Кв в электрике что это такое


В чем разница между кВт и кВа?

В разделе «Справочная информация» содержатся пояснения о различных терминах, используемых при описании технических характеристик оборудования, которые неподготовленному человеку бывает нелегко понять.

Различия «кВА» и «кВт»

Зачастую, в прайсах различных производителей электрическая мощность оборудования указывается не в привычных киловаттах (кВт), а в «загадочных» кВА (киловольт-амперах). Как же понять потребителю сколько «кВА» ему нужно?

Существует понятие активной (измеряется в кВт) и полной мощности (измеряется в кВА).

Полная мощность переменного тока есть произведение действующего значения силы тока в цепи и действующего значения напряжения на её концах. Полную мощность есть смысл назвать «кажущейся»,так как эта мощность может не вся участвовать в совершении работы. Полная мощность - это мощность передаваемая источником, при этом часть её преобразуется в тепло или совершает работу (активная мощность), другая часть передаётся электромагнитным полям цепи - эта составляющая учитывается введением т.н. реактивной мощности.

Полная и активная мощность — разные физические величины, имеющие размерность мощности. Для того, чтобы на маркировках различных электроприборов или в технической документации не требовалось лишний раз указывать, о какой мощности идёт речь, и при этом не спутать эти физические величины, в качестве единицы измерения полной мощности используют вольт-ампер вместо ватта.

Если рассматривать практическое значение полной мощности, то это величина, описывающая нагрузки, реально налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи, генераторные установки…), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Отношение активной мощности к полной мощности цепи называется коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности (cos фи) есть безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

Значения коэффициента мощности:

1.00

идеальный показатель

0.95

хорошее значение

0.90

удовлетворительное значение

0.80

плохое значение

Большинство производителей определяют потребляемую мощность своего оборудования в Ваттах.

В случае, если потребитель не имеет реактивной мощности (нагревательные приборы – такие как чайник, кипятильник, лампа накаливания, ТЭН), информация о коэффициенте мощности неактуальна, в виду того, что он равен единице. То есть в таком случае полная мощность, потребляемая прибором и необходимая для его эксплуатации, равна активной мощности в Ваттах.

P = I*U*Сos (fi) →

P = I*U*1 →

P=I*U

Пример: В паспорте электрического чайника указана потребляемая мощность – 2 кВт. Это значит, что и полная мощность, необходимая для успешного функционирования прибора, составит 2 кВА.

Если же потребителем является прибор, имеющий в своем составе реактивное сопротивление (емкость, индуктивность), в технических данных всегда указывается мощность в Ваттах и значение коэффициента мощности для данного прибора. Это значение определяется параметрами самого прибора, а конкретно – соотношением его активных и реактивных сопротивлений.

Пример: В техническом паспорте перфоратора указана потребляемая мощность – 5 кВт и коэффициент мощности (Сos(fi)) – 0.85. Это значит, что полная мощность, необходимая для его работы, составит

Pполн.= Pакт./Cos(fi)

Pполн.= 5/0.85= 5,89 кВА

При выборе генераторной установки часто возникает резонный вопрос – «Сколько же мощности она все-таки сможет выдать?». Это обусловлено тем, что в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. Ответом на этот вопрос и служит данная статья.

Пример: Генераторная установка мощностью 100 кВА. Если потребители будут иметь только активное сопротивление, то кВА=кВт. Если также будет присутствовать и реактивная составляющая, то надо учитывать коэффициент мощности нагрузки.

Именно поэтому в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. А уж как Вы ее будете использовать – решать только Вам.

mmps.ru

Разница между кВА и кВт

Электрическая мощность — это величина, которая характеризует скорость передачи, потребления или генерации электрической энергии за единицу времени.

Чем больше значение мощности, тем большую работу сможет выполнить электрооборудование за единицу времени. Мощность бывает полная, реактивная и активная.

S — полная мощность измеряется в кВА (килоВольтАмперах)

A — активная мощность измеряется в кВт (килоВаттах)

P — реактивная мощность измеряется в кВар (килоВарах)

Содержание статьи

Определение

Вольт-Ампер (В•А, а также V•A)  — единица измерения полной мощности, соответственно, 1 кВА=10³ ВА, т.е. 1000 ВА. Полная мощность тока равна произведению действующей в цепи силы тока (А) на действующее на ее зажимах напряжение (В).

Ватт (ВТ, а также W) — единица измерения активной мощности, соответственно, 1 кВт=10³ Вт, т.е. 1000 Вт. 1Ватт — это мощность, при которой за одну секунду  совершается работа в 1 Джоуль. Часть полной мощности, которая передалась в нагрузку за определённый период переменного тока, называется мощностью активной. Она рассчитывается как произведение действующих значений электрического тока и напряжения на косинус угла (cos φ) сдвига фаз между ними.

Сos φ является величиной, характеризующей качество электрооборудования с точки зрения экономии электрической энергии. Чем больше косинус фи, тем больше электроэнергии от источника попадает в нагрузку (величина активной мощности приближается к величине полной).

Мощность, которая не передалась в нагрузку, а была потрачена на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью.

к содержанию ↑

Сравнение

При выборе электростанции или стабилизатора необходимо помнить, что кВА — это полная мощность (потребляемая оборудованием), а кВт — мощность активная (т.е. затраченная на выполнение полезной работы).

Полная мощность (кВА) представляет собой сумму активной и реактивной мощностей. Все электроприборы-потребители можно разделить на две категории: активные (лампа накаливания, обогреватель, электроплита и др.) и реактивные (кондиционеры, телевизоры, дрели, люминесцентные лампы и др.).

Различные потребители обладают различным соотношением активной и полной мощности, в зависимости от категории.

к содержанию ↑

Выводы TheDifference.ru

  1. Чтобы определить суммарную мощность всех потребителей для активных приборов достаточно сложить все активные мощности (кВт). То есть, если по паспорту прибор (активный) потребляет, например, 1 кВт, то для его питания достаточно именно 1 кВт.
  2. Для реактивных приборов требуется сложение полных мощностей всего электрооборудования, т.к. у реактивных потребителей часть энергии превращается в свет или тепло. В инженерных расчётах для таких приборов полная мощность вычисляется по формуле: S = А/соs φ.

thedifference.ru

Перевести единицы: киловольт [кВ] вольт [В] • Электротехника • Конвертер электростатического потенциала и напряжения • Компактный калькулятор

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисленияКонвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 киловольт [кВ] = 1000 вольт [В]

Плазменная лампа

Общие сведения

Электрический потенциал

Напряжение

Характеристики напряжения

Измерение напряжения

Средства измерения напряжения

Измерение напряжения осциллографом

Эксперимент №1

Эксперимент №2

Техника безопасности при измерении напряжения

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения: ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятием электрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Посетители Канадского музея науки и техники вращают большое беличье колесо, которое вращает генератор, питающий трансформатор Тесла (на рисунке справа), который, в свою очередь, создает высокое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, достаточное для пробоя воздуха

Напряжение

Одно из определений электрического напряжения описывает его как разность электрических потенциалов, что определяется формулой:

V = ϕ1 – ϕ2

Понятие напряжение ввёл немецкий физик Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 г. эмпирического закона Ома:

Трансформатор Тесла в Канадском музее науки и техники

V = I·R,

где V — это разность потенциалов, I — электрический ток, а R — сопротивление.

Другое определение электрического напряжения представляется как отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда.

Для этого определения математическое выражение для напряжения описывается формулой:

V = A / q

Напряжение, как и электрический потенциал, измеряется в вольтах (В) и его десятичных кратных и дольных единицах — микровольтах (миллионная доля вольта, мкВ), милливольтах (тысячная доля вольта, мВ), киловольтах (тысячах вольт, кВ) и мегавольтах (миллионах вольт, МВ).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл. Размерность напряжения в системе СИ определяется как

В = кг•м²/(А•с³)

Напряжение может создаваться различными источниками: биологическими объектами, техническими устройствами и даже процессами, происходящими в атмосфере.

Боковая линия акулы

Элементарной ячейкой любого биологического объекта является клетка, которая с точки зрения электричества представляет собой электрохимический генератор малого напряжения. Некоторые органы живых существ, вроде сердца, являющихся совокупностью клеток, вырабатывают более высокое напряжение. Любопытно, что самые совершенные хищники наших морей и океанов — акулы различных видов — обладают сверхчувствительным датчиком напряжения, называемым органом боковой линии, и позволяющим им безошибочно обнаруживать свою добычу по биению сердца. Отдельно, пожалуй, стоит упомянуть об электрических скатах и угрях, выработавших в процессе эволюции для поражения добычи и отражения нападения на себя способность создавать напряжение свыше 1000 В!

Хотя люди генерировали электричество, и, тем самым, создавали разность потенциалов (напряжение) трением кусочка янтаря о шерсть с давних времён, исторически первым техническим генератором напряжения явился гальванический элемент. Он был изобретён итальянским учёным и врачом Луиджи Гальвани, который обнаружил явление возникновения разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита. Дальнейшим развитием этой идеи занимался другой итальянский физик Алессандро Вольта. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Соединив несколько таких источников последовательно, он создал химическую батарею, так называемый «Вольтов столб», благодаря которой стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Вольтов столб — копия, сделанная электриком из Музея Алессандро Вольта в Комо, Италия. Канадский музей науки и техники в Оттаве

Из-за заслуг в создания надёжных электрохимических источников напряжения, сослуживший немалую роль в деле дальнейших исследования электрофизических и электрохимических явлений, именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Среди создателей генераторов напряжения необходимо отметить голландского физика Ван дер Граафа, создавшего генератор высокого напряжения, в основе которого лежит древняя идея разделения зарядов с помощью трения — вспомним янтарь!

Отцами современных генераторов напряжения были два замечательных американских изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла. Последний был сотрудником в фирме Эдисона, но два гения электротехники разошлись во взглядах на способы генерации электрической энергии. В результате последующей патентной войны выиграло всё человечество — обратимые машины Эдисона нашли свою нишу в виде генераторов и двигателей постоянного тока, исчисляющихся миллиардами устройств — достаточно просто заглянуть под капот своего автомобиля или просто нажать кнопку стеклоподъёмника или включить блендер; а способы создания переменного напряжения в виде генераторов переменного тока, устройств для его преобразования в виде трансформаторов напряжения и линий передач на большие расстояния и бесчисленных устройств для его применения по праву принадлежат Тесле. Их число ничуть не уступает числу устройств Эдисона — на принципах Тесла работают вентиляторы, холодильники, кондиционеры и пылесосы, и масса других полезных устройств, описание которых выходит за рамки настоящей статьи.

Этот находящийся в Канадском музее науки и техники в Оттаве мотор-генератор, изготовленный компанией Westinghouse в 1904 г., использовался в качестве надежного источника питания для создания магнитного поля возбудителя на гидроэлектростанции в Ниагара-Фоллс, шт. Нью-Йорк. Строительством электростанции руководили Никола Тесла и Джордж Вестингауз

Безусловно, учёными позднее были созданы и другие генераторы напряжения на других принципах, в том числе и на использовании энергии ядерного распада. Они призваны служить источником электрической энергии для космических посланцев человечества в дальний космос.

Но самым мощным источником электрического напряжения на Земле, не считая отдельных научных установок, до сих пор остаются естественные атмосферные процессы.

Ежесекундно на Земле грохочут свыше 2 тысяч гроз, то есть, одновременно работают десятки тысяч естественных генераторов Ван дер Граафа, создавая напряжения в сотни киловольт, разряжаясь током в десятки килоампер в виде молний. Но, как ни удивительно, мощь земных генераторов не идёт ни в какое сравнение с мощью электрических бурь, происходящих на сестре Земли — Венере — не говоря уже об огромных планетах вроде Юпитера и Сатурна.

Напряжение характеризуется своей величиной и формой. Относительно его поведения с течением времени различают постоянное напряжение (не изменяющееся с течением времени), апериодическое напряжение (изменяющееся с течением времени) и переменное напряжение (изменяющееся с течением времени по определённому закону и, как правило, повторяющее само себя через определённый промежуток времени). Иногда для решения определённых целей требуется одновременное наличие постоянного и переменного напряжений. В таком случае говорят о напряжении переменного тока с постоянной составляющей.

Таким вольтметром измеряли напряжение в начале XX века. Канадский музей науки и техники в Оттаве

В электротехнике генераторы постоянного тока (динамо-машины) используются для создания относительно стабильного напряжения большой мощности, в электронике применяются прецизионные источники постоянного напряжения на электронных компонентах, которые называются стабилизаторами.

Измерение напряжения

Измерение величины напряжения играет большую роль в фундаментальных физике и химии, прикладных электротехнике и электрохимии, электронике и медицине и во многих других отраслях науки и техники. Пожалуй, трудно найти отрасли человеческой деятельности, исключая творческие направления вроде архитектуры, музыки или живописи, где с помощью измерения напряжения не осуществлялся бы контроль над происходящими процессами с помощью разного рода датчиков, являющимися по сути дела преобразователями физических величин в напряжение. Хотя стоит заметить, что в наше время и эти виды человеческой деятельности не обходятся без электричества вообще и без напряжения в частности. Художники используют планшеты, в которых измеряется напряжение емкостных датчиков, когда над ними перемещается перо. Композиторы играют на электронных инструментах, в которых измеряется напряжение на датчиках клавиш и в зависимости от него определяется насколько сильно нажата та или иная клавиша. Архитекторы используют AutoCAD и планшеты, в которых тоже измеряется напряжение, которые преобразуется в числовую форму и обрабатывается компьютером.

В кухонном термометре (слева) температура мяса определяется с помощью измерения напряжения на резистивном датчике температуры, через который пропускают небольшой ток. В мультиметре (справа) температура определяется путем измерения напряжения непосредственно на термопаре

Измеряемые величины напряжения могут меняться в широких пределах: от долей микровольта при исследованиях биологических процессов, до сотен вольт в бытовых и промышленных устройствах и приборах и до десятков миллионов вольт в сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Измерение напряжения позволяет нам контролировать состояние отдельных органов человеческого организма при помощи снятия энцефалограмм мозговой деятельности. Электрокардиограммы и эхокардиограммы дают информацию о состоянии сердечной мышцы. При помощи различных промышленных датчиков мы успешно, а, главное, безопасно, контролируем процессы химических производств, порой происходящие при запредельных давлениях и температурах. И даже ядерные процессы атомных станций поддаются контролю с помощью измерения напряжений. С помощью измерения напряжения инженеры контролируют состояние мостов, зданий и сооружений и даже противостоят такой грозной природной силе как землетрясения.

Пульсоксиметр, как и вольтметр, измеряет напряжение на выходе устройства, усиливающего сигнал с фотодиода или фототранзистора. Однако, в отличие от вольтметра, здесь на дисплее мы видим не значение напряжения в вольтах, а процент насыщения гемоглобина кислородом (97%).

Блестящая идея связать различные значения уровней напряжения со значениями состояния единиц информации дало толчок к созданию современных цифровых устройств и технологий. В вычислительной технике низкий уровень напряжения трактуется как логический нуль (0), а высокий уровень напряжения — как логическая единица (1).

По сути дела, все современные устройства вычислительной техники являются в той или иной степени компараторами (измерителями) напряжения, преобразовывая свои входные состояния по определённым алгоритмам в выходные сигналы.

Помимо всего прочего, точные измерения напряжения лежат в основе многих современных стандартов, выполнение которых гарантирует их абсолютное соблюдение и, тем самым, безопасность применения.

Плата памяти, используемая в персональных компьютера, содержит десятки тысяч логических вентилей

Средства измерения напряжения

В ходе изучения и познания окружающего мира, способы и средства измерения напряжения значительно эволюционировали от примитивных органолептических методов — русский учёный Петров срезал часть эпителия на пальцах, чтобы повысить чувствительность к действию электрического тока — до простейших индикаторов напряжения и современных приборов разнообразных конструкций на основе электродинамических и электрических свойств различных веществ.

Вкус электричества. Когда-то, очень давно, если не было вольтметра, мы определяли напряжение языком!

К слову сказать, начинающие радиолюбители легко отличали «рабочую» плоскую батарейку на 4,5 В от «подсевшей» без каких-либо приборов по причине их полного отсутствия, просто лизнув её электроды. Протекавшие при этом электрохимические процессы давали ощущение определённого вкуса и лёгкого жжения. Отдельные выдающиеся личности брались определять таким способом пригодность батареек даже на 9 В, что требовало немалой выдержки и мужества!

