как переменное, так и постоянное напряжение без переключения режимов работы, например, вольтметр типа Э533.

Как измерять напряжение в электропроводке бытовой сети

Внимание! При измерении напряжения величиной выше 36 В недопустимо прикосновение человека к оголенным провода, так как можно получить удар током.

Согласно требованиям ГОСТ 13109-97 действующее значение напряжения в электрической сети должно быть 220 В ±10% , то есть может изменяться в пределах от 198 В до 242 В . Если в квартире стали тускло гореть лампочки или часто перегорать, стала не стабильно работать бытовая техника, то для принятия мер, требуется сначала измерять значение напряжения в электропроводке.

Приступая к измерениям, необходимо подготовить прибор: – проверить надежность изоляции проводников с наконечниками и щупов; – установить переключатель пределов измерений в положение измерения переменного напряжения не менее 250 В;

– вставить разъемы проводников в гнезда прибора ориентируясь по надписям возле них;

– включить измерительный прибор (если необходимо).

Как видно на картинке, в тестере выбран предел изменения переменного напряжения 300 В, а в мультиметре 700 В. Во многих моделях тестеров, нужно установить в требуемое положение сразу несколько переключателей. Род тока (~ или –), вид измерений (В, А или Омы) и еще вставить концы щупов в нужные гнезда.

В мультиметре конец щупа черного цвета вставлен в гнездо COM (общее для всех измерений), а красного в V, общий для изменения постоянного и переменного напряжения, тока, сопротивления и частоты. Гнездо, обозначенное ma , используются для измерения малых токов, 10 А при измерении тока достигающего 10 А.

Внимание! Измерение напряжения, когда штекер вставлен в гнездо 10 А выведет прибор из строя. В лучшем случае перегорит вставленный внутри прибора предохранитель, в худшем придется покупать новый мультиметр. Особенно часто допускают ошибки при использовании приборов для измерения сопротивления, и, забыв переключить режим, измеряют напряжение. Встречал не один десяток таких неисправных приборов, с горелыми резисторами внутри.

После проведения всех подготовительных работ можно приступать к измерению. Если Вы включили мультиметр, а на индикаторе не появились цифры, значит, либо в прибор не установлена батарейка или она уже выработала свой ресурс. Обычно в мультиметрах применяется батарейка типа «Крона», напряжением 9 В, срок годности которой один год. По этому, даже если прибор не использовался долгое время, батарейка может быть неработоспособна. При эксплуатации мультиметра в стационарных условиях целесообразно вместо кроны использовать адаптер ~220 В/–9 В.

Вставляете концы щупов в розетку или прикасаетесь ними к проводам электропроводки.

Мультиметр сразу покажет напряжение в сети, а вот в стрелочном тестере показания надо еще уметь прочитать. На первый взгляд, кажется, что сложно, так как много шкал. Но если присмотреться, то становится ясно, по какой шкале считывать показания прибора. На рассматриваемом приборе типа ТЛ-4 (который безотказно мне служит более 40 лет!) есть 5 шкал.

Верхняя шкала используется для снятия показаний, когда переключатель стоит в положениях кратных 1 (0,1, 1, 10, 100, 1000). Шкала, расположенная чуть ниже, кратных 3 (0,3, 3, 30, 300). При измерениях напряжения переменного тока величиной 1 В и 3 В, нанесены еще 2 дополнительные шкалы. Для измерения сопротивления имеется отдельная шкала. Аналогичную градуировку имеют все тестеры, но кратность может быть любая.

Так как предел измерений был выставлен ~300 В, значит, отсчет нужно производить по второй шкале с пределом 3, умножив показания на 100. Цена маленького деления равна 0,1, следовательно, получается 2,3 + стрелка стоит посередине между штрихами, значит, берем значение показаний 2,35×100=235 В.

