Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 28. Електрична напруга. Одиниця напруги. Вольтметр

Кожний, напевно, чув застережливе «Не підходь — там висока напруга!», обурене «Знову впала напруга в мережі!», запитальне «На яку напругу розрахований цей прилад?». Із цього параграфа ви дізнаєтеся, що таке напруга і чому на всіх електротехнічних пристроях наводять її значення.

1. Даємо означення електричної напруги

У § 23 було доведено, що напрямлений рух вільних заряджених частинок (електричний струм) можливий завдяки дії на ці частинки сили з боку електричного поля. А з курсу фізики 7 класу вам відомо, що коли тіло рухається внаслідок дії певної сили і напрямок руху тіла збігається з напрямком дії цієї сили, то сила виконує роботу. Отже, коли в певній ділянці кола існує струм, то електричне поле виконує роботу. Цю роботу прийнято називати роботою струму.

Робота, яку може виконати або виконує електричне поле, переміщуючи заряд по даній ділянці кола, визначається електричною напругою.

Електрична напруга на ділянці кола — це фізична величина, яка чисельно дорівнює роботі електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду по цій ділянці.

Напругу позначають символом U і в загальному випадку визначають за формулою:

де А — робота, яку виконує (або може виконати) електричне поле з переміщення заряду q по даній ділянці кола.

Одиниця напруги в СІ — вольт (названа на честь італійського вченого А. Вольти):

[U] = 1 В.

1 В — це така напруга на ділянці кола, за якої електричне поле виконує роботу 1 Дж, переміщуючи по цій ділянці заряд, що дорівнює 1 Кл:

Крім вольта, на практиці часто застосовують кратні й частинні одиниці напруги: мікровольт (мкВ), мілівольт (мВ), кіловольт (кВ):

1 мкВ = 10^-6 В; 1 мВ = 10^-3 В; 1 кВ = 10³ В.

Так, електрична напруга на клітинній мембрані або мікрочипі становить кілька мікровольтів, а між хмарами під час грози — сотні кіловольтів.

А чи знаєте ви, яка напруга подається у ваш будинок? на акумулятор вашого мобільного телефона під час його заряджання?

2. Проводимо аналогію

Звернувшись до аналогії між електричним струмом і плином води (див. § 26), можна визначити, що напруга аналогічна різниці рівнів води в посудинах. Якщо рівні води в посудинах однакові, то вода не переливатиметься. Аналогічно, якщо на ділянці електричного кола відсутня напруга, то струму в ділянці не буде.

Чим більшою є різниця рівнів води в посудинах, тим більшу роботу виконає сила тяжіння під час падіння води масою 1 кг. Відповідно чим більшою є напруга на ділянці кола, тим більшу роботу виконає електрична сила під час переміщення цією ділянкою заряду 1 Кл.

3. Вимірюємо напругу, знайомимося з вольтметром

Для вимірювання напруги використовують прилад, який називається вольтметр (рис. 28.1). Вольтметр дуже схожий на амперметр — і зовні, і за принципом дії.

Рис. 28.1. Деякі види вольтметрів: а — шкільний демонстраційний; б — цифровий автомобільний

Як і будь-який вимірювальний прилад, вольтметр не має впливати на значення вимірюваної величини. У разі паралельного приєднання вольтметра до певної ділянки кола значення напруги на цій ділянці практично не змінюється.

Правила, яких необхідно дотримуватися під час вимірювання напруги вольтметром

• 1. Вольтметр приєднують паралельно до тієї ділянки кола, на якій необхідно виміряти напругу (рис. 28.2).
• 2. Клему вольтметра, біля якої стоїть знак «+», слід з’єднувати з проводом, який іде від позитивного полюса джерела струму; клему зі знаком «-» — із проводом, який іде від негативного полюса.
• 3. Для вимірювання напруги на виході джерела струму вольтметр приєднують безпосередньо до полюсів джерела (рис. 28.3).

Рис. 28.2. Вимірювання вольтметром напруги на лампі: а — загальний вигляд; б — схема електричного кола

Рис. 28.3. Вимірювання вольтметром напруги на виході джерела струму

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Напруга на клемах автомобільного акумулятора становить 12 В. З якої висоти має впасти вантаж масою 36 кг, щоб сила тяжіння виконала ту саму роботу, яку виконує електричне поле, переміщуючи заряд 300 Кл по одному з електричних кіл автомобіля?

Аналіз фізичної проблеми. За умовою задачі робота сили тяжіння дорівнює роботі електричного струму: А = А_струму. Записавши формулу для визначення роботи сили тяжіння та формулу роботи струму, визначимо висоту падіння вантажу.

Підбиваємо підсумки

Фізичну величину, яка чисельно дорівнює роботі електричного поля з переміщення одиничного позитивного заряду по певній ділянці кола, називають електричною напругою на цій ділянці кола.

Контрольні запитання

1. Доведіть, що, коли в провіднику тече струм, електричне поле виконує роботу. 2. Що називають напругою на деякій ділянці кола? 3. За якою формулою визначають електричну напругу? 4. У яких одиницях вимірюють напругу? 5. Дайте означення одиниці напруги. 6. Який прилад використовують для вимірювання напруги? Яких правил необхідно дотримуватися під час вимірювання напруги?

Вправа № 28

1. На рис. 1 зображено шкали різних вольтметрів. Визначте ціну поділки кожної шкали і напругу на кожному вольтметрі.

Рис. 1

2. На рис. 2 зображено схему електричного кола. Перенесіть схему до зошита і покажіть на ній, де потрібно приєднати вольтметр, щоб виміряти напругу на лампі. Позначте полярність клем вольтметра.

Рис. 2

3. Під час переміщення по ділянці кола заряду, що дорівнює 3 Кл, електричне поле виконало роботу 0,12 кДж. Визначте напругу на ділянці кола.

4. Електричне поле, переміщуючи ділянкою кола заряд 60 Кл, виконує ту саму роботу, яку виконує сила тяжіння під час падіння тіла масою 200 г з висоти 360 м. Чому дорівнює напруга на ділянці?

5. На рис. 3 зображено схему електричного кола. Визначте роботу електричного струму в лампі за 1 год, якщо покази амперметра і вольтметра становлять 0,5 А і 220 В відповідно.

Рис. 3

6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, складіть задачу на визначення роботи електричного струму в певному електротехнічному пристрої.

7. За графіком залежності сили пружності (F_пруж) від видовження (х) пружини визначте жорсткість (k) пружини (рис. 4). Чи залежить жорсткість пружини від сили пружності? від видовження?

Рис. 4