Глава 2. Электрические явления. § 39. Электрическое напряжение. Измерение напряжения — с. 146
§ 39. Вопрос 1. Какой вывод можно сделать из опыта, показанного на рисунке 94?
В опыте две лампы включены в цепи с одинаковой силой тока: показания амперметров равны, значит, за одно и то же время через каждую лампу проходит один и тот же электрический заряд. Однако лампа, включённая в городскую сеть, горит ярче, чем лампа, включённая в цепь с батарейкой. Следовательно, при одинаковом переносимом заряде работа электрического поля в этих цепях разная: во втором случае она больше. Поэтому одной только силы тока недостаточно, чтобы описать действие тока: нужна ещё одна величина, показывающая, какую работу совершает поле при перемещении единичного заряда. Эту величину называют электрическим напряжением.
§ 39. Вопрос 2. Что характеризует напряжение?
Напряжение характеризует электрическое поле в цепи, а именно его энергетические возможности: оно показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении заряда, равного 1 Кл, из одной точки цепи в другую. Напряжение равно отношению работы поля к перенесённому заряду: U = A/q, и это отношение не зависит от самого заряда. Чем больше напряжение на участке цепи, тем большую работу совершает поле при перемещении одного и того же заряда и тем больше энергии превращается, например, в свет и теплоту лампы.
§ 39. Вопрос 3. Какова единица напряжения?
В СИ единицей напряжения является вольт (В), названный в честь итальянского физика Алессандро Вольты. Напряжение между двумя точками цепи равно 1 В, если работа электрического поля по перемещению между этими точками заряда 1 Кл равна 1 Дж: 1 В = 1 Дж/Кл. На практике используют также милливольт и киловольт: 1 мВ = 10⁻³ В, 1 кВ = 10³ В.
§ 39. Вопрос 4. Каким прибором измеряют напряжение?
Напряжение измеряют вольтметром. Его устройство и принцип действия похожи на гальванометр и амперметр: стрелка прибора отклоняется тем сильнее, чем больше напряжение. Шкала вольтметра градуируется в вольтах, на ней ставят букву V. На схемах вольтметр обозначают кружком с буквой V внутри.
§ 39. Вопрос 5. Как включают вольтметр в цепь?
Вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на котором нужно измерить напряжение. Для этого один провод от вольтметра присоединяют к одной точке участка (например, к одному выводу лампы), а другой — к другой его точке (ко второму выводу). Клемму вольтметра со знаком «+» соединяют с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Амперметр, в отличие от вольтметра, включают в цепь последовательно (на схеме: лампа и амперметр идут один за другим, а вольтметр «обходит» только лампу).
§ 39. Вопрос 6. Как включить вольтметр для измерения напряжения на полюсах источника тока?
Чтобы измерить напряжение на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к клеммам источника, то есть параллельно ему, при этом остальную цепь можно не собирать. Клемму вольтметра со знаком «+» присоединяют к положительному полюсу источника, а клемму без знака — к отрицательному. Вольтметр покажет напряжение источника (например, 1,5 В у батарейки).
Упражнение 31. Задача 1. Электрическая лампочка от карманного фонарика и электрическая лампа, применяемая в осветительной сети, рассчитаны на потребление силы тока около 0,28 А. Однако вторая лампа излучает значительно больше света и тепла, чем первая. Почему?
Решение. Сила тока в обеих лампах одинакова, то есть за одно и то же время через каждую проходит один и тот же заряд q = I·t. Но напряжения на лампах разные: лампочка карманного фонарика рассчитана на напряжение около 3,5 В, а лампа осветительной сети — на 220 В. Работа электрического поля по перемещению заряда равна A = U·q = U·I·t, поэтому при одинаковых I и t она пропорциональна напряжению. Например, за 1 с в лампочке фонарика совершается работа 3,5 В · 0,28 А · 1 с ≈ 1 Дж, а в лампе сети — 220 В · 0,28 А · 1 с ≈ 62 Дж, то есть примерно в 63 раза больше. Именно эта работа превращается во внутреннюю энергию нити накала и в излучение (свет и тепло).