Получилось, что измеренное значение напряжения составляет 235 В, что в пределах допустимого. Если в процессе измерений наблюдается постоянное изменение значения цифр младшего разряда, а у тестера стрелка постоянно колеблется, значит, имеются плохие контакты в соединениях электропроводки и необходимо провести ее ревизию.

Как измерять напряжение батарейки
аккумулятора или блока питания

Так как напряжение источников постоянного тока обычно не превышает 24 В, то прикосновение к клеммам и оголенным проводам не опасно для человека и особых мер безопасности соблюдать не требуется.

Для того, чтобы оценить годность батарейки, аккумулятора или исправность блока питания требуется измерять напряжение на их выводах. Выводы у круглых батареек находятся по торцам цилиндрического корпуса, положительный вывод обозначен знаком «+».

Измерение напряжения постоянного тока практически мало чем отличается от измерения переменного. Нужно просто переключить прибор в соответствующий режим измерения и соблюдать полярность подключения.

Величина напряжения, которое создает батарейка обычно нанесена на ее корпусе. Но даже если результат измерений показал достаточное напряжение, это еще не говорит о том, что батарейка хорошая, так как измерена ЭДС (электро движущая сила), а не емкость батарейки, от которой зависит продолжительность работы изделия, в которое она будет установлена.

Для более точной оценки емкости батарейки нужно напряжение измерять, подсоединив к ее полюсам нагрузку. В качестве нагрузки для батарейки 1,5 В хорошо подходит лампочка накаливания для фонарика, рассчитанная на напряжение 1,5 В. Для удобства работы нужно припаять к ее цоколю проводники.

Если напряжение под нагрузкой снижается менее, чем на 15%, то батарейка или аккумулятор вполне пригодны для эксплуатации. Если нет измерительного прибора, то можно судить о годности к дальнейшей эксплуатации батарейки по яркости свечения лампочки. Но такая проверка не может гарантировать продолжительность работы батарейки в устройстве. Она лишь свидетельствует, что в настоящее время батарейка еще пригодна к эксплуатации.

Единица измерения напряжения

В начале, мы коротко вспомним понятие напряжения и единицы измерения напряжения. Электрический ток можно рассматривать как направленное движение электронов, вызванное воздействием электрического поля.

Единица измерения напряжения

Чем больше количество перемещающихся электронов, тем больше совершается работа электрическим полем. Кроме тока на работу электрического поля влияет и напряжение.

Эта работа заключается в перемещении электронов из точки с небольшим потенциалом в точку, где заряд электронов больше. Иными словами напряжение можно рассматривать как разность потенциалов, и определяется оно отношением:

U = A/q где: A — выражается в джоулях как работа электрического поля, а q — заряд электронов в кулонах.

Откуда единица измерения напряжения определяется как:

1В = 1 Дж/1Кл. То есть за единицу измерения напряжения принят 1 Вольт.

В электрической сети жилых домов принят стандарт фазного напряжения 220 В или линейного трехфазного напряжения 380 В.

Измерение напряжения мультиметром

Для измерения напряжения необходим мультиметр, тестер или вольтметр. Мультиметром удобно пользоваться при монтаже электропроводки, прозвонки кабелей, ремонте розеток, люстр и выключателей. Таким образом, мультиметр стал необходимым прибором в каждом доме.

Существует три вида напряжения — это переменное напряжение (ACV), постоянное напряжение (DCV) и импульсное. Импульсное напряжение имеет несколько параметров и его лучше проверять осциллографом. Мультиметром можно проверить импульсное напряжение в положении переключателя DCV, но лишь чисто условно. При ремонте импульсных блоков питания пользуются осциллографом.

В квартирах и домах в большинстве электрическая сеть имеет 220 В. Измеряя переменное напряжение, переключатель вида измерений ставят положение V ~. Если измеряемое переменное напряжение известно, то предел измерения ставят соответствующее положение, а если величина его не известна, то переключатель ставят на максимальный предел 750 V.