Примером простейшего индикатора — пробника сетевого напряжения — может служить обыкновенная лампа накаливания с рабочим напряжением не ниже напряжения сети. В продаже имеются простые пробники напряжения на неоновых лампах и светодиодах, потребляющие малые токи. Осторожно, использование самодельных конструкций может быть опасным для Вашей жизни!

Необходимо отметить, что приборы для измерения напряжения (вольтметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу измеряемого напряжения — это могут быть приборы постоянного или переменного тока. Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого напряжения — оно может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ электротехнических цепей и устройств (слаботочные и силовые).

Различают следующие значения напряжения:

  • мгновенное,
  • амплитудное,
  • среднее,
  • среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение напряжения Ui (см. рисунок) — это значение напряжения в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение напряжения Ua — это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Размах напряжения Up-p — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями напряжения за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение напряжения Urms определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений напряжения.

Все стрелочные и цифровые вольтметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период.

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения напряжения используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение напряжения осциллографом

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению напряжений с использованием генератора сигналов, источника постоянного напряжения, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Эксперимент №1

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов нагружен на сопротивление нагрузки R1 в 1 кОм, параллельно сопротивлению подключены измерительные концы осциллографа и мультиметра. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1: Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 герц и амплитудой 4 вольт. На экране осциллографа будем наблюдать изображение, показанное ниже. Отметим, что цена деления масштабной сетки экрана осциллографа по вертикальной оси 2 В. Мультиметр и осциллограф при этом покажут среднеквадратичное значение напряжение 1,36 В.

Опыт 2: Увеличим сигнал от генератора вдвое, размах изображения на осциллографе возрастёт ровно вдвое и мультиметр покажет удвоенное значение напряжения:

Опыт 3: Увеличим частоту генератора в 100 раз (6 кГц), при этом частота сигнала на осциллографе изменится, но размах и среднеквадратичное значение останутся прежними, а показания мультиметра станут неправильными — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра 0—400 Гц:

Опыт 4: Вернёмся к исходной частоте 60 Гц и напряжению генератора сигналов 4 В, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением напряжения, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее напряжение сигнала:

Эксперимент №2

Схема эксперимента №2, аналогична схеме эксперимента 1.

Ручкой изменения напряжения смещения на генераторе сигналов добавим смещение 1 В. На генераторе сигналов установим синусоидальное напряжение с размахом 4 В с частотой 60 Гц — как и в эксперименте №1. Сигнал на осциллографе поднимется на половину большого деления, а мультиметр покажет среднеквадратичное значение 1,33 В. Осциллограф покажет изображение, подобное изображению из опыта 1 эксперимента №1, но поднятое половину большого деления. Мультиметр покажет почти такое же напряжение, как было в опыте 1 эксперимента №1, так как у него закрытый вход, а осциллограф с открытым входом покажет увеличенное действующее значение суммы постоянного и переменного напряжений, которое больше действующего значения напряжения без постоянной составляющей:

Техника безопасности при измерении напряжения

Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:

  1. Не проводить измерения напряжения, требующих определённых профессиональных навыков (свыше 1000 В).
  2. Не производить измерения напряжений в труднодоступных местах или на высоте.
  3. При измерении напряжений в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
  4. Пользоваться исправным измерительным инструментом.
  5. В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
  6. Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
  7. Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Литература

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Page 2

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисленияКонвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 киловольт [кВ] = 1000 вольт [В]

Плазменная лампа

Общие сведения

Электрический потенциал

Напряжение

Характеристики напряжения

Измерение напряжения

Средства измерения напряжения

Измерение напряжения осциллографом

Эксперимент №1

Эксперимент №2

Техника безопасности при измерении напряжения

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения: ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятием электрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Посетители Канадского музея науки и техники вращают большое беличье колесо, которое вращает генератор, питающий трансформатор Тесла (на рисунке справа), который, в свою очередь, создает высокое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, достаточное для пробоя воздуха

Напряжение

Одно из определений электрического напряжения описывает его как разность электрических потенциалов, что определяется формулой:

V = ϕ1 – ϕ2

Понятие напряжение ввёл немецкий физик Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 г. эмпирического закона Ома:

Трансформатор Тесла в Канадском музее науки и техники

V = I·R,

где V — это разность потенциалов, I — электрический ток, а R — сопротивление.

Другое определение электрического напряжения представляется как отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда.

Для этого определения математическое выражение для напряжения описывается формулой:

V = A / q

Напряжение, как и электрический потенциал, измеряется в вольтах (В) и его десятичных кратных и дольных единицах — микровольтах (миллионная доля вольта, мкВ), милливольтах (тысячная доля вольта, мВ), киловольтах (тысячах вольт, кВ) и мегавольтах (миллионах вольт, МВ).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл. Размерность напряжения в системе СИ определяется как

В = кг•м²/(А•с³)

Напряжение может создаваться различными источниками: биологическими объектами, техническими устройствами и даже процессами, происходящими в атмосфере.

Боковая линия акулы

Элементарной ячейкой любого биологического объекта является клетка, которая с точки зрения электричества представляет собой электрохимический генератор малого напряжения. Некоторые органы живых существ, вроде сердца, являющихся совокупностью клеток, вырабатывают более высокое напряжение. Любопытно, что самые совершенные хищники наших морей и океанов — акулы различных видов — обладают сверхчувствительным датчиком напряжения, называемым органом боковой линии, и позволяющим им безошибочно обнаруживать свою добычу по биению сердца. Отдельно, пожалуй, стоит упомянуть об электрических скатах и угрях, выработавших в процессе эволюции для поражения добычи и отражения нападения на себя способность создавать напряжение свыше 1000 В!

Хотя люди генерировали электричество, и, тем самым, создавали разность потенциалов (напряжение) трением кусочка янтаря о шерсть с давних времён, исторически первым техническим генератором напряжения явился гальванический элемент. Он был изобретён итальянским учёным и врачом Луиджи Гальвани, который обнаружил явление возникновения разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита. Дальнейшим развитием этой идеи занимался другой итальянский физик Алессандро Вольта. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Соединив несколько таких источников последовательно, он создал химическую батарею, так называемый «Вольтов столб», благодаря которой стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Вольтов столб — копия, сделанная электриком из Музея Алессандро Вольта в Комо, Италия. Канадский музей науки и техники в Оттаве

Из-за заслуг в создания надёжных электрохимических источников напряжения, сослуживший немалую роль в деле дальнейших исследования электрофизических и электрохимических явлений, именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Среди создателей генераторов напряжения необходимо отметить голландского физика Ван дер Граафа, создавшего генератор высокого напряжения, в основе которого лежит древняя идея разделения зарядов с помощью трения — вспомним янтарь!

Отцами современных генераторов напряжения были два замечательных американских изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла. Последний был сотрудником в фирме Эдисона, но два гения электротехники разошлись во взглядах на способы генерации электрической энергии. В результате последующей патентной войны выиграло всё человечество — обратимые машины Эдисона нашли свою нишу в виде генераторов и двигателей постоянного тока, исчисляющихся миллиардами устройств — достаточно просто заглянуть под капот своего автомобиля или просто нажать кнопку стеклоподъёмника или включить блендер; а способы создания переменного напряжения в виде генераторов переменного тока, устройств для его преобразования в виде трансформаторов напряжения и линий передач на большие расстояния и бесчисленных устройств для его применения по праву принадлежат Тесле. Их число ничуть не уступает числу устройств Эдисона — на принципах Тесла работают вентиляторы, холодильники, кондиционеры и пылесосы, и масса других полезных устройств, описание которых выходит за рамки настоящей статьи.

Этот находящийся в Канадском музее науки и техники в Оттаве мотор-генератор, изготовленный компанией Westinghouse в 1904 г., использовался в качестве надежного источника питания для создания магнитного поля возбудителя на гидроэлектростанции в Ниагара-Фоллс, шт. Нью-Йорк. Строительством электростанции руководили Никола Тесла и Джордж Вестингауз

Безусловно, учёными позднее были созданы и другие генераторы напряжения на других принципах, в том числе и на использовании энергии ядерного распада. Они призваны служить источником электрической энергии для космических посланцев человечества в дальний космос.

Но самым мощным источником электрического напряжения на Земле, не считая отдельных научных установок, до сих пор остаются естественные атмосферные процессы.

Ежесекундно на Земле грохочут свыше 2 тысяч гроз, то есть, одновременно работают десятки тысяч естественных генераторов Ван дер Граафа, создавая напряжения в сотни киловольт, разряжаясь током в десятки килоампер в виде молний. Но, как ни удивительно, мощь земных генераторов не идёт ни в какое сравнение с мощью электрических бурь, происходящих на сестре Земли — Венере — не говоря уже об огромных планетах вроде Юпитера и Сатурна.

Напряжение характеризуется своей величиной и формой. Относительно его поведения с течением времени различают постоянное напряжение (не изменяющееся с течением времени), апериодическое напряжение (изменяющееся с течением времени) и переменное напряжение (изменяющееся с течением времени по определённому закону и, как правило, повторяющее само себя через определённый промежуток времени). Иногда для решения определённых целей требуется одновременное наличие постоянного и переменного напряжений. В таком случае говорят о напряжении переменного тока с постоянной составляющей.

Таким вольтметром измеряли напряжение в начале XX века. Канадский музей науки и техники в Оттаве

В электротехнике генераторы постоянного тока (динамо-машины) используются для создания относительно стабильного напряжения большой мощности, в электронике применяются прецизионные источники постоянного напряжения на электронных компонентах, которые называются стабилизаторами.

Измерение напряжения

Измерение величины напряжения играет большую роль в фундаментальных физике и химии, прикладных электротехнике и электрохимии, электронике и медицине и во многих других отраслях науки и техники. Пожалуй, трудно найти отрасли человеческой деятельности, исключая творческие направления вроде архитектуры, музыки или живописи, где с помощью измерения напряжения не осуществлялся бы контроль над происходящими процессами с помощью разного рода датчиков, являющимися по сути дела преобразователями физических величин в напряжение. Хотя стоит заметить, что в наше время и эти виды человеческой деятельности не обходятся без электричества вообще и без напряжения в частности. Художники используют планшеты, в которых измеряется напряжение емкостных датчиков, когда над ними перемещается перо. Композиторы играют на электронных инструментах, в которых измеряется напряжение на датчиках клавиш и в зависимости от него определяется насколько сильно нажата та или иная клавиша. Архитекторы используют AutoCAD и планшеты, в которых тоже измеряется напряжение, которые преобразуется в числовую форму и обрабатывается компьютером.

В кухонном термометре (слева) температура мяса определяется с помощью измерения напряжения на резистивном датчике температуры, через который пропускают небольшой ток. В мультиметре (справа) температура определяется путем измерения напряжения непосредственно на термопаре

Измеряемые величины напряжения могут меняться в широких пределах: от долей микровольта при исследованиях биологических процессов, до сотен вольт в бытовых и промышленных устройствах и приборах и до десятков миллионов вольт в сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Измерение напряжения позволяет нам контролировать состояние отдельных органов человеческого организма при помощи снятия энцефалограмм мозговой деятельности. Электрокардиограммы и эхокардиограммы дают информацию о состоянии сердечной мышцы. При помощи различных промышленных датчиков мы успешно, а, главное, безопасно, контролируем процессы химических производств, порой происходящие при запредельных давлениях и температурах. И даже ядерные процессы атомных станций поддаются контролю с помощью измерения напряжений. С помощью измерения напряжения инженеры контролируют состояние мостов, зданий и сооружений и даже противостоят такой грозной природной силе как землетрясения.

Пульсоксиметр, как и вольтметр, измеряет напряжение на выходе устройства, усиливающего сигнал с фотодиода или фототранзистора. Однако, в отличие от вольтметра, здесь на дисплее мы видим не значение напряжения в вольтах, а процент насыщения гемоглобина кислородом (97%).

Блестящая идея связать различные значения уровней напряжения со значениями состояния единиц информации дало толчок к созданию современных цифровых устройств и технологий. В вычислительной технике низкий уровень напряжения трактуется как логический нуль (0), а высокий уровень напряжения — как логическая единица (1).

По сути дела, все современные устройства вычислительной техники являются в той или иной степени компараторами (измерителями) напряжения, преобразовывая свои входные состояния по определённым алгоритмам в выходные сигналы.

Помимо всего прочего, точные измерения напряжения лежат в основе многих современных стандартов, выполнение которых гарантирует их абсолютное соблюдение и, тем самым, безопасность применения.

Плата памяти, используемая в персональных компьютера, содержит десятки тысяч логических вентилей

Средства измерения напряжения

В ходе изучения и познания окружающего мира, способы и средства измерения напряжения значительно эволюционировали от примитивных органолептических методов — русский учёный Петров срезал часть эпителия на пальцах, чтобы повысить чувствительность к действию электрического тока — до простейших индикаторов напряжения и современных приборов разнообразных конструкций на основе электродинамических и электрических свойств различных веществ.

Вкус электричества. Когда-то, очень давно, если не было вольтметра, мы определяли напряжение языком!

К слову сказать, начинающие радиолюбители легко отличали «рабочую» плоскую батарейку на 4,5 В от «подсевшей» без каких-либо приборов по причине их полного отсутствия, просто лизнув её электроды. Протекавшие при этом электрохимические процессы давали ощущение определённого вкуса и лёгкого жжения. Отдельные выдающиеся личности брались определять таким способом пригодность батареек даже на 9 В, что требовало немалой выдержки и мужества!

Примером простейшего индикатора — пробника сетевого напряжения — может служить обыкновенная лампа накаливания с рабочим напряжением не ниже напряжения сети. В продаже имеются простые пробники напряжения на неоновых лампах и светодиодах, потребляющие малые токи. Осторожно, использование самодельных конструкций может быть опасным для Вашей жизни!

Необходимо отметить, что приборы для измерения напряжения (вольтметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу измеряемого напряжения — это могут быть приборы постоянного или переменного тока. Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого напряжения — оно может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ электротехнических цепей и устройств (слаботочные и силовые).

Различают следующие значения напряжения:

  • мгновенное,
  • амплитудное,
  • среднее,
  • среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение напряжения Ui (см. рисунок) — это значение напряжения в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение напряжения Ua — это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Размах напряжения Up-p — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями напряжения за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение напряжения Urms определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений напряжения.

Все стрелочные и цифровые вольтметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период.

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения напряжения используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение напряжения осциллографом

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению напряжений с использованием генератора сигналов, источника постоянного напряжения, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Эксперимент №1

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов нагружен на сопротивление нагрузки R1 в 1 кОм, параллельно сопротивлению подключены измерительные концы осциллографа и мультиметра. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1: Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 герц и амплитудой 4 вольт. На экране осциллографа будем наблюдать изображение, показанное ниже. Отметим, что цена деления масштабной сетки экрана осциллографа по вертикальной оси 2 В. Мультиметр и осциллограф при этом покажут среднеквадратичное значение напряжение 1,36 В.

Опыт 2: Увеличим сигнал от генератора вдвое, размах изображения на осциллографе возрастёт ровно вдвое и мультиметр покажет удвоенное значение напряжения:

Опыт 3: Увеличим частоту генератора в 100 раз (6 кГц), при этом частота сигнала на осциллографе изменится, но размах и среднеквадратичное значение останутся прежними, а показания мультиметра станут неправильными — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра 0—400 Гц:

Опыт 4: Вернёмся к исходной частоте 60 Гц и напряжению генератора сигналов 4 В, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением напряжения, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее напряжение сигнала:

Эксперимент №2

Схема эксперимента №2, аналогична схеме эксперимента 1.