Ответ: при той же силе тока напряжение на лампе сети во много раз больше, поэтому поле совершает бо́льшую работу, и лампа излучает больше света и тепла.
Ответ: при той же силе тока напряжение на лампе сети во много раз больше, поэтому поле совершает бо́льшую работу, и лампа излучает больше света и тепла.
Упражнение 31. Задача 2. Напряжение на лампочке карманного фонарика 3,5 В. Что это означает?
Решение. Напряжение на участке цепи показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении по этому участку заряда 1 Кл: U = A/q, 1 В = 1 Дж/Кл.
Ответ: напряжение 3,5 В означает, что при прохождении через лампочку электрического заряда 1 Кл электрическое поле совершает работу 3,5 Дж.
Ответ: напряжение 3,5 В означает, что при прохождении через лампочку электрического заряда 1 Кл электрическое поле совершает работу 3,5 Дж.
Упражнение 31. Задача 3. При прохождении одинакового электрического заряда в одном проводнике совершается работа 80 Дж, а в другом — 300 Дж. На каком проводнике напряжение больше?
Во сколько раз?
Дано: A₁ = 80 Дж; A₂ = 300 Дж; q₁ = q₂ = q.
Найти: где U больше; U₂/U₁ — ?
Решение. Напряжение U = A/q, значит, U₁ = A₁/q, U₂ = A₂/q. При одинаковом заряде напряжение прямо пропорционально работе, поэтому оно больше на втором проводнике. Найдём отношение: U₂/U₁ = A₂/A₁ = 300 Дж / 80 Дж = 3,75.
Ответ: напряжение больше на втором проводнике, в 3,75 раза.
Найти: где U больше; U₂/U₁ — ?
Решение. Напряжение U = A/q, значит, U₁ = A₁/q, U₂ = A₂/q. При одинаковом заряде напряжение прямо пропорционально работе, поэтому оно больше на втором проводнике. Найдём отношение: U₂/U₁ = A₂/A₁ = 300 Дж / 80 Дж = 3,75.
Ответ: напряжение больше на втором проводнике, в 3,75 раза.
Упражнение 31. Задача 4. Каково напряжение на автомобильной лампочке, если при прохождении через неё электрического заряда 100 Кл совершена работа 1,2 кДж?
Дано: q = 100 Кл; A = 1,2 кДж = 1200 Дж.
Найти: U — ?
Решение. U = A/q = 1200 Дж / 100 Кл = 12 В.
Ответ: напряжение на лампочке 12 В.
Найти: U — ?
Решение. U = A/q = 1200 Дж / 100 Кл = 12 В.
Ответ: напряжение на лампочке 12 В.
Упражнение 31. Задача 5. На одном участке электрической цепи при перемещении по нему электрического заряда 100 Кл была совершена такая же работа, как при перемещении заряда 600 Кл на другом участке. На концах какого участка цепи напряжение больше и во сколько раз?
Дано: q₁ = 100 Кл; q₂ = 600 Кл; A₁ = A₂ = A.
Найти: где U больше; U₁/U₂ — ?
Решение. U₁ = A/q₁, U₂ = A/q₂. При одинаковой работе напряжение обратно пропорционально заряду, поэтому оно больше на первом участке (там та же работа совершена при перемещении меньшего заряда). U₁/U₂ = q₂/q₁ = 600 Кл / 100 Кл = 6.
Ответ: напряжение больше на первом участке цепи, в 6 раз.
Найти: где U больше; U₁/U₂ — ?
Решение. U₁ = A/q₁, U₂ = A/q₂. При одинаковой работе напряжение обратно пропорционально заряду, поэтому оно больше на первом участке (там та же работа совершена при перемещении меньшего заряда). U₁/U₂ = q₂/q₁ = 600 Кл / 100 Кл = 6.
Ответ: напряжение больше на первом участке цепи, в 6 раз.