Положение переключателя при измерении напряжения

Перед измерением напряжения мультиметром, чёрный щуп вставляют в гнездо COM, а красное гнездо в VΩmA. При измерении нельзя касаться руками металлических частей щупов и закорачивать их, во избежание короткого замыкания. Гнездо мультиметра 10А предназначено для измерения постоянного тока до 10А.

При этом красный щуп вставляется в гнездо 10 A, чёрный остается в гнезде COM, а переключатель устанавливается в положении 10 A. При измерении постоянного напряжения щупы ставят в те же гнезда что и при измерении переменного напряжения, а выбор режима измерения ставят в положение V — соответствующего предела.

Используемые гнезда для измерения напряжения

Щупы при этом должны устанавливаться на соответствующую полярность, красный щуп на плюс (+) измеряемого источника, а чёрный на минус (-). Если щупы перепутать, то ничего страшного не произойдет, только мультиметр покажет знак минус (-) перед цифрой. Для переменного напряжения полярность щупов не имеет значения. В быту измерение постоянного напряжения проводят при проверке батареек, аккумуляторов, ремонте бытовой техники.

Как в розетке проверить напряжение мультиметром

Чтобы измерить напряжение в розетке нужно провести те же операции с мультиметром, что и при измерении переменного напряжения. Так как к розетке подведено переменное напряжение 220 В, с некоторым разбросом, то предел измерения ставят в положение 750 V. Черный щуп должен находиться в гнезде COM, а красной в VΩmA. Осторожно, не касаясь руками металлических концов щупов, вставляют их в гнезда розетки. На дисплее высветится сетевое напряжение.

Измерение напряжения в розетке

Мультиметром также, можно определить фазу в розетке. Для этого один щуп прикладывается к заземлению, на третий заземляющий контакт розетки, а другой щуп по очереди вставляется в гнезда розетки, пока на дисплее не появится напряжение сети. В этом гнезде и будет находиться фаза, а в другом нейтраль. Возможен вариант, когда напряжение будет отсутствовать в этой розетке. Это указывает на неисправность самой розетки или в подведенных к ней электрических проводах.

В процессе эксплуатации бытовых электроприборов возникают ситуации, когда требуется измерение напряжения. Для проверки работоспособности розеток не всегда достаточно однополюсного указателя: наличие фазы он проверит, а вот для диагностики обрыва нулевого провода этот метод не поможет. То же самое относится и к неисправностям осветительных приборов. Для определения целостности удлинителей и шнуров питания бытовых приборов метод измерения напряжения является более наглядным.

При помощи вольтметра выявляются такие неисправности, как некачественное контактное соединение, снижающее величину напряжения на нагрузке. Указатель покажет наличие на ней фазы, но из-за недостаточной величины напряжения электроприбор может работать с пониженной мощностью (обогреватель) или не работать совсем (телевизор, компьютер, стиральная машина).

Только измерением можно определить наличие повышенного или пониженного напряжения в электрической сети. Завышенное напряжение – частая причина поломок бытовой техники. Электроприборы начинают потреблять больший ток и работать в режиме, не предусмотренном производителем. Следствие этого – сокращение ресурса работы. Лампы накаливания при завышенном напряжении не только быстрее перегорают, но и взрываются при включении.

Заниженное значение напряжения в сети не менее опасно для бытовых электроприборов. Электроинструмент перегревается, а компрессор холодильника выходит из строя.

Причины и методы измерений колебаний напряжения

Согласно ГОСТ 13109 величина напряжения в сети не должны выходить из диапазона 198 – 242 В (220В ± 10%). Если у вас часто выходят из строя лампы, периодически изменяется их световой поток или при загадочных обстоятельствах выходит из строя бытовая техника, нужно проверить величину напряжения в электропроводке. Во избежание ненужных поломок электроприборов, до окончания проверки лучше отключить от сети все лишнее.