Ручкой изменения напряжения смещения на генераторе сигналов добавим смещение 1 В. На генераторе сигналов установим синусоидальное напряжение с размахом 4 В с частотой 60 Гц — как и в эксперименте №1. Сигнал на осциллографе поднимется на половину большого деления, а мультиметр покажет среднеквадратичное значение 1,33 В. Осциллограф покажет изображение, подобное изображению из опыта 1 эксперимента №1, но поднятое половину большого деления. Мультиметр покажет почти такое же напряжение, как было в опыте 1 эксперимента №1, так как у него закрытый вход, а осциллограф с открытым входом покажет увеличенное действующее значение суммы постоянного и переменного напряжений, которое больше действующего значения напряжения без постоянной составляющей:

Техника безопасности при измерении напряжения

Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:

  1. Не проводить измерения напряжения, требующих определённых профессиональных навыков (свыше 1000 В).
  2. Не производить измерения напряжений в труднодоступных местах или на высоте.
  3. При измерении напряжений в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
  4. Пользоваться исправным измерительным инструментом.
  5. В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
  6. Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
  7. Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Литература

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Page 3

Length and Distance ConverterMass ConverterDry Volume and Common Cooking MeasurementsArea ConverterVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperature ConverterPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergy and Work ConverterPower ConverterForce ConverterTime ConverterLinear Speed and Velocity ConverterAngle ConverterFuel Efficiency, Fuel Consumption and Fuel Economy ConverterNumbers ConverterConverter of Units of Information and Data StorageCurrency Exchange RatesWomen’s Clothing and Shoe SizesMen’s Clothing and Shoe SizesAngular Velocity and Rotational Frequency ConverterAcceleration ConverterAngular Acceleration ConverterDensity ConverterSpecific Volume ConverterMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterSpecific energy, Heat of Combustion (per Volume) ConverterTemperature Interval ConverterCoefficient of Thermal Expansion ConverterThermal Resistance ConverterThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterHeat Density, Fire Load DensityHeat Flux Density ConverterHeat Transfer Coefficient ConverterVolumetric Flow Rate ConverterMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterMass Flux ConverterMolar Concentration ConverterMass Concentration in a Solution ConverterDynamic (Absolute) Viscosity ConverterKinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterIlluminance ConverterDigital Image Resolution ConverterFrequency and Wavelength ConverterOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElectric Charge ConverterLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterElectric Current ConverterLinear Current Density ConverterSurface Current Density ConverterElectric Field Strength ConverterElectric Potential and Voltage ConverterElectrical Resistance ConverterElectrical Resistivity ConverterElectrical Conductance ConverterElectrical Conductivity ConverterCapacitance ConverterInductance ConverterAmerican Wire Gauge ConverterConversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterData Transmission ConverterConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 volt [V]

Plasma globe

Overview

Electric Potential

Voltage

Characteristics of Voltage

Measuring Voltage

Instruments for measuring voltage

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

Experiment 1

Experiment 2

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Overview

When we climb up a hill we perform work to resist the force of gravity

We live in the era of electricity and know about electrical voltage since childhood. Many of us explored our environment and had a shock quite literally, when we touched electrical outlets in secret, while our parents were not watching us. Well, since you are reading this article, nothing bad happened to you even if you explored electricity in childhood. It is nearly impossible to live in the era of electricity and not to have been intimately acquainted with it. As for the electric potential, it is a somewhat more complicated matter.

Since it is a mathematical abstraction, the easiest way to understand electric potential is to think of it as an analogy to gravity. The formulas for both are similar. The difference is in the negative values. We can have negative electric potential due to having both negative and positive charges that either attract or repel each other. Gravitational forces, on the other hand, can only cause attraction between two objects. We have not fully understood negative mass. Once we do master it, it would allow us to understand anti-gravity.

Yet, as soon as we push off...

The concept of electrical potential plays an important role in describing phenomena related to electricity. We can define the notion of electric potential as one that describes interactions of electrically charged particles or groups of charged particles, which have either same or opposite charges.

We know from our school physics lessons and from out everyday experiences that when we climb up a hill we overcome the force of gravity and perform work to do so. The forces of gravity, which we have to overcome, act in the potential gravitational field of the Earth. When the Earth interacts with us, it attempts to decrease our gravitational potential, because we have a certain mass. As part of this interaction, the Earth pulls us downward, and we let it, enjoying our ride down a mountain slope on skis or on a snowboard. Similarly, an electric potential field that acts upon charged particles aims to bring the particles with the opposite charge together and to push particles with the similar charge apart.

We can conclude from the above that an electrically charged body tries to reduce its electric potential. To do so it attempts to get as close as possible to the high-capacity source of an electrical field with the opposite charge, as long as other forces are not preventing it from doing so. If the electric charge of the objects is the same, each of the electrically charged objects attempts to decrease its electric potential by moving as far as possible away from the similarly charged source of a powerful electrical field. Again, this is only the case if no other forces are preventing this from occurring. If there are forces that act to prevent this, the electric potential does not change. In the analogy with gravity, when you are standing at the top of the mountain, the force of gravity is compensated by the reaction force of the ground and nothing pulls you down and off this mountain. It is only your weight that pushes the skis. However as soon as you push off… off you go down the hill!

Similarly, an electric field created by a charged particle or a group of particles acts upon other charged particles. It creates an electric potential to move these charged particles towards each other or away from each other, depending on whether the charge between these two interacting particles or objects is similar or opposite.

Sisyphus by Titian, Prado Museum, Madrid, Spain

Electric Potential

When a charged particle is introduced into an electric field, it has a certain amount of energy that can be used to perform work. Electric potential is a term that describes this energy stored in each point of an electric field. The electric potential of an electric field in a given point equals the work that the forces of this field can perform when a unit of positive charge is moved outside the field.

Looking again at the analogy with the gravitational field we can conclude that the notion of electric potential is similar to the phenomenon of the level of different points on the surface of the Earth. As we discuss below, depending on how high you lift a body from the ground level the amount of work changes, and similarly depending on how far you separate two charges the amount of work to perform this separation also changes.

Let us imagine Sisyphus, one of the heroes of the myths of Ancient Greece. He was doomed by the gods to do meaningless work in the afterlife, rolling an enormous stone to the top of a mountain as punishment for the sins he committed during his life. To bring the stone half way up the mountain he would perform half of the work that he needs to perform to bring the stone all the way to the top. Once he brought the stone all the way, the gods pushed it off the mountain. To reach the bottom the stone itself also performed some work. A stone lifted up a mountain of height H can perform a greater amount of work than a stone lifted only half way, to height Н/2. We usually count the height from sea level, which is considered to be the height of zero.

Using this analogy we can say that the electric potential of the surface of the Earth is a null potential, that is

ϕEarth = 0

where ϕEarth is the electric potential, a scalar variable. Here ϕ is a letter in the Greek alphabet pronounced as “phi”.

This value quantifies the ability of an electric field to perform work (W) to move a charge (q) from one given point to another point:

ϕ = W/q

In SI electric potential is measured in volts (V).

The visitors to the Canada Science and Technology Museum can generate the electric energy for it by spinning a large human hamster wheel. This wheel turns the generator that powers this Tesla coil (right). The coil generates high voltage of tens of thousands volt. It is enough to cause a bolt of electricity to fire.

Voltage

Electric voltage (V) can be defined as a difference of electric potentials, as in the formula:

V = ϕ1 – ϕ2

The notion of voltage was introduced by Georg Ohm, a German physicist. In his paper published in 1827 he proposed to use the hydrodynamic model for electric current for explaining the empirical Ohm’s law discovered by him in 1826. This law can be written by using this formula:

A Tesla coil in the Canada Science and Technology Museum.

V = I×R,

where V is the difference of potentials, I is the electrical current, and R is the resistance.

An alternative definition of electric voltage describes it as a ratio of the work that an electric field performs in order to move an electric charge to the magnitude of this charge.

This definition can be expressed using this formula:

V = A / q

Similarly to the electric potential, voltage is also measured in volts (V) and decimal multiples and fractions — units derived from volt, such as microvolts (one millionth of a volt, μV), millivolts (one thousandth of a volt, mV), kilovolts (one thousand volts, kV), and megavolts (one million volts, MV).

Voltage of one volt is equivalent to the voltage of an electric field that performs work of one joule to move a charge of 1 coulomb. We can define a volt by using other SI units as follows:

V = kg•m²/(A•s³)

Voltage can be generated by different sources such as biological systems and entities, electronic and mechanical devices, and even by various processes in the atmosphere.

The lateral line of a shark

An elementary unit for any biological system is a cell, which can be viewed as a small electrochemical generator. Some organs of living organisms such as the heart that are formed by many cells produce a higher voltage. It is interesting to note that different species of sharks, which are the perfect predators of the oceans and seas, have very sensitive sensors for voltage. These sensors are known as the lateral line, and they allow the sharks to detect their prey by its heartbeat. This mechanism is very reliable. While talking about voltage in the animal world, we should also mention electric rays and eels, who have developed a method to attack their prey and to fight off their predators by generating a voltage over 1000 V during the process of evolution.

People have been able to generate electricity and create the difference of potentials by rubbing a piece of amber with wool or fur for a long time, but a galvanic cell is considered to be the first device to generate electricity. It was created by the Italian scientist and physician Luigi Galvani, who discovered that the difference of potentials occurs when different metals and electrolytes come in contact with each other. Another Italian physicist, Alessandro Volta, continued and further developed this research. Volta was the first person in the world to submerge sheets of zinc and copper into acid, in order to generate direct electric current. Thus he created the first chemical source of electric current. He connected several of these sources in series to create the first chemical battery. It became known as a voltaic pile, and gave people an opportunity to generate electricity using chemical reactions.

Voltaic pile — a replica made in 1999 by Gelside Guatterini, an electrician at the Volta Museum in Como, Italy. Canada Science and Technology Museum

The unit for measuring voltage, a volt, as well as the term “voltage” itself are called so to commemorate the contributions of Volta in research of electrochemical and electrical phenomena. Thanks to him we now have reliable electrochemical sources of energy.

While talking about researchers who worked on creating devices to generate electricity, we should not forget the Dutch physicist Van de Graaff. He created a high voltage generator known now as the Van de Graaff generator. When generating electricity it uses the same principle of the division of charges that we facilitate when rubbing amber with wool or fur.

We can say that two outstanding American scientists Thomas Edison and Nikola Tesla were the fathers of modern electric generators. Tesla worked for Edison’s company, but the two researchers disagreed in their views on how to generate electrical energy and went separate ways. A patent war followed and the humanity benefited from it, thanks to the work of these two scientists. Edison’s reversible machines can be used as direct current generators and motors. There are billions of devices made today that use the mechanism employed in these reversible machines. We can find them under the hood of our car, in a power window regulator, or in a blender, among other devices. On the other hand, it was Tesla, who discovered ways to generate alternating current and the principle of transforming it. These discoveries are used by devices such as electric transformers, power lines that transport electricity over long distances, and others. There are multitudes of these devices as well, and they include many consumer electronics frequently used by us in daily life, such as fans, refrigerators, air conditioners, vacuum cleaners, and many other devices that we cannot describe here due to the scope of this article.

This direct current motor-generator set made by Westinghouse in 1904 was used to provide consistent power to generate a magnetic field in an exciter in Niagara Falls (New York) hydro-electric power plant built by Nikola Tesla and George Westinghouse.

Eventually scientists discovered other electric generators that use different principles, including those that employ the energy of nuclear fission. Some of these other generators are meant to serve as energy sources during long trips to the outer space.

If we do not consider some of the generators created for scientific research, we can say that the most powerful sources of electric energy on Earth are still the atmospheric processes.

More than 2000 lightning flashes occur every second close to the surface of the Earth. This means tens of thousands generators of Van de Graaf in nature generate currents of tens of kiloamperes simultaneously in the form of lightning. Yet, we cannot even start to compare the man-made generators on Earth with the electric storms that occur on the sister planet of Earth, Venus, and we will not even try to compare those to the storms on larger planets like Jupiter and Saturn.

Voltage can be characterized by its magnitude and its waveform. Depending on its behaviour through time we can define DC voltage that does not change with time, aperiodic voltage that changes with time, and AC voltage that changes with time following a specific law, and generally repeating at given intervals of time. Sometimes to achieve a given goal one may need both direct and alternating voltage. In this case we talk about alternating voltage with a DC component.

This voltmeter was used to measure voltage in the beginning of the twentieth century. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

DC generators also known as dynamos or dynamo electric machines are used in electrical engineering to provide high power with relatively stable voltage. Precision electronic devices are used to provide electrical power and maintain constant voltage levels. They operate using electrical components and are also known as voltage regulators.

Measuring Voltage

Many branches of science and technology including fundamental physics and chemistry, applied electrical engineering and electrochemistry, as well as medicine widely use measurements of the voltage. It is hard to think of a discipline that does not employ the measurement of voltage to control various processes. These measurements are done by different types of sensors, which are in fact converters of measurements of various properties into voltage. Some exceptions to this are, or rather were, perhaps, some creative areas of human activity, such as architecture, music, or fine art. These days even musicians and artists use electronic devices that rely on voltage. For example, artists and designers may use electronic tablets with stylus pens. Voltage is measured in these tablets when the stylus is moved above the surface of the tablet. It is then converted into digital signals and sent to the computer for processing. Architects also use tablets as well as software like ArchiCAD on computers. Musicians and composers often work with electronic musical instruments. Voltage is measured in the sensors of the keys to determine the intensity with which the key was pressed.

The temperature of the meat is measured in the electronic thermometer on the left by measuring the voltage on the resistance temperature detector. This is done by supplying a small electric current through this sensor. On the other hand, the multimeter on the right determines the temperature by means of measuring the voltage produced by the thermocouple without supplying any current from an external power supply.

Units of voltage can change within a vast scope, from fraction of a microvolt when researching the biological processes, to hundreds of volts in consumer electronics and industrial machinery, and to tens of millions of volts in highly powerful particle accelerators. Measuring voltage allows us to monitor and control some of the functioning of certain internal organs of humans. To map the functioning of the brain, for example, we record an electroencephalogram. To understand how the heart works we record an electrocardiogram or echocardiogram of the heart muscle. With the help of various industrial sensors we can successfully and more importantly — safely — control different processes that occur during chemical production. Some of these processes occur at extreme pressure and temperatures, and because of this safety is a major concern. By measuring voltage we can even monitor processes at nuclear power plants that occur during nuclear reactions. Engineers also maintain bridges and structures in good repair by measuring voltage, and can even prevent or lessen the devastating effects of an earthquake.

Just like a voltmeter, a pulse oximeter measures the voltage of the amplified signal from a photodiode. However, compared to the voltmeter, this device displays the percentage of the saturation of the hemoglobin with oxygen, 97% in this example, and not the voltage as measured in volts.

A brilliant idea to link different values of voltage to the logic levels of signals gave rise to the creation of modern digital technologies. For example, in information technology a low voltage represents the logic low (0), while high voltage represents the logic high (1).

We could say that all modern devices in computer and electric engineering in some way measure voltage, and then convert their input logic states using specific algorithms, to produce output signals in the format required.

Besides, accurate voltage measurements are the basis for many of the modern safety standards. Following these standards as prescribed ensures safety during the use of the device.

A memory card that is used in personal computers contains tens of thousands of logic gates.

Instruments for measuring voltage

Throughout history, as we learned more about the world around us, our methods of measuring voltage evolved from the primitive organoleptic methods. An example of such methods includes the work of the Russian scientist Petrov who cut away some of the epithelium on his fingers to increase his sensitivity to electric current. These methods evolved to simple detectors and indicators of voltage, and then to modern devices with various modes of operation that use the electrodynamic and electric properties of materials and substances.

Taste of electricity: a long time ago when voltmeters were not as widely available and inexpensive, we used to determine voltage by taste

It is interesting to note that in the past when the modern measuring devices such as multimeters were not easily accessible to the general public, radio electronics enthusiasts could tell a working 4.5 volt lantern battery from one that was losing its charge. They did that by simply licking the electrodes. Electrochemical processes that happened when they did that caused a slight feeling of burning and gave the battery a certain taste. Some individuals even attempted to determine whether or not 9 volt batteries were good to use, but this took quite a bit of courage because the sensation was very unpleasant.

Let us consider an example of a simple indicator or a voltage tester — an ordinary incandescent lamp with voltage not lower than the mains voltage. These days you can also buy simple voltage testers that are based on neon lamps and LEDs and consume low currents. When working with electricity, you always have to exercise care, because any mistakes, especially when using DIY devices can be life-threatening!

We should note that voltmeters, which are devices for measuring voltage, can differ from each other considerably, the most notable difference being in the type of voltage measured. Analog voltmeters, for example, can measure either DC voltage or AC voltage. The properties of the voltage measured is very important during the measuring process. It could be a function of time and be of a different type, such as being direct, harmonic, aharmonic, pulse signals, and so on.

The following types of voltage are most common:

  • instantaneous voltage,
  • peak-to-peak voltage,
  • average voltage also known as mean voltage,
  • root mean square voltage.

The instantaneous voltage Ui (in the illustration) is the magnitude of voltage at a given moment in time. We can monitor voltage in time on the screen of an oscilloscope and determine the voltage for a given moment in time by examining the trace.

The peak or amplitude voltage value Ua is the highest instantaneous value of voltage for a given period. The peak-to-peak amplitude Up-p is the difference between the maximum positive and the maximum negative amplitudes of a waveform.

A root mean square (RMS) value of voltage U is calculated as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous voltages within a given period of time.

All digital and analog voltmeters are usually calibrated to read RMS.

The average value of voltage (the DC component) is the arithmetic mean of all of its instantaneous values for the period during which measurement occurs.

Half-period average voltage is calculated as the arithmetic mean of the absolute instantaneous values for the voltage samples for the given time period.

The difference between the maximum and the minimum values of voltage is known as the signal swing.

These days voltage is often measured by using multipurpose digital devices like oscilloscopes. Their screen can show various important characteristics of the signal, not only the voltage waveform. These characteristics include frequency of periodic signals being measured. It is worth noting that the frequency limit is a very important characteristic of any voltage measurement device.

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

We can illustrate the discussion above by several experiments for measuring voltage. We will use a function signal generator, a DC power supply, an oscilloscope, and a multifunctional digital measuring device (multimeter).

Experiment 1

Below is the setup of experiment 1:

The signal generator is connected to the resistor with resistance R of 1 kiloohm. Probes of the oscilloscope and the multimeter are connected in parallel to the resistor. As we conduct this experiment we should keep in mind that the bandwidth of the scope is much higher than the bandwidth of the multimeter. First we will try experiment one.

Test 1: Let us apply a sinusoidal signal with the frequency of 60 Hz and amplitude of 4 volt from the generator to the load resistor. The oscilloscope screen will display the trace as in the photo below. We should note that the value of each vertical division on the oscilloscope screen is 2 V. Both the oscilloscope and the multimeter will show the RMS as 1.36 V.

Test 2: Let us double the amplitude of the signal of the generator. The amplitude on the oscilloscope and on the multimeter will double:

Test 3: Now let us increase the frequency of the generator by 100 times (to 6 kHz). The frequency on the oscilloscope will change but the amplitude and RMS will stay the same. The RMS value that the multimeter will be incorrect — this is caused by the multimeter bandwidth limit of only 0—400 Hz.

Test 4: Let us try the original frequency of 60 Hz and voltage of 4 V for the signal generator, but change the voltage waveform of the signal from sine to triangle. The scale on the oscilloscope will stay the same, but the value shown on the multimeter will decrease compared to the value for voltage that it showed in test 1. This happened because the RMS of the signal changed.

Experiment 2

We will use the same setup for experiment 2 as we used for experiment 1.

Let us turn the offset knob of the signal generator to add a 1 V DC offset to our 4 Vp-p sine signal. We will set the sine voltage on the signal generator as 4 V with the frequency of 60 Hz, just like in experiment 1. The signal on the oscilloscope will be shifted up by half of a division. The multimeter will display the RMS value of 1.33 V, which is almost the same as in test 1 of experiment 1 because in the AC measurement mode it has an AC-coupled input and cannot measure the DC component. The trace on the DC-coupled oscilloscope will be similar to the one in test 1 of experiment 1, but will be shifted up by one division. The RMS value measured by the scope will be higher than in test 1 of experiment 1 because the RMS value of the sum of the DC and AC voltages is higher than the RMS value for the signal without the DC component:

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Depending on the safety features in place in the room or in the building even low voltages of 12 — 36 volts may be deadly. Therefore when working with electricity in general and when measuring voltage in particular it is paramount to follow these safety guidelines:

  1. If you do not have special training in working with high voltages, do not measure voltage that is higher than 1000 V.
  2. Do not measure voltage in difficult to reach or high places.
  3. Use special protective equipment such rubber gloves, rugs, and boots when measuring mains voltage.
  4. Use measuring devices that work correctly and avoid broken ones.
  5. When working with multifunctional devices such as multimeters, make sure that the function and range are set correctly.
  6. Do not use measuring devices with damaged probes.
  7. Follow the manufacturer’s guidelines for the measuring device.

References

This article was written by Sergey Akishkin

Do you have difficulty translating a measurement unit into another language? Help is available! Post your question in TCTerms and you will get an answer from experienced technical translators in minutes.

Page 4

Länge und DistanzMassenkonverterTrockenvolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenFlächeVolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenTemperaturkonverterDruck, Spannung, Youngscher ModulEnergie und ArbeitLeistungKraftZeitLineares Tempo und GeschwindigkeitWinkelBrennstoffwirkungsgrad, Brennstoffverbrauch und BrennstoffwirtschaftlichkeitZahlenEinheiten der Informations- und DatenspeicherungWährungswechselkurseGrößen für Damenkleidung und -schuheGrößen für Herrenkleidung und -schuheWinkelgeschwindigkeit und DrehzahlBeschleunigungWinkelbeschleunigungDichteSpezifisches VolumenDas TrägheitsmomentKraftmomentDrehmomentSpezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Masse)Spezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Volumen)TemperaturbereichWärmeausdehnungskoeffizientWärmewiderstandWärmeleitfähigkeitSpezifische WärmekapazitätWärmedichte, flächenbezogene BrandlastWärmestromdichteWärmeübergangskoeffizientVolumenstromMassenstromDer StoffmengendurchflussMassenstromdichteDie StoffmengenkonzentrationMassenkonzentration in einer LösungDynamische (absolute) ViskositätKinematische ViskositätOberflächenspannungPermeation, Permeanz, WasserdampfdurchlässigkeitDurchlässigkeit von WasserdampfSchallpegelMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLeuchtdichteLichtstärkeBeleuchtungsstärkeAuflösung digitaler BilderFrequenz und WellenlängeOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElektrische LadungLängenbezogene elektrische LadungOberflächenladungsdichteRaumladungsdichteElektrische StromstärkeLineare StromdichteOberflächenstromdichteElektrische FeldstärkeElektrisches Potenzial und SpannungElektrischer WiderstandSpezifischer elektrischer WiderstandElektrischer LeitwertElektrische LeitfähigkeitElektrische KapazitätInduktivitätDie amerikanische DrahtnormUmrechnung von Pegeln in dBm, dBV, Watt und sonstige EinheitenMagnetische SpannungMagnetische FeldstärkeMagnetischer FlussMagnetische FlussdichteStrahlenenergiedosisleistung, ionisierende GesamtstrahlendosisRadioaktivität. Radioaktiver ZerfallStrahlungsbelastung (Strahlenexposition)Strahlung – EnergiedosisMetrische VorsätzeDatenübertragungEinheiten in Typografie und digitaler BildverarbeitungMaße für HolzvolumenMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 Volt [V]

Plasmakugel

Überblick

Elektrisches Potenzial

Spannung

Eigenschaften von Spannung

Spannung messen

Instrumente zur Messung der Spannung

Messen der Spannung mit einem Oszilloskop

Experiment 1

Experiment 2

Sicherheitshinweise zur Messung der Spannung

Überblick

Wenn wir einen Hügel besteigen, führen wir Arbeit aus, um der Schwerkraft zu widerstehen

Wir leben in einer Ära der Elektrizität und haben seit unserer Kindheit Kenntnis über elektrische Spannung. Viele von uns haben unsere Umgebung erkundet und haben buchstäblich einen elektrischen Schock erlebt. Nun, da Sie den Artikel lesen, haben Sie Ihre Erkundungen der Elektrizität in der Kindheit überlebt. Es ist nahezu unmöglich, in der Ära der Elektrizität zu leben und nicht unmittelbar damit in Kontakt zu sein. Im Hinblick auf das elektrische Potenzial ist sie ein etwas komplizierteres Thema.

Da es sich um eine mathematische Abstraktion handelt, ist der leichteste Weg, elektrisches Potenzial zu verstehen, es als eine Analogie zur Schwerkraft zu betrachten. Die Formeln sind für beide ähnlich. Der Unterschied liegt in den negativen Werten. Das elektrische Potenzial kann aufgrund des Vorhandenseins sowohl negativer als auch positiver Ladungen, die sich entweder anziehen oder abstoßen, negativ sein. Anziehungskräfte andererseits können zwischen zwei Objekten nur Anziehung erzeugen. Negative Masse ist noch nicht vollständig erkundet. Sobald dies erfolgt ist, werden wir Antigravitation verstehen.

Sobald wir uns abstoßen ...

Das Konzept des elektrischen Potenzials ist wichtig bei der Beschreibung von Phänomenen in Bezug auf Elektrizität. Wir können die Idee des elektrischen Potenzials als etwas definieren, das Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen oder Gruppen von geladenen Teilchen beschreibt, die entweder die gleichen oder gegensätzlichen Ladungen enthalten.

Wir wissen aus dem Physikunterricht und alltäglicher Erfahrung, dass wir die Schwerkraft überwinden und dafür Arbeit aufbringen, wenn wir einen Hügel hinaufsteigen. Die Schwerkraft, die wir überwinden müssen, agiert im Potenzialfeld der Gravitation auf der Erde. Wenn die Erde mit uns in Wechselwirkung ist, versucht sie unser Gravitationspotenzial zu verringern, da wir über eine bestimmte Masse verfügen. Als Teil dieser Wechselwirkung zieht uns die Erde nach unten und wir lassen sie und genießen die Fahrt einen Berghang hinunter auf Skis oder einem Snowboard. Ebenso hat ein elektrisches Potenzialfeld, das auf geladene Teilchen wirkt, das Ziel, die Teilchen mit entgegensetzter Ladung zusammenzubringen und Teilchen mit ähnlicher Ladung auseinanderzuschieben.

Von dem oben gesagten kann man schließen, dass ein elektrisch geladener Körper versucht, sein elektrisches Potenzial zu verringern. Dafür versucht er, so nah wie möglich an die Quelle hoher Kapazität eines elektrischen Felds mit entgegengesetzter Ladung zu gelangen, solang andere Kräfte ihn nicht daran hindern. Wenn die elektrische Ladung des Objekts die gleiche ist, versucht jedes der elektrisch geladenen Teilchen sein elektrisches Potenzial zu verringern, indem sie sich so weit wie möglich von einer ähnlich geladenen Quelle eines starken elektrischen Felds bewegen. Dies ist nur der Fall, wenn keine anderen Kräfte dies verhindern. Wenn Kräfte wirken, um dies zu verhindern, ändert sich das elektrische Potenzial nicht. In der Analogie mit der Schwerkraft heißt diese, wenn man auf der Spitze eines Berges steht, wird die Schwerkraft durch die Reaktionskraft des Bodens kompensiert und man wird nicht herunter- und vom Berg gezogen. Es ist nur das Gewicht der Person, das die Skis schiebt. Sobald man sich jedoch abstößt, fährt man den Berg hinunter.

Ein von einem geladenen Teilchen oder einer Gruppe von Teilchen erzeugtes elektrisches Feld wirkt auf andere geladene Teilchen. Es erzeugt ein elektrisches Potenzial, um diese geladenen Teilchen zueinander oder voneinander weg zu bewegen, abhängig davon, ob die Ladung zwischen diesen zwei wechselwirkenden Teilchen oder Objekte ähnlich oder gegensätzlich ist.

Sisyphus von Titian, Prado-Museum, Madrid, Spanien

Elektrisches Potenzial

Wenn ein geladenes Teilchen in ein elektrisches Feld eingeführt wird, weist es eine bestimmte Menge Energie auf, die für die Ausführung der Arbeit genutzt wird. Elektrisches Potenzial ist ein Begriff, der die an jeder Stelle eines elektrischen Felds gespeicherte Energie beschreibt. Dieses elektrische Potenzial eines elektrischen Felds an einer bestimmten Stelle gleicht der Arbeit, die die Kräfte dieses Felds ausführen können, wenn eine Einheit positiver Ladung außerhalb des Felds bewegt wird.

Denkt man wieder an die Analogie mit dem Gravitationsfeld, kann man daraus schließen, dass das Konzept des elektrischen Potenzials dem Phänomen der Ebene unterschiedlicher Punkte auf der Oberfläche der Erde ähnlich ist. Wie wir unten besprechen werden, ändert sich die Menge der Arbeit abhängig davon, wie hoch wir einen Körper vom Boden heben. Dem ähnlich ändert sich die Menge Arbeit, die aufgebracht werden muss, um eine Trennung von zwei Ladungen auszuführen, abhängig davon, wie weit man diese Ladungen voneinander trennt.

Denken wir an Sisyphus, einem der Helden alter griechischer Mythen. Er war von den Göttern verdammt, wegen seiner Sünden während seines Lebens bedeutungslose Arbeit im Jenseits zu verrichten und einen riesigen Stein auf eine Bergspitze zu rollen. Um den Stein die halbe Strecke hochzurollen, würde er die Hälfte der Arbeit verrichten, die er benötigen wird, um den Stein den gesamten Weg auf die Bergspitze zu rollen. Sobald er den Stein vollständig zur Spitze gerollt hatte, stießen die Götter ihn herunter. Um am Boden anzukommen, führt der Stein selbst auch Arbeit aus. Ein Stein, der auf einem Berg von der Höhe H gehoben wird, kann mehr Arbeit verrichten, als ein Stein, der nur auf die halbe Höhe, auf die Höhe Н/2 gebracht wird. Die Höhe wird in der Regel vom Meeresspiegel gemessen, was als Normalnull bezeichnet wird.

Im Sinne der Analogie kann man sagen, dass das elektrische Potenzial von der Oberfläche der Erde ein Nullpotenzial ist, das heißt,

ϕEarth = 0

wo ϕErde das elektrische Potenzial ist, eine skalare Variable. Hier ist ϕ ein Buchstabe im griechischen Alphabet, „phi“ ausgesprochen.

Dieser Wert quantifiziert die Fähigkeit eines elektrischen Felds, die Arbeit (W) zu verrichten, eine Ladung (q) von einem bestimmten Punkt zu einem anderen Punkt zu bewegen:

ϕ = W/q

Im internationalen Einheitensystem (SI) wird das elektrische Potenzial in Volt gemessen.

Besucher des Canada Science and Technology Museum können seine elektrische Energie produzieren, indem sie ein großes Hamsterrad drehen. Dieses Rad dreht einen Generator, der diese Tesla-Spule (rechts) bedient. Die Spule erzeugt eine Hochspannung von zehntausenden Volt. Es reicht, um einen Elektroblitz zu erzeugen.

Spannung

Elektrische Spannung (V) kann als Unterschied von elektrischen Potenzialen definiert werden, wie in der Formel:

V = ϕ1 – ϕ2

Das Konzept der Spannung wurde von Georg Ohm, einem deutschen Physiker, eingeführt. In einem 1827 veröffentlichten Papier schlägt er vor, das hydrodynamische Modell für elektrischen Strom zur Erklärung des empirischen ohmschen Gesetzes zu nutzen, das von ihm 1826 entdeckt wurde. Dieses Gesetz kann anhand der folgenden Formel notiert werden:

Eine Tesla-Spule im Canada Science and Technology Museum.

V = I·R,

wobei V der Potenzialunterschied, I der elektrische Strom und R der Widerstand sind.

Eine alternative Definition für die elektrische Spannung beschreibt es als Verhältnis der Arbeit, die ein elektrisches Feld ausführt, um eine elektrische Ladung zur Größe dieser Ladung zu bewegen.

Diese Definition kann anhand dieser Formel ausgedrückt werden:

V = A / q

Ähnlich wie das elektrische Potenzial wird Spannung auch in Volt (V) und dezimalen Vielfachen gemessen – Einheiten, die von Volt abgeleitet sind wie Mikrovolt (ein millionster Teil eines Volts, μV), Millivolt (ein tausendstel von einem Volt, mV), Kilovolt (eintausend Volt, kV) und Megavolt (eine Million Volt, MV).

Spannung von einem Volt ist äquivalent zur Spannung eines elektrischen Felds, das Arbeit von einem Joule verrichtet, um eine Ladung von einem Coulomb zu bewegen. Man kann ein Volt anhand anderer SI-Einheiten wie folgt definieren:

V = kg•m²/(A•s³)

Spannung kann durch verschiedene Quellen erzeugt werden, beispielsweise in biologischen Systemen und Einheiten, elektronischen und mechanischen Geräten und sogar unterschiedlichen Prozessen in der Atmosphäre.