Измерения производятся либо постоянным наблюдением за подключенным к сети вольтметром или мультиметром, либо периодическим (раз в полчаса) измерением в фиксацией показаний. Величина напряжения в сети не постоянна и изменяется в зависимости от степени загруженности. Самое высокое значение будет ночью, когда все спят и не пользуются электроприборами.

При колебаниях и провалах напряжения, возникающих на короткое время, для контроля полезно использовать лампы накаливания. Если лампочка вдруг потускнеет или ярче загорится – в тот же момент производится измерение напряжения в сети. Причиной таких колебаний является подключение к сети мощных потребителей, снижающих напряжение в фазе, к которой они подключены. В оставшихся фазах напряжение может наоборот – вырасти.

Посадки напряжения, вызванные работой сварочного аппарата, легко выявляются при помощи лампы накаливания. Она будет снижать яркость свечения при сварке и гореть совсем тускло в моменты «залипания» электрода. Тот, кто хоть иногда пользовался сварочным аппаратом, по ритму изменений яркости лампы безошибочно определит, что провалы напряжения вызваны именно им.

Самая серьезная причина изменения величины напряжения – обрыв нуля в трехфазной питающей сети. Все потребители дома или поселка равномерно распределяются по трем фазам. При наличии нуля напряжение у всех примерно одинаковое и незначительно зависит от нагрузки по фазам. Но при его обрыве напряжение перераспределяется таким образом, что на фазе с минимальной нагрузкой напряжение становится наибольшим. При нагрузке, близкой к нулю, напряжение приближается к 380 В.

При подозрении на обрыв нуля (резкие изменения яркости свечения ламп, как в большую, так и в меньшую сторону, изменение тона работы компрессора холодильника, частоты вращения электроинструмента), немедленно обесточьте всю квартиру и измерьте напряжение на вводе.

Линейные и фазные напряжения

При выполнении измерений в электрощитах полезно знать, чем отличается линейное напряжение от фазного. На вход трехфазных щитков приходят кабели с четырьмя-пятью жилами. Три жилы – это «фазы», четвертая жила четырехжильного кабеля – совмещенный нулевой проводник. Назначение двух оставшихся жил пятижильного кабеля – рабочий ноль и защитный ноль.

Напряжение между любыми двумя фазами называется линейным и равно 380 В. Напряжение между фазой и нулевым рабочим (совмещенным) проводником называется фазным и равно 220 В. Напряжение между фазой и нулевым защитным проводником в нормальном режиме работы сети равно фазному, между защитным и рабочим проводниками – нулю.

Однофазные щитки получают питание от двух- или трехжильных кабелей, все автоматические выключатели них – однополюсные. Напряжение в них измеряется между фазой и нулем и оно – только фазное, равное 220 В.

Как измерить напряжение?

Для измерений используются приборы:

— вольтметр – специализированный прибор, предназначенный только для измерения напряжения;

— мультиметр – комбинированный цифровой прибор, предназначенный для измерения ряда электрических величин ();

— тестер – комбинированный аналоговый прибор, выполняющий функции мультиметра., но в отличие от него имеющий шкалу со стрелкой.

Перед использованием нужно обратить внимание на состояние изоляции соединительных проводов прибора и изучить инструкцию по его эксплуатации. При использовании мультиметров и тестеров – правильно выбрать род тока и предел измерения.

Род тока	Обозначение на мультиметре	Обозначение на тестере
Переменный	АС	~
постоянный	DC	=

Предел измерения всегда первоначально выставляется больше ожидаемого. При измерении напряжений в трехфазном щитке он не должен быть ниже 500 В.

При измерениях напряжений источников постоянного тока нужно соблюдать полярность подключения прибора. Для тестера это очень важно, так как при ошибке в подключении его стрелка отклонится в обратную сторону. Мультиметр при обратной полярности покажет на индикаторе перед измеренным значением знак «–». И не забудьте переключить прибор в режим измерения постоянного напряжения.