Das Seitenlinienorgan eines Hais

Eine elementare Einheit eines biologischen Systems ist eine Zelle, die als kleiner elektrochemischer Generator gesehen werden kann. Einige Organe lebender Organismen wie das Herz, das aus vielen Zellen gebildet wird, produzieren eine höhere Spannung. Unterschiedliche Spezies von Haien, die perfekten Raubtiere der Meere sind, haben sehr sensible Sensoren für Spannung. Diese Sensoren sind als Seitenlinienorgan bekannt und sie erlauben den Haien, ihre Beute am Herzschlag zu erkennen. Dieser Mechanismus ist sehr verlässlich. Auch Zitterrochen und -aale haben eine Methode entwickelt, um ihre Beute anzugreifen und ihre Feinde abzuwehren, indem sie eine Spannung von mehr als 1000 V im Verlauf der Evolution erzeugt.

Menschen sind seit Langem in der Lage, Elektrizität zu erzeugen und einen Potenzialunterschied zu schaffen, indem sie ein Stück Bernstein mit Wolle oder Fell reiben, aber eine galvanische Zelle wird als das erste Gerät erachtet, das Elektrizität erzeugte. Sie wurde von dem italienischen Wissenschaftler und Arzt Luigi Galvani erfunden, der entdeckte, dass der Potenzialunterschied auftritt, wenn unterschiedliche Metalle und Elektrolyte in Kontakt miteinander kommen. Ein anderer italienischer Physiker, Alessandro Volta, setzte diese Forschungen fort und entwickelte sie weiter. Volta war die erste Person der Welt, die Zink- und Kupferplatten in Säure tauchte, um Gleichstrom zu erzeugen. So erzeugte er die erste chemische Quelle für elektrischen Strom. Er verband mehrere dieser Quellen in Reihe, um die erste chemische Batterie herzustellen. Es wurde als voltasche Säule bekannt und bot Menschen die Möglichkeit, Elektrizität anhand von chemischen Reaktionen zu erzeugen.

Voltasche Säule – ein Nachbau von 1999 von Gelside Guatterini, einem Elektriker des Volta-Museums in Como, Italien. Canada Science and Technology Museum

Die Einheit zur Angabe der Spannung, Volt, gedenkt den Beiträgen Voltas in der Erforschung elektrochemischer und elektrischer Phänomene. Dank ihm haben wir zuverlässige elektrochemische Energiequellen.

Zu den Forschern, die an Geräten gearbeitet haben, die Elektrizität herstellen, gehörte der niederländische Physiker Van de Graaff. Er erzeugte einen Hochspannungsgenerator, bekannt als Van-de-Graaff-Generator. Bei der Erzeugung von Elektrizität nutzt es den gleichen Grundsatz der Teilung von Ladungen, die wir ermöglichen, wenn wir Bernstein mit Wolle oder Fell reiben.

Zwei herausragende amerikanische Wissenschaftler Thomas Edison und Nikola Tesla waren die Väter des modernen elektrischen Generators. Tesla arbeitete für Edisons Unternehmen, aber die beiden Forscher stimmten nicht überein, wie elektrische Energie erzeugt wird, und trennten sich. Ein Patentkrieg folgte und die Menschheit profitierte dank ihrer Arbeit davon. Edisons umschaltbare Maschinen können als Gleichstromgeneratoren und Motoren verwendet werden. Es gibt heute Milliarden von Geräten, die den Mechanismus dieser umschaltbaren Maschinen nutzen. Sie sind unter anderem unter der Motorhaube eines Autos, Fensterhebern und in einem Mixer zu finden. Andererseits war es Tesla, der Möglichkeiten entdeckte, um Wechselstrom zu erzeugen, und herausfand, nach welchen Gesetzmäßigkeiten dieser umgewandelt wird. Diese Entdeckungen werden bei Geräten wie elektrischen Transformatoren, Stromkabeln, die Elektrizität über lange Strecken transportieren, und weiteren eingesetzt. Es gibt viele Geräte, darunter Verbraucherelektronik wie Ventilatoren, Kühlschränke, Klimaanlagen oder Staubsauger, die häufig im alltäglichen Leben genutzt werden.

Dieser Gleichstrommotorgenerator wurde von Westinghouse 1904 gebaut, um beständige Leistung zur Erzeugung eines magnetischen Felds in der Erregermaschine des Wasserkraftwerks der Niagara Falls (New York) zu liefern, das von Nikola Tesla und George Westinghouse gebaut worden war.

Schließlich entdeckten andere Wissenschaftler weitere elektrische Generatoren, die nach anderen Prinzipien arbeiten, einschließlich derjenigen, die die Energie der Kernspaltung nutzen. Einige dieser Generatoren sollen als Energiequellen während langer Reisen ins All dienen.

Wenn man einige der Generatoren, die für die wissenschaftliche Forschung entwickelt wurden, außer Acht lässt, kann man sagen, dass die leistungsstärksten Quellen für elektrische Energie auf der Erde immer noch atmosphärische Prozesse sind.

Mehr als 2000 Blitze passieren jede Sekunde nahe der Erdoberfläche. Das bedeutet zehntausende Van-de-Graaf-Generatoren in der Natur erzeugen mehrfache Kiloampere Strom gleichzeitig in Form von Blitzen. Man kann nicht wirklich die von Menschen erstellten Generatoren auf der Erde mit den elektrischen Stürmen vergleichen, die auf dem Schwesterplaneten der Erde, Venus, vorkommen, noch weniger lassen sie sich mit den Stürmen auf größeren Planeten wie Jupiter und Saturn vergleichen.

Spannung wird durch ihre Stärke und Wellenform charakterisiert. Abhängig vom Verhalten über eine Zeit können wir Gleichspannung, die sich nicht mit der Zeit ändert, aperiodische Spannung, die sich mit der Zeit ändert, und Wechselspannung, die sich bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgend, sich in der Regel in bestimmten Intervallen wiederholend, mit der Zeit ändert, definieren. Gelegentlich benötigt man sowohl Gleich- als auch Wechselspannung, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. In diesem Fall sprechen wir von einer Wechselspannung mit Gleichstromkomponente.

Dieser Spannungsmesser wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts genutzt. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

Gleichstromgeneratoren werden auch Dynamos oder Lichtmaschinen genannt und werden in der Elektrotechnik genutzt, um Starkstrom mit relativ stabiler Spannung zu liefern. Elektronische Präzisionsgeräte werden verwendet, um die elektrische Leistung zu liefern und einen beständigen Spannungslevel zu erhalten. Sie werden anhand elektrischer Komponenten betrieben und sind auch als Spannungsregler bekannt.

Spannung messen

Viele Bereiche in der Wissenschaft und Technologie, einschließlich der elementaren Physik und Chemie, angewandten Elektrotechnik und Elektrochemie sowie der Medizin, nutzen die Messungen der Spannung in großem Umfang. Es fällt schwer einen Bereich vorzustellen, der keine Spannungsmessungen nutzt, um verschiedene Prozesse zu kontrollieren. Diese Messungen werden von unterschiedlichen Typen von Sensoren vorgenommen, die tatsächlich Wandler von Messungen verschiedener Merkmale in Spannung sind. Einige Ausnahmen hierzu sind bzw. waren kreative Bereiche menschlicher Aktivität wie Architektur, Musik oder die schönen Künste. Heute verwenden auch Musiker und andere Künstler elektronische Geräte, die sich auf Spannung stützen. Beispielsweise nutzen Künstler und Designer möglicherweise elektronische Tablets mit Eingabestiften. Wenn der Stift über die Tablet-Oberfläche bewegt wird, wird in diesen Tablets Spannung gemessen. Sie wird dann in digitale Signale konvertiert und an den Computer zur Verarbeitung gesendet. Auch Architekten nutzen Tablets und CAD-Software an Computern. Musiker und Komponisten arbeiten häufig mit elektronischen Musikinstrumenten. Spannung wird in den Sensoren der Tasten gemessen, um festzustellen, mit welcher Intensität eine Taste gedrückt wird.

Die Temperatur des Fleischs wird mit dem elektronischen Thermometer links gemessen, indem die Spannung am Widerstandstemperaturfühler erfasst wird. Dies erfolgt durch Anlegen eines geringen elektrischen Stroms durch den Sensor. Das Mehrfachmessgerät rechts stellt die Temperatur fest, indem es die Spannung misst, die vom Thermoelement geliefert wird, ohne Strom von einer externen Quelle anzulegen.

Einheiten für Spannungen können sich innerhalb einer enormen Bandbreite ändern, von einem Bruchteil eines Mikrovolts bei der Erforschung biologischer Prozesse zu hunderten Volt bei Verbraucherelektronik und industriellen Maschinen und mehreren zehn Millionen Volt in Hochleistungsteilchenbeschleunigern. Das Messen von Spannung erlaubt Menschen, die Funktion bestimmter menschlicher Organe zu beobachten und kontrollieren. Um die Funktion des Gehirns abzubilden, wird beispielsweise ein Elektroenzephalogramm aufgezeichnet. Um zu verstehen, wie das Herz funktioniert, wird ein Elektrokardiogramm oder Ultraschallbild des Herzmuskels aufgenommen. Mithilfe verschiedener industrieller Sensoren können unterschiedliche Prozesse, die in einer chemischen Produktion ablaufen, erfolgreich und vor allem sicher kontrolliert werden. Einige dieser Prozesse laufen unter extremen Druck und Temperaturen und daher ist Sicherheit ein wesentlicher Aspekt. Indem die Spannung gemessen wird, können Prozesse in Kernkraftwerken überwacht werden, die bei Kernreaktionen vorkommen. Auch Ingenieure erhalten Brücken und Gebäude in gutem Zustand, indem sie die Spannung messen und können sogar verheerende Auswirkungen eines Erdbebens mindern oder verhindern.

Wie auch der Spannungsmesser misst ein Impulsoximeter die Spannung des verstärkten Signals einer Fotodiode. Aber im Vergleich zum Spannungsmesser zeigt dieses Gerät den prozentualen Teil der Sättigung des Hämoglobins mit Sauerstoff an, 97 % in diesem Beispiel, und nicht die Spannung in Volt.

Die brillante Idee, verschiedene Spannungswerte mit logischen Signalen zu verknüpfen, ermöglichten die Schaffung moderner digitaler Technologien. In der Informationstechnologie repräsentiert eine geringe Spannung den logischen Tiefpunkt (0), während hohe Spannung den hohen logischen Hochpunkt (1) darstellt.

Man könnte sagen, dass alle modernen Geräte in Computern und in der Elektrotechnik auf irgendeine Weise Spannung messen und den logischen Eingangszustand anhand spezieller Algorithmen konvertieren, um Ausgangssignale im erforderlichen Format zu erzeugen.

Daneben sind korrekte Spannungsmessungen die Basis für viele moderne Sicherheitsstandards. Das Befolgen dieser Standards wie vorgeschrieben stellt die Sicherheit während der Nutzung des Geräts sicher.

Eine Speicherkarte, die in PCs verwendet wird, enthält zehntausende logischer Elemente.

Instrumente zur Messung der Spannung

In der gesamten Zeit, in der wir mehr über unsere Umwelt erfahren haben, entwickelten wir unsere Methoden zur Messung der Spannung von primitiven organoleptischen Methoden weiter. Ein Beispiel solcher Methoden ist die Arbeit des russischen Wissenschaftlers Petrov, der Teile des Deckgewebes von seinen Fingern schnitt, um die Sensibilität gegenüber elektrischem Strom zu steigern. Diese Methoden entwickelten sich zu einfachen Detektoren und Anzeigegeräten von Spannung und schließlich zu modernen Geräten mit unterschiedlichen Betriebsmodi, die die elektrodynamischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien und Substanzen nutzen.

Vor langer Zeit, als Spannungsmesser noch nicht weithin verfügbar waren, wurde Spannung am Geschmack festgestellt.

In der Vergangenheit, als die modernen Messgeräte wie Mehrfachmessgeräte nicht einfach für die Allgemeinheit zugänglich waren, konnten Funkelektroniker eine Arbeitspannung von einer 4,5-V-Batterie von einer Batterie, die ihre Ladung verliert, unterscheiden. Dafür leckten sie an den Elektroden. Die darauf folgenden elektrochemischen Prozesse verursachten ein leichtes Gefühl des Brennens und verliehen der Batterie einen bestimmten Geschmack. Einige versuchten sogar festzustellen, ob eine 9-Volt-Batterie funktionierte, aber es erforderte einigen Mut, da das Gefühl sehr unangenehm war.

Betrachten wir ein einfaches Anzeigegerät oder einen Spannungsmesser: eine einfache Glühbirne mit einer Spannung, die nicht geringer ist als die Netzspannung. Heute kann man einfache Spannungsmesser kaufen, die auf Neonlichtern und LEDs basieren und wenig Strom verbrauchen. Bei der Arbeit mit Elektrizität muss man Vorsicht walten lassen, da jeder Fehler, insbesondere bei der Nutzung von selbstgebauten Geräten, lebensbedrohlich sein kann!

Spannungsmessgeräte können sich erheblich unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Art der gemessenen Spannung. Analoge Spannungsmesser erfassen beispielsweise entweder Gleich- oder Wechselspannung. Die Art der Spannung ist sehr wichtig für den Messvorgang. Es kann sich um eine Zeitfunktion handeln und sie kann unterschiedlichen Typs sein wie Gleichspannung, harmonisches, nicht harmonisches, pulsierendes Signal usw.

Die folgenden Spannungstypen treten am häufigsten auf:

  • Augenblicksspannung
  • Spitze-Spitze-Spannung (Spitze-Tal-Wert)
  • mittlere Spannung
  • Effektivspannung

Die Augenblicksspannung Ui (in der Illustration) ist die Größe der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Man kann Spannung auf dem Bildschirm eines Oszilloskops über einen Zeitraum beobachten und die Spannung für einen Zeitpunkt anhand der Spannungslinie ablesen.

Der Wert der Spitzen- oder Amplitudenspannung Ua ist der höchste Augenblickswert der Spannung in einem bestimmten Zeitraum. Die Spitze-Spitze-Amplitude Up-p ist der Unterschied zwischen der höchsten positiven und der höchsten negativen Amplitude einer Wellenform.

Der Effektivwert der Spannung U ist die Quadratwurzel des arithmetischen Mittels der quadrierten Augenblicksspannung für einen bestimmten Zeitraum.

Alle digitalen und analogen Spannungsmesser sind in der Regel so kalibriert, dass sie den Effektivwert anzeigen.

Der mittlere Wert der Spannung (die Gleichstromkomponente) ist das arithmetische Mittel aller Augenblickswerte für den Zeitraum, in dem die Messung vorgenommen wird.

Halbzeitsmittelwerte der Spannung werden als arithmetisches Mittel der absoluten Augenblickswerte der Spannungsproben für einen bestimmten Zeitraum berechnet.

Der Unterschied zwischen dem Höchst- und dem kleinsten Wert der Spannung wird Signalbereich genannt.

Heute wird Spannung häufig anhand von digitalen Mehrzweckgeräten wie Oszilloskope gemessen. Sie können verschiedene Merkmale von Signalen anzeigen, nicht nur die Spannungswellenform. Dazu gehört die gemessene Frequenz periodischer Signale. Die Frequenzgrenze ist ein wichtiges Merkmal jedes Spannungsmessgeräts.

Messen der Spannung mit einem Oszilloskop

Das oben Gesagte lässt sich anhand mehrerer Experimente zur Messung der Spannung illustrieren. Wir verwenden ein Funktionssignalgeber, eine Gleichstromquelle, ein Oszilloskop und ein multifunktionales digitales Messgerät (Mehrfachmessgerät).

Experiment 1

Nachfolgend der Aufbau von Experiment 1:

Der Signalgeber wird mit dem Widerstand R von 1 Kiloohm verbunden. Messfühler des Oszilloskops und des Mehrfachmessgeräts werden parallel zum Widerstand angeschlossen. Bei der Durchführung des Experiments sollten wir berücksichtigen, dass die Bandbreite des Oszilloskops viel größer ist als die des Mehrfachmessgeräts. Führen wir zunächst Experiment 1 durch.

Test 1: Wir legen ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz von 60 Hz und einer Amplitude von 4 Volt vom Generator zum Lastwiderstand an. Der Oszilloskopbildschirm zeigt eine Linie wie unten im Foto an. Der Wert jedes vertikalen Abschnitts auf dem Oszilloskopbildschirm beträgt 2 V. Sowohl das Oszilloskop als auch das Mehrfachmessgerät werden den Effektivwert als 1,36 V anzeigen.

Test 2: Verdoppeln wir nun die Amplitude des Generatorsignals. Die Amplitude auf dem Oszilloskop und Mehrfachmessgerät verdoppeln sich:

Test 3: Erhöhen wir jetzt die Frequenz des Generators um das Hundertfache (auf 6 kHz). Die Frequenz am Oszilloskop wird sich ändern, aber die Amplitude und der Effektivwert bleiben gleich. Der Effektivwert des Mehrfachmessgeräts wird nicht korrekt sein, da die Bandbreite auf 0–400 Hz begrenzt ist.

Test 4: Versuchen wir die Ursprungsfrequenz von 60 Hz und Spannung von 4 V für den Signalgeber, aber ändern wir die Signalwellenform der Spannung von sinusförmig nach dreieckig. Die Skala des Oszilloskops bleibt gleich, aber die auf dem Mehrfachmessgerät angezeigten Werte sinken im Vergleich zum Wert für die Spannung, der in Test 1 angezeigt wurde. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Effektivwert des Signals sich geändert hat.

Experiment 2

Wir verwenden den gleichen Aufbau für Experiment 2 wie in Experiment 1.

Drehen wir den Offset-Regler des Signalgebers und fügen wir einen 1-V-Gleichstromversatz zu unserem 4-Vp-p-Sinussignal hinzu. Die Sinusspannung des Signalgebers wird wie bei Experiment 1 auf 4 V mit einer Frequenz von 60 Hz eingestellt. Das Signal auf dem Oszilloskop wird um die Hälfte einer Einteilung nach oben verschoben. Das Mehrfachmessgerät wird den Effektivwert 1,33 V anzeigen, was fast dem Wert aus Test 1 von Experiment 1 entspricht, da es im Messmodus für Wechselstrom einen wechselstromgekoppelten Eingang aufweist und nicht die Gleichstromkomponente messen kann. Die Linie auf dem direkt gekoppelten Oszilloskop wird ähnlich wie bei Test 1 von Experiment 1 sein, aber ist um eine Einteilung nach oben verschoben. Der Effektivwert, der vom Oszilloskop gemessen wurde, wird höher sein, als in Test 1 von Experiment 1, da der Effektivwert der Summe von Gleichstrom- und Wechselstromspannung höher ist, als der Effektivwert für das Signal ohne Gleichstromkomponente:

Sicherheitshinweise zur Messung der Spannung

Abhängig von den im Raum getroffenen Sicherheitsvorkehrungen können selbst geringen Spannungen von 12–36 Volt tödlich sein. Es ist daher äußerst wichtig, bei der Arbeit mit Elektrizität im Allgemeinen und dem Messen der Spannung im Besonderen diese Sicherheitshinweise zu befolgen:

  1. Sofern Sie nicht über eine besondere Ausbildung für die Arbeit mit Hochspannungen verfügen, messen Sie keine Spannungen, die mehr als 1000 V betragen.
  2. Führen Sie keine Messungen in schwer zugänglichen oder an erhöhten Orten durch.
  3. Verwenden Sie besondere Schutzausrüstung wie Gummihandschuhe, -teppiche und -stiefel, wenn Sie die Spannung an Netzspannungen messen.
  4. Verwenden Sie Messgeräte, die korrekt funktionieren und vermeiden Sie beschädigte Geräte.
  5. Bei der Arbeit mit Multifunktionsgeräten wie Mehrfachmessgeräten stellen Sie bitte sicher, dass die Funktion und der Bereich richtig eingestellt sind.
  6. Verwenden Sie keine Messgeräte mit beschädigten Messsensoren.
  7. Befolgen Sie die Anleitung des Herstellers des Messgeräts.

Weitere Informationen

Dieser Artikel wurde von Sergey Akishkin verfasst.

Haben Sie Schwierigkeiten, eine Messung in eine andere Sprache zu übersetzen? Hier erhalten Sie Hilfe! Stellen Sie Ihre Frage bei TCTerms und Sie erhalten von erfahrenen technischen Übersetzern binnen Minuten eine Antwort.

Page 5

Lunghezza e distanzaMassaMisurazione volume secco e cottura comuniAreaVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperaturaPressione, sforzo e modulo di YoungEnergia e lavoroPotenzaForzaTempoVelocità lineareAngoloEfficienza di carburante, consumo di carburante e risparmio di carburanteNumeriUnità di informazione e memorizzazione datiTassi cambio valutaTaglie dell’abbigliamento e delle scarpe da donnaAbbigliamento e scarpe da uomoVelocità angolare e frequenza di rotazioneAccelerazioneAccelerazione angolareDensitàVolume specificoMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterEnergia specifica, Calore di combustione (per volume)Intervallo di temperaturaCoefficiente di dilatazione termicaResistenza termicaConduttività termicaSpecific Heat Capacity ConverterDensità di calore, densità di carico di incendioDensità del flusso di caloreCoefficiente di scambio termicoVolumetric Flow Rate ConverterMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterFlusso di massaConcentrazione molareMass Concentration in a Solution ConverterViscosità dinamica (assoluta)Viscosità cinematicaTensione superficiePermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterVelocità di trasmissione del vapore umiditàSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminanzaLuminous Intensity ConverterIlluminamentoRisoluzione immagine digitaleFrequenza e lunghezza d'ondaOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterCarica elettricaLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterCorrente elettricaDensità lineare di correnteDensità superficiale di correnteIntensità del campo elettricoTensione e potenziale elettricoResistenza elettricaResistività elettricaConduttanza elettricaConduttività elettricaCapacità elettricaInduttanzaAmerican Wire GaugeConversione di livelli in dBm, dBV, Watt e altre unitàMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterFlusso magneticoMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterEsposizione alle radiazioniRadiation. Absorbed Dose ConverterPrefissi metriciTrasmissione datiConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 volt [V]

Lampada al plasma

Panoramica

Potenziale elettrico

Tensione

Caratteristiche della tensione

Misurazione della tensione

Strumenti per la misurazione della tensione

Misurazione della tensione con un oscilloscopio

Esperimento 1

Esperimento 2

Linee guida di sicurezza per la misurazione della tensione

Panoramica

Quando saliamo su per una collina lavoriamo per resistere alla forza di gravità

Noi viviamo nell'era dell'elettricità e conosciamo la tensione elettrica dall'infanzia. Molti di noi hanno esplorato l'ambiente e preso letteralmente la scossa, quando abbiamo toccato prese elettriche in segreto, mentre i nostri genitori non ci guardavano. Bene, quindi se stai leggendo questo articolo, non ti è successo nulla se hai esplorato l'elettricità nell'infanzia. È quasi impossibile vivere nell'era dell'elettricità e non averla conosciuta. Per quanto riguarda il potenziale elettrico, è una questione un po' più complicata.

Poiché è un'astrazione matematica, il modo più semplice di comprendere il potenziale elettrico è pensare ad esso come un'analogia con la gravità. Le formule sono simili. La differenza è nei valori negativi. Possiamo avere potenziale elettrico negativo a causa di cariche sia positive sia negative che si attraggono o si respingono. Le forze gravitazioni, dall'altro lato, possono causare solo attrazione tra due oggetti. Non abbiamo completamente compreso la massa negativa. Una volta dominata, ci consentirebbe di comprendere l'antigravità.

Eppure, appena spingiamo...

Il concetto di potenziale elettrico svolte un ruolo importante nella descrizione di fenomeni relativi all'elettricità. Possiamo definire la nozione di potenziale elettrico come quella che descrive le interazioni di particelle caricate elettricamente o gruppi di particelle caricate, che hanno carica uguale od opposta.

Sappiamo dalle lezioni di fisica della nostra scuola e dalle esperienze quotidiane che quando saliamo su per una collina dobbiamo superare la forza di gravità ed eseguire del lavoro per farlo. Le forze di gravità, che dobbiamo affrontare, agiscono nel campo gravitazionale potenziale della Terra. Quando la Terra interagisce con noi, tenta di diminuire il nostro potenziale gravitazionale, perché abbiamo una certa massa. Come parte di questa interazione, la Terra ci tira verso il basso, e noi lo permettiamo, godendoci il nostro viaggio giù per un pendio di montagna sugli sci o sullo snowboard. Allo stesso modo, un campo di potenziale elettrico che agisce su particelle cariche si propone di portare le particelle con carica opposta insieme e di spingere le particelle con carica simile.

Possiamo concludere da quanto detto prima che un corpo caricato elettricamente cerca di ridurre il suo potenziale elettrico. A tal fine, tenta di avvicinarsi il più possibile alla fonte ad alta capacità di un campo elettrico con carica di segno opposto, fino a quando altre forze non impediscono di farlo. Se la carica elettrica degli oggetti è la stessa, ciascuno oggetto caricato elettricamente tenta di ridurre il suo potenziale elettrico allontanandosi il più possibile dalla sorgente di un campo elettrico potente caricata in modo simile. Ancora una volta, questo è solo il caso se nessuna altra forza lo impedisce. Se ci sono forze che agiscono per prevenire ciò, il potenziale elettrico non cambia. Nell'analogia con gravità, quando ci si trova sulla montagna, la forza di gravità è compensata dalla forza di reazione della terra e nulla tira giù e fuori da questa montagna. È solo il tuo peso che spinge gli sci. Tuttavia, non appena si va via... scendi dalla montagna!

In modo simile, un campo elettrico creato da una particella caricata o un gruppo di particelle agisce su altre particelle caricate. Ciò crea un potenziale elettrico per muovere queste particelle caricate l'una verso l'altra o l'una lontana dall'altra, a seconda se la carica tra queste due particelle che interagiscono è simile od opposta.

Sisifo di Tiziano, Museo del Prado, Madrid, Spagna

Potenziale elettrico

Quando una particella è introdotta in un campo elettrico, essa ha una certa quantità di energia che può essere usata per eseguire il lavoro. Potenziale elettrico è un termine che descrive questa energia immagazzinata in ciascun punto di un campo elettrico. Il potenziale elettrico di un campo elettrico in un dato punto è pari al lavoro che le forze di questo campo possono eseguire quando un'unità di carica positiva è spostata fuori dal campo.

Guardando nuovamente all'analogia con il campo gravitazionale possiamo concludere che la nozione di potenziale elettrico è simile al fenomeno del livello di punti diversi sulla superficie della Terra. Come discusso in precedenza, a seconda di quanto si solleva il corpo da terra la quantità di lavoro cambia, e allo stesso modo dipende da quanto si separano due cariche cambia anche la quantità di lavoro per eseguire questa separazione.

Proviamo a immaginare Sisifo, uno degli eroi dei miti dell'antica Grecia. Egli è stato condannato dagli dèi per fare effettuare lavoro privo di significato nell'aldilà, spingere un'enorme pietra di rotolamento verso l'alto di una montagna come punizione per i peccati che ha commesso durante la sua vita. Per portare la pietra a metà strada su per la montagna avrebbe fatto metà del lavoro che avrebbe eseguito per portare la pietra per tutta la strada verso l'alto. Una volta che ha trasportato la pietra per tutta la strada, i dèi lo hanno spinto giù della montagna. Per raggiungere il fondo la pietra stessa ha eseguito parte del lavoro. Una pietra spinta su per una montagna H può eseguire un lavoro maggiore rispetto alla pietra spinta solo per metà dell'altezzaН/2. Solitamente contiamo l'altezza dal livello del mare, che è considerata essere l'altezza zero.

Usando questa analogia possiamo dire che il potenziale elettrico della superficie della Terra è un potenziale nullo,

ϕEarth = 0

dove ϕTerra è il potenziale elettrico, una variabile scalare. Qui ϕ è una lettera dell'alfabeto greco pronunciata come “phi”.

Questo valore quantifica la capacità di un campo elettrico di eseguire un lavoro (W) per spostare una carica (q) da un dato punto all'altro:

ϕ = W/q

Nel SI il potenziale elettrico è misurato in volt (V).

I visitatori del Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia possono generare l'energia elettrica facendo girare una grande ruota per criceti umani. Questa ruota gira il generatore che alimenta la bobina di Tesla (a destra). La bobina genera alta tensione di decine di migliaia di volt. È sufficiente a generare una scarica di elettricità per incendiare.

Tensione

La tensione elettrica (V) può essere definita come una differenza di potenziali elettrici, come nella formula:

V = ϕ1 – ϕ2

La nozione di tensione è stata introdotta da Georg Ohm, un fisico tedesco. Nel suo saggio pubblicato nel 1827 egli ha proposto di usare il modello idrodinamico per la corrente elettrica per spiegare la legge di Ohm empirica da lui scoperta nel 1826. Questa legge può essere scritta usando questa formula:

Una bobina di Tesla al Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia.

V = I·R,

dove v è la differenza di potenziali, I è la corrente elettrica e R è la resistenza.

Una definizione alternativa di tensione elettrica la descrive come un rapporto tra il lavoro che un campo elettrico esegue per spostare una carica elettrica alla magnitudine di questa carica.

Questa definizione può essere espressa usando questa formula:

V = A / q

In modo simile al potenziale elettrico, la tensione è misurata in volt (V) e multipli e frazioni decimali — unità derivate da volt, come microvolt (un milionesimo di volt, μV), millivolt (un millesimo di volt, mV), kilovolt (mille volt, kV) e megavolt (un milione di volt, MV).

La tensione di un volt è equivalente alla tensione di un campo elettrico che esegue un lavoro di un joule per spostare una carica di 1 coulomb. Possiamo definire un volt usando altre unità SI come segue:

V = kg•m²/(A•s³)

La tensione può essere generata da diverse fonti come sistemi ed entità biologici, dispositivi elettronici e meccanici, e anche da vari processi nell'atmosfera.

La linea laterale di uno squalo

Un'unità elementare per qualsiasi sistema biologico è una cellula, che può essere vista come un piccolo generatore elettrochimico. Alcuni organi degli organismi viventi come il cuore che sono formati da molte cellule producono una tensione più alta. È interessante notare che diverse specie di squali, che sono i predatori perfetti degli oceani e dei mari, hanno sensori molto sensibili per la tensione. Questi sensori sono conosciuti la linea laterale, e consentono agli squali di rilevare le loro prede dal battito cardiaco. Questo meccanismo è molto affidabile. Mentre parliamo di tensione nel mondo animale, citiamo anche raggi elettrici e anguille, che hanno sviluppato un metodo per attaccare le loro prede e per combattere i loro predatori, generando una tensione di oltre 1000 V durante il processo di evoluzione.

Persone sono state in grado di generare l'elettricità e creare la differenza dei potenziali strofinando un pezzo d'ambra con lana o pelliccia per lungo tempo, ma una cella galvanica è considerata essere il primo dispositivo per generare elettricità. È stata creata dallo scienziato e fisico italiano Luigi Galvani, il quale ha scoperto che la differenza di potenziali si verifica quando diversi metalli ed elettroliti vengono a contatto. Un altro fisico, Alessandro Volta, ha continuato e sviluppato ulteriormente questa ricerca. Volta è stato il primo al mondo a immergere lastre di zinco e rame in acido, per generare una corrente elettrica diretta. Quindi ha creato la prima fonte chimica di corrente elettrica. Egli ha collegato molte di queste fonti in serie per creare la prima batteria chimica. È diventata nota come una pila voltaica, e ha dato alle persone l'opportunità di generare l'elettricità usando reazioni chimiche.

La pila di Volta - una replica del 1999 realizzata da Gelside Guatterini, un elettricista al Museo Volta di Como, Italia. Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia

L'unità per la misurazione della tensione, un volt, nonché il termine “tensione” stesso sono chiamati in questo modo per commemorare i contributi di Volt alla ricerca di fenomeni elettrochimici ed elettrici. Grazie a lui sappiamo di avere una fonte di energia elettrochimica affidabile.

Quando parliamo di ricercatori che hanno lavorato alla creazione di dispositivi per generare elettricità, non dobbiamo dimenticare il fisico olandese Van de Graaff. Egli ha creato un generatore di alta tensione ora noto come generatore Van de Graaff. Durante la generazione di energia elettrica si utilizza lo stesso principio della divisione delle cariche che facilitiamo quando si sfrega l'ambra con lana o pelliccia.

Possiamo dire che due eccezionali scienziati americani Thomas Edison e Nikola Tesla sono stati i padri dei generatori elettrici moderni. Tesla ha lavorato per la società di Edison, ma i due ricercatori erano in disaccordo su come generare energia elettrica e proseguirono per strade separate. Seguì una guerra di brevetto e l'umanità ne ha beneficiato, grazie al lavoro di questi due scienziati. Le macchine reversibili di Edison possono essere utilizzate come motori e generatori di corrente continua. Ci sono miliardi di dispositivi realizzati oggi che utilizzano il meccanismo impiegato in queste macchine reversibili. Li troviamo sotto il cofano della nostra auto, in un regolatore di potenza del finestrino, o in un frullatore, tra gli altri dispositivi. D'altra parte, fu Tesla, che ha scoperto modi per generare corrente alternata e il principio per trasformarla. Queste scoperte sono utilizzate da dispositivi quali trasformatori elettrici, linee elettriche che trasportano l'elettricità su lunghe distanze e altri. Ci sono moltitudini di questi dispositivi, e includono molti dispositivi elettronici di consumo usati di frequente da noi nella vita quotidiana, come ventilatori, refrigeratori, condizionatori d'aria, aspirapolveri e molti altri dispositivi che non possiamo descrivere qui a causa dello scopo di questo articolo.

Questo set generatore-motore a corrente continua realizzato da Westinghouse nel 1904 è stato usato per fornire potenza consistente per generare un campo magnetico in un eccitatore nella centrale idro-elettrica costruita da Nikola Tesla e George Westinghouse.

Alla fine gli scienziati hanno scoperto altri generatori elettrici che utilizzano principi diversi, compresi quelli che utilizzano l'energia della fissione nucleare. Alcuni di questi altri generatori sono destinati a servire come fonti di energia durante i lunghi viaggi per lo spazio esterno.

Se non consideriamo alcuni dei generatori creati per la ricerca scientifica, possiamo dire che le fonti più potenti di energia elettrica sulla Terra sono ancora i processi atmosferici.

Più di 2000 fulmini si verificano ogni secondo vicino alla superficie della Terra. Ciò significa che decine di migliaia generatori di Van de Graaf in natura generano correnti di decine di kiloampere simultaneamente sotto forma di fulmine. Ancora, non possiamo iniziare a confrontare i generatori artificiali sulla Terra con le tempeste elettriche che si verificano sulla sorella del pianeta Terra, Venere, e non cerchiamo neanche di confrontarli alle tempeste su pianeti più grandi come Giove e Saturno.

La tensione può essere caratterizzata dalla sua magnitudine e dalla sua forma d'onda. A seconda del suo comportamento attraverso il tempo, possiamo definire la tensione CC che non cambia nel tempo, tensione aperiodica che cambia con il tempo, e la tensione CA che cambia con il tempo seguendo una legge specifica, e ripetendosi generalmente a dati intervalli di tempo. A volte per raggiungere un dato obiettivo possiamo aver bisogno di tensione continua e alternata. In questo caso parliamo di una tensione alternata con un componente CC.

Questo voltmetro era usato per misurare la tensione agli inizi del XX secolo. Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia, Ottawa

I generatori CC noti anche come dinamo o macchinari elettrici dinamo sono usati nell'ingegneria elettrica per fornire alta potenza con tensione relativamente stabile. I dispositivi elettronici di precisione sono usati per fornire energia elettrica e mantenere i livelli di tensione costanti. Essi funzionano usando componenti elettrici e sono noti anche come regolatori di tensione.

Misurazione della tensione

Molti rami della scienza e della tecnologia incluso la chimica e la fisica fondamentale, l'ingegneria elettrica applicata e l'elettrochimica, nonché la medicina usano ampiamente le misurazioni della tensione. È difficile pensare a una disciplina che non impiega la misurazione della tensione per controllare vari processi. Queste misurazioni sono effettuate con diversi tipi di sensori, che sono convertitori di misurazioni di varie proprietà in tensione. Alcune eccezioni a ciò sono, o piuttosto erano, forse, alcune aree creative di attività umana, come architettura, musica o arte. Oggigiorno anche musicisti e artisti usano dispositivi elettronici che fanno affidamento sulla tensione. Ad es. artisti e designer possono usare tablet elettronici con penne stilo. La tensione è misurata in questi tablet quando lo stilo è mosso sulla superficie del tablet. Essa è convertita in segnali digitali e inviata al computer per l'elaborazione. Anche gli architetti utilizzano tablet, nonché software CAD su computer. Musicisti e compositori spesso lavorano con strumenti musicali elettronici. La tensione è misurata nei sensori dei tasti per determinare l'intensità con cui il tasto è stato premuto.

La temperatura della carne è misurata con il termometro elettronico sulla sinistra misurando la tensione sul rilevatore di temperatura di resistenza. Ciò è effettuato fornendo una piccola corrente elettrica attraverso questo sensore. Dall'altro lato, il multimetro sulla destra determina la temperatura misurando la tensione prodotta dalla termocoppia senza fornire alcuna corrente da un alimentatore esterno.

Unità di tensione possono cambiare in un vasto ambito, dalla frazione di un microvolt quando si cercano processi biologici, di centinaia di volt in dispositivi elettronici di consumo e macchinari industriali, e decine di milioni di volt in acceleratori di particelle altamente potenti. La misurazione della tensione ci consente di monitorare e controllare alcune delle funzioni di determinati organi interni del corpo umano. Per mappare il funzionamento del cervello, ad esempio, registriamo un'elettroencefalogramma. Per comprendere come funziona il cuore registriamo un elettrocardiogramma o ecocardiogramma del muscolo cardiaco. Con l'aiuto di vari sensori industriali possiamo controllare con successo - e in modo sicuro - i diversi processi che si verificano durante la produzione chimica. Alcuni di questi processi si verificano a pressione e temperatura estrema, e per questo motivo la sicurezza è una preoccupazione importante. Misurando la tensione possiamo anche monitorare processi in centrali nucleari che si verificano durante le reazioni nucleari. Gli ingegneri mantengono anche ponti e strutture in buono stato, misurando la tensione e possono anche prevenire o ridurre gli effetti devastanti di un terremoto.

Proprio come un voltmetro, un pulsiossimetro misura la tensione del segnale amplificato da un fotodiodo. Tuttavia, rispetto al voltmetro, questo dispositivo mostra la percentuale di saturazione dell'emoglobina con l'ossigeno, 97% in questo esempio, e non la tensione come misurato in volt.

Un'idea brillante di collegare diversi valori di tensione a livelli logici di segnali che hanno portato alla creazione delle tecnologie digitali moderne. Ad esempio, nella tecnologia dell'informazione una bassa tensione rappresenta la logica bassa (0), mentre l'alta tensione rappresenta la logica alta (1).

Possiamo dire che tutti i dispositivi moderni in computer e ingegneria elettrica in qualche modo misurano la tensione e poi convertono i loro stati logici di ingresso usando algoritmi specifici, per produrre segnali di uscita nel formato richiesto.

Inoltre, misurazioni di tensione accurate sono la base per molti standard di sicurezza moderni. Seguendo questi standard come prescritto si assicura la sicurezza durante l'uso del dispositivo.

Una scheda di memoria che viene utilizzata nei personal computer contiene decine di migliaia di porte logiche.

Strumenti per la misurazione della tensione

Nel corso della storia, poiché abbiamo appreso molto el mondo che ci circonda, i nostri metodi di misurazione della tensione si sono evoluti dai metodi organolettici primitivi. Un esempio di tali metodi include il lavoro dello scienziato russo Petrov che ha asportato dell'epitelio dalle sue dita per accrescere la sua sensibilità alla corrente elettrica. Questi metodi ha permesso di sviluppare prima semplici rilevatori e indicatori di tensione, e poi moderni dispositivi con varie modalità di funzionamento che usano l'elettrodinamica e le proprietà elettriche di materiali e sostanze.

Molto tempo fa quando i voltmetri non erano ampiamente disponibili li abbiamo usati per determinare la tensione.

È interessante notare che in passato quando i moderni dispositivi di misurazione come multimetri non erano facilmente accessibili al pubblico generale, i fan dell'elettronica radio potrebbero dire che una lanterna a batteria da 4,5 volt in funzione da una che stava perdendo la sua carica. Lo hanno fatto semplicemente leccando gli elettrodi. Processi elettrochimici che si verificano quando hanno fatto ciò hanno causato una lieve sensazione di bruciore e dato alla batteria un certo gusto. Alcuni individui hanno anche tentato di determinare se o meno le batterie da 9 volt fossero buone da utilizzare, ma questo ciò ha preso un po' di coraggio, perché la sensazione era molto sgradevole.

Consideriamo un esempio di un semplice indicatore o un tester di tensione — una comune lampada ad incandescenza con tensione non inferiore alla tensione di rete. In questi giorni è inoltre possibile acquistare tester di tensione semplici che sono basati su lampade a neon e LED e correnti a basso consumo. Quando lavoriamo con l'elettricità, bisogna sempre fare attenzione, in quanto qualsiasi errore, soprattutto quando si usano dispositivi DIY può essere un pericolo mortale!

Dobbiamo notare che voltmetri, che sono dispositivi per la misurazione di tensione, possono differire considerevolmente l'uno dall'altro, la differenza più notevole è il tipo di tensione misurata. Voltmetri analogici, ad esempio, possono misurare tensione CC o tensione CA. Le proprietà della tensione misurata sono molto importanti durante il processo di misurazione. Potrebbe essere una funzione del tempo ed essere di un tipo diverso, come segnali diretti, armonici, anarmonici, a impulsi ecc.

I seguenti tipi di tensione sono i più comuni:

  • tensione istantanea,
  • tensione picco a picco,
  • tensione conosciuta anche come tensione media,
  • tensione della radice quadratica media.

La tensione istantanea Ui (nell'illustrazione) è la magnitudine della tensione in un dato momento. Possiamo monitorare la tensione in tempo sullo schermo di un oscilloscopio e determinare la tensione per un dato momento in tempo esaminando la traccia.

Il valore della tensione di ampiezza o di picco Ua è il valore più alto istantaneo della tensione per un dato periodo. L'ampiezza picco-picco Up-p è la differenza tra le ampiezze di una forma d'onda massima positiva e massima negativa.

Un valore della radice quadratica media (RMS) della tensione U è calcolato come una radice quadrata della media aritmetica dei quadrati della tensione istantanea entro un dato periodo di tempo.

Tutti i voltmetri digitali e analogici sono solitamente calibrati per leggere RMS.

Il valore medio della tensione (componente CC) è la media aritmetica di tutti i suoi valori istantanei per il periodo in cui avviene la misurazione.

La tensione media di medio periodo è calcolata come la media aritmetica dei valori istantanei assoluti per i campioni di tensione per un dato periodo di tempo.

La differenza tra il valore minimo e massimo della tensione è nota come oscillazione di segnale.

Oggigiorno la tensione è spesso misurata usando dispositivi digitali multiuso come oscilloscopi. Questo schermo può mostrare varie caratteristiche importanti del segnale, non solo la forma d'onda della tensione. Queste caratteristiche includono la frequenza di segnali periodici misurati. Vale la pena notare che il limite di frequenza è una caratteristica molto importante di qualsiasi dispositivo di misurazione di tensione.

Misurazione della tensione con un oscilloscopio

Possiamo illustrare la discussione precedente mediante numerosi esperimenti per la misurazione della tensione. Utilizzeremo un generatore di segnale di funzione, un alimentatore CC, un oscilloscopio e un dispositivo di misurazione digitale multifunzionale (multimetro).

Esperimento 1

Di seguito la configurazione dell'esperimento 1:

Il generatore di segnale è collegato al resistore con la resistenza R di 1 kiloohm. Le sonde dell'oscilloscopio e il multimetro sono collegate in parallelo al resistore. Quando conduciamo questo esperimento dobbiamo tenere in mente che la larghezza di banda dell'oscilloscopio è più alta della larghezza di banda del multimetro. Prima proveremo l'esperimento 1.

Test 1: Applichiamo un segnale sinusoidale con la frequenza di 60 Hz e un'ampiezza di 4 volt dal generatore al resistore di carico. Lo schermo dell'oscilloscopio mostrerà la traccia come nella foto seguente. Notiamo che il valore di ogni divisione verticale sullo schermo dell'oscilloscopio è di 2 V. L'oscilloscopio e il multimetro mostrano l'RMS come 1.36 V.

Test 2: Raddoppiamo l'ampiezza del segnale del generatore. L'ampiezza sull'oscilloscopio e sul multimetro raddoppierà:

Test 3: Ora aumentiamo la frequenza del generatore di 100 volte (a 6 kHz). La frequenza sull'oscilloscopio cambia, ma l'ampiezza e l'RMS restano gli stessi. Il valore RMS del multimetro non sarà corretto — ciò è causato dal limite della larghezza di banda del multimetro di soli 0—400 Hz.

Test 4: Proviamo la frequenza originale di 60 Hz e la tensione di 4 V per il generatore di segnale, ma cambiamo la forma d'onda della tensione del segnale da seno a triangolo. La scala sull'oscilloscopio resterà la stessa, ma il valore mostrato sul multimetro diminuisce rispetto al valore della tensione che è mostrato nell'esperimento 1. Ciò si è verificato in quanto l'RMS del segnale è cambiato.

Esperimento 2

Utilizzeremo per l'esperimento 2 le stesse impostazioni utilizzate per l'esperimento 1.

Ruotiamo la manopola di offset del generatore di segnale per aggiungere un offset CC da 1V al nostro segnale sinusoidale p-p da 4 V. Imposteremo la tensione sinusoidale sul generatore di segnale come 4 V con la frequenza di 60 Hz, come nell'esperimento 1. Il segnale sull'oscilloscopio sposterà fino a metà di una divisione. Il multimetro visualizzerà il valore RMS di 1,33 V, che è quasi lo stesso del test 1 dell'esperimento 1 in quanto nella modalità di misurazione CA esso ha un ingresso accoppiato CA e non può misurare il componente CC. La traccia sull'oscilloscopio accoppiato CC sarà simile a quella nel test 1 dell'esperimento 1 ma sarà spostata da una divisione. Il valore RMS misurato dall'oscilloscopio sarà superiore rispetto al test 1 dell'esperimento 1 in quanto il valore RMS della somma delle tensioni CC e CA è superiore al valore RMS per il segnale senza il componente CC:

Linee guida di sicurezza per la misurazione della tensione

A seconda delle caratteristiche di sicurezza in essere nella stanza o nell'edificio anche basse tensioni di 12 - 36 volt possono essere mortali. Quindi quando si lavora con l'elettricità in generale e quando si misurano tensioni in particolare, è fondamentale seguire queste linee guida di sicurezza.

  1. Se non si ha una formazione speciale nel lavorare con alte tensioni, non misurare tensioni superiori a 1000 V.
  2. Non misurare tensioni in posti difficili da raggiungere o in posti alti.
  3. Utilizzare sistemi di protezione speciali come guanti di gomma, tappetini e stivali quando si misura la tensione di rete.
  4. Utilizzare dispositivi di misurazione che funzionano correttamente ed evitare di romperne.
  5. Quando si lavora con dispositivi multifunzione come multimetri, assicurarsi che la funzione e l'intervallo siano impostati in modo corretto.
  6. Non utilizzare dispositivi di misurazione con sonde danneggiate.
  7. Seguire le linee guida del dispositivo di misurazione fornite dal produttore.

Riferimenti

Questo articolo è stato scritto da Sergey Akishkin.

Hai trovato delle difficoltà nel tradurre un’unità di misura in un’altra lingua? Ti possiamo aiutare! Posta la tua questione nei TCTerms e riceverai le risposte di esperti traduttori tecnici in pochi minuti.

Page 6

Długość i odległośćMass ConverterDry Volume and Common Cooking MeasurementsPole powierzchniVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperature ConverterPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergiaPower ConverterSiłaTime ConverterLinear Speed and Velocity ConverterKątWydajność zużycia paliwa, zużycie paliwa i ekonomika zużycia paliwaNumbers ConverterJednostki informacji i magazynowania danychKursy wymiany walutRozmiary ubrań i obuwia damskiegoRozmiary ubrań i obuwia męskiegoAngular Velocity and Rotational Frequency ConverterPrzyspieszeniePrzyspieszenie kątoweMasa właściwaSpecific Volume ConverterMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterEnergia właściwa, ciepło spalania (na masę)Energia właściwa, ciepło spalania (na objętość)Temperature Interval ConverterCoefficient of Thermal Expansion ConverterThermal Resistance ConverterThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterGęstość ciepła, gęstość obciążenia ogniowegoGęstość strumienia ciepłaWspółczynnik przenikania ciepłaObjętościowe natężenie przepływuMasowe natężenie przepływuMolowe natężenie przepływuMass Flux ConverterStężenie moloweStężenie masy w roztworzeDynamic (Absolute) Viscosity ConverterKinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterNatężenie oświetleniaRozdzielczość obrazów cyfrowychCzęstotliwość i długość faliOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) Converter‎‎Ładunek elektrycznyLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterPrąd elektrycznyLinear Current Density ConverterSurface Current Density ConverterNatężenie pola elektrycznegoPotencjał i napięcie elektryczneRezystancja elektrycznaRezystywność elektrycznaPrzewodność elektrycznaPrzewodność elektryczna właściwaPojemność elektrycznaIndukcyjnośćAmerican Wire Gauge ConverterConversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterTransmisja danychConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 wolt [V]

Plasma globe

Overview

Electric Potential

Voltage

Characteristics of Voltage

Measuring Voltage

Instruments for measuring voltage

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

Experiment 1

Experiment 2

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Overview

When we climb up a hill we perform work to resist the force of gravity

We live in the era of electricity and know about electrical voltage since childhood. Many of us explored our environment and had a shock quite literally, when we touched electrical outlets in secret, while our parents were not watching us. Well, since you are reading this article, nothing bad happened to you even if you explored electricity in childhood. It is nearly impossible to live in the era of electricity and not to have been intimately acquainted with it. As for the electric potential, it is a somewhat more complicated matter.

Since it is a mathematical abstraction, the easiest way to understand electric potential is to think of it as an analogy to gravity. The formulas for both are similar. The difference is in the negative values. We can have negative electric potential due to having both negative and positive charges that either attract or repel each other. Gravitational forces, on the other hand, can only cause attraction between two objects. We have not fully understood negative mass. Once we do master it, it would allow us to understand anti-gravity.

Yet, as soon as we push off...

The concept of electrical potential plays an important role in describing phenomena related to electricity. We can define the notion of electric potential as one that describes interactions of electrically charged particles or groups of charged particles, which have either same or opposite charges.

We know from our school physics lessons and from out everyday experiences that when we climb up a hill we overcome the force of gravity and perform work to do so. The forces of gravity, which we have to overcome, act in the potential gravitational field of the Earth. When the Earth interacts with us, it attempts to decrease our gravitational potential, because we have a certain mass. As part of this interaction, the Earth pulls us downward, and we let it, enjoying our ride down a mountain slope on skis or on a snowboard. Similarly, an electric potential field that acts upon charged particles aims to bring the particles with the opposite charge together and to push particles with the similar charge apart.

We can conclude from the above that an electrically charged body tries to reduce its electric potential. To do so it attempts to get as close as possible to the high-capacity source of an electrical field with the opposite charge, as long as other forces are not preventing it from doing so. If the electric charge of the objects is the same, each of the electrically charged objects attempts to decrease its electric potential by moving as far as possible away from the similarly charged source of a powerful electrical field. Again, this is only the case if no other forces are preventing this from occurring. If there are forces that act to prevent this, the electric potential does not change. In the analogy with gravity, when you are standing at the top of the mountain, the force of gravity is compensated by the reaction force of the ground and nothing pulls you down and off this mountain. It is only your weight that pushes the skis. However as soon as you push off… off you go down the hill!

Similarly, an electric field created by a charged particle or a group of particles acts upon other charged particles. It creates an electric potential to move these charged particles towards each other or away from each other, depending on whether the charge between these two interacting particles or objects is similar or opposite.

Sisyphus by Titian, Prado Museum, Madrid, Spain

Electric Potential

When a charged particle is introduced into an electric field, it has a certain amount of energy that can be used to perform work. Electric potential is a term that describes this energy stored in each point of an electric field. The electric potential of an electric field in a given point equals the work that the forces of this field can perform when a unit of positive charge is moved outside the field.

Looking again at the analogy with the gravitational field we can conclude that the notion of electric potential is similar to the phenomenon of the level of different points on the surface of the Earth. As we discuss below, depending on how high you lift a body from the ground level the amount of work changes, and similarly depending on how far you separate two charges the amount of work to perform this separation also changes.

Let us imagine Sisyphus, one of the heroes of the myths of Ancient Greece. He was doomed by the gods to do meaningless work in the afterlife, rolling an enormous stone to the top of a mountain as punishment for the sins he committed during his life. To bring the stone half way up the mountain he would perform half of the work that he needs to perform to bring the stone all the way to the top. Once he brought the stone all the way, the gods pushed it off the mountain. To reach the bottom the stone itself also performed some work. A stone lifted up a mountain of height H can perform a greater amount of work than a stone lifted only half way, to height Н/2. We usually count the height from sea level, which is considered to be the height of zero.

Using this analogy we can say that the electric potential of the surface of the Earth is a null potential, that is

ϕEarth = 0

where ϕEarth is the electric potential, a scalar variable. Here ϕ is a letter in the Greek alphabet pronounced as “phi”.

This value quantifies the ability of an electric field to perform work (W) to move a charge (q) from one given point to another point:

ϕ = W/q

In SI electric potential is measured in volts (V).

The visitors to the Canada Science and Technology Museum can generate the electric energy for it by spinning a large human hamster wheel. This wheel turns the generator that powers this Tesla coil (right). The coil generates high voltage of tens of thousands volt. It is enough to cause a bolt of electricity to fire.

Voltage

Electric voltage (V) can be defined as a difference of electric potentials, as in the formula:

V = ϕ1 – ϕ2

The notion of voltage was introduced by Georg Ohm, a German physicist. In his paper published in 1827 he proposed to use the hydrodynamic model for electric current for explaining the empirical Ohm’s law discovered by him in 1826. This law can be written by using this formula:

A Tesla coil in the Canada Science and Technology Museum.

V = I·R,

where V is the difference of potentials, I is the electrical current, and R is the resistance.

An alternative definition of electric voltage describes it as a ratio of the work that an electric field performs in order to move an electric charge to the magnitude of this charge.

This definition can be expressed using this formula:

V = A / q

Similarly to the electric potential, voltage is also measured in volts (V) and decimal multiples and fractions — units derived from volt, such as microvolts (one millionth of a volt, μV), millivolts (one thousandth of a volt, mV), kilovolts (one thousand volts, kV), and megavolts (one million volts, MV).

Voltage of one volt is equivalent to the voltage of an electric field that performs work of one joule to move a charge of 1 coulomb. We can define a volt by using other SI units as follows:

V = kg•m²/(A•s³)

Voltage can be generated by different sources such as biological systems and entities, electronic and mechanical devices, and even by various processes in the atmosphere.

The lateral line of a shark

An elementary unit for any biological system is a cell, which can be viewed as a small electrochemical generator. Some organs of living organisms such as the heart that are formed by many cells produce a higher voltage. It is interesting to note that different species of sharks, which are the perfect predators of the oceans and seas, have very sensitive sensors for voltage. These sensors are known as the lateral line, and they allow the sharks to detect their prey by its heartbeat. This mechanism is very reliable. While talking about voltage in the animal world, we should also mention electric rays and eels, who have developed a method to attack their prey and to fight off their predators by generating a voltage over 1000 V during the process of evolution.

People have been able to generate electricity and create the difference of potentials by rubbing a piece of amber with wool or fur for a long time, but a galvanic cell is considered to be the first device to generate electricity. It was created by the Italian scientist and physician Luigi Galvani, who discovered that the difference of potentials occurs when different metals and electrolytes come in contact with each other. Another Italian physicist, Alessandro Volta, continued and further developed this research. Volta was the first person in the world to submerge sheets of zinc and copper into acid, in order to generate direct electric current. Thus he created the first chemical source of electric current. He connected several of these sources in series to create the first chemical battery. It became known as a voltaic pile, and gave people an opportunity to generate electricity using chemical reactions.

Voltaic pile — a replica made in 1999 by Gelside Guatterini, an electrician at the Volta Museum in Como, Italy. Canada Science and Technology Museum

The unit for measuring voltage, a volt, as well as the term “voltage” itself are called so to commemorate the contributions of Volta in research of electrochemical and electrical phenomena. Thanks to him we now have reliable electrochemical sources of energy.

While talking about researchers who worked on creating devices to generate electricity, we should not forget the Dutch physicist Van de Graaff. He created a high voltage generator known now as the Van de Graaff generator. When generating electricity it uses the same principle of the division of charges that we facilitate when rubbing amber with wool or fur.

We can say that two outstanding American scientists Thomas Edison and Nikola Tesla were the fathers of modern electric generators. Tesla worked for Edison’s company, but the two researchers disagreed in their views on how to generate electrical energy and went separate ways. A patent war followed and the humanity benefited from it, thanks to the work of these two scientists. Edison’s reversible machines can be used as direct current generators and motors. There are billions of devices made today that use the mechanism employed in these reversible machines. We can find them under the hood of our car, in a power window regulator, or in a blender, among other devices. On the other hand, it was Tesla, who discovered ways to generate alternating current and the principle of transforming it. These discoveries are used by devices such as electric transformers, power lines that transport electricity over long distances, and others. There are multitudes of these devices as well, and they include many consumer electronics frequently used by us in daily life, such as fans, refrigerators, air conditioners, vacuum cleaners, and many other devices that we cannot describe here due to the scope of this article.

This direct current motor-generator set made by Westinghouse in 1904 was used to provide consistent power to generate a magnetic field in an exciter in Niagara Falls (New York) hydro-electric power plant built by Nikola Tesla and George Westinghouse.

Eventually scientists discovered other electric generators that use different principles, including those that employ the energy of nuclear fission. Some of these other generators are meant to serve as energy sources during long trips to the outer space.

If we do not consider some of the generators created for scientific research, we can say that the most powerful sources of electric energy on Earth are still the atmospheric processes.

More than 2000 lightning flashes occur every second close to the surface of the Earth. This means tens of thousands generators of Van de Graaf in nature generate currents of tens of kiloamperes simultaneously in the form of lightning. Yet, we cannot even start to compare the man-made generators on Earth with the electric storms that occur on the sister planet of Earth, Venus, and we will not even try to compare those to the storms on larger planets like Jupiter and Saturn.

Voltage can be characterized by its magnitude and its waveform. Depending on its behaviour through time we can define DC voltage that does not change with time, aperiodic voltage that changes with time, and AC voltage that changes with time following a specific law, and generally repeating at given intervals of time. Sometimes to achieve a given goal one may need both direct and alternating voltage. In this case we talk about alternating voltage with a DC component.

This voltmeter was used to measure voltage in the beginning of the twentieth century. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

DC generators also known as dynamos or dynamo electric machines are used in electrical engineering to provide high power with relatively stable voltage. Precision electronic devices are used to provide electrical power and maintain constant voltage levels. They operate using electrical components and are also known as voltage regulators.

Measuring Voltage

Many branches of science and technology including fundamental physics and chemistry, applied electrical engineering and electrochemistry, as well as medicine widely use measurements of the voltage. It is hard to think of a discipline that does not employ the measurement of voltage to control various processes. These measurements are done by different types of sensors, which are in fact converters of measurements of various properties into voltage. Some exceptions to this are, or rather were, perhaps, some creative areas of human activity, such as architecture, music, or fine art. These days even musicians and artists use electronic devices that rely on voltage. For example, artists and designers may use electronic tablets with stylus pens. Voltage is measured in these tablets when the stylus is moved above the surface of the tablet. It is then converted into digital signals and sent to the computer for processing. Architects also use tablets as well as software like ArchiCAD on computers. Musicians and composers often work with electronic musical instruments. Voltage is measured in the sensors of the keys to determine the intensity with which the key was pressed.

The temperature of the meat is measured in the electronic thermometer on the left by measuring the voltage on the resistance temperature detector. This is done by supplying a small electric current through this sensor. On the other hand, the multimeter on the right determines the temperature by means of measuring the voltage produced by the thermocouple without supplying any current from an external power supply.

Units of voltage can change within a vast scope, from fraction of a microvolt when researching the biological processes, to hundreds of volts in consumer electronics and industrial machinery, and to tens of millions of volts in highly powerful particle accelerators. Measuring voltage allows us to monitor and control some of the functioning of certain internal organs of humans. To map the functioning of the brain, for example, we record an electroencephalogram. To understand how the heart works we record an electrocardiogram or echocardiogram of the heart muscle. With the help of various industrial sensors we can successfully and more importantly — safely — control different processes that occur during chemical production. Some of these processes occur at extreme pressure and temperatures, and because of this safety is a major concern. By measuring voltage we can even monitor processes at nuclear power plants that occur during nuclear reactions. Engineers also maintain bridges and structures in good repair by measuring voltage, and can even prevent or lessen the devastating effects of an earthquake.

Just like a voltmeter, a pulse oximeter measures the voltage of the amplified signal from a photodiode. However, compared to the voltmeter, this device displays the percentage of the saturation of the hemoglobin with oxygen, 97% in this example, and not the voltage as measured in volts.

A brilliant idea to link different values of voltage to the logic levels of signals gave rise to the creation of modern digital technologies. For example, in information technology a low voltage represents the logic low (0), while high voltage represents the logic high (1).

We could say that all modern devices in computer and electric engineering in some way measure voltage, and then convert their input logic states using specific algorithms, to produce output signals in the format required.

Besides, accurate voltage measurements are the basis for many of the modern safety standards. Following these standards as prescribed ensures safety during the use of the device.

A memory card that is used in personal computers contains tens of thousands of logic gates.

Instruments for measuring voltage

Throughout history, as we learned more about the world around us, our methods of measuring voltage evolved from the primitive organoleptic methods. An example of such methods includes the work of the Russian scientist Petrov who cut away some of the epithelium on his fingers to increase his sensitivity to electric current. These methods evolved to simple detectors and indicators of voltage, and then to modern devices with various modes of operation that use the electrodynamic and electric properties of materials and substances.

Taste of electricity: a long time ago when voltmeters were not as widely available and inexpensive, we used to determine voltage by taste

It is interesting to note that in the past when the modern measuring devices such as multimeters were not easily accessible to the general public, radio electronics enthusiasts could tell a working 4.5 volt lantern battery from one that was losing its charge. They did that by simply licking the electrodes. Electrochemical processes that happened when they did that caused a slight feeling of burning and gave the battery a certain taste. Some individuals even attempted to determine whether or not 9 volt batteries were good to use, but this took quite a bit of courage because the sensation was very unpleasant.

Let us consider an example of a simple indicator or a voltage tester — an ordinary incandescent lamp with voltage not lower than the mains voltage. These days you can also buy simple voltage testers that are based on neon lamps and LEDs and consume low currents. When working with electricity, you always have to exercise care, because any mistakes, especially when using DIY devices can be life-threatening!

We should note that voltmeters, which are devices for measuring voltage, can differ from each other considerably, the most notable difference being in the type of voltage measured. Analog voltmeters, for example, can measure either DC voltage or AC voltage. The properties of the voltage measured is very important during the measuring process. It could be a function of time and be of a different type, such as being direct, harmonic, aharmonic, pulse signals, and so on.

The following types of voltage are most common:

  • instantaneous voltage,
  • peak-to-peak voltage,
  • average voltage also known as mean voltage,
  • root mean square voltage.

The instantaneous voltage Ui (in the illustration) is the magnitude of voltage at a given moment in time. We can monitor voltage in time on the screen of an oscilloscope and determine the voltage for a given moment in time by examining the trace.

The peak or amplitude voltage value Ua is the highest instantaneous value of voltage for a given period. The peak-to-peak amplitude Up-p is the difference between the maximum positive and the maximum negative amplitudes of a waveform.

A root mean square (RMS) value of voltage U is calculated as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous voltages within a given period of time.

All digital and analog voltmeters are usually calibrated to read RMS.

The average value of voltage (the DC component) is the arithmetic mean of all of its instantaneous values for the period during which measurement occurs.

Half-period average voltage is calculated as the arithmetic mean of the absolute instantaneous values for the voltage samples for the given time period.

The difference between the maximum and the minimum values of voltage is known as the signal swing.

These days voltage is often measured by using multipurpose digital devices like oscilloscopes. Their screen can show various important characteristics of the signal, not only the voltage waveform. These characteristics include frequency of periodic signals being measured. It is worth noting that the frequency limit is a very important characteristic of any voltage measurement device.

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

We can illustrate the discussion above by several experiments for measuring voltage. We will use a function signal generator, a DC power supply, an oscilloscope, and a multifunctional digital measuring device (multimeter).

Experiment 1

Below is the setup of experiment 1:

The signal generator is connected to the resistor with resistance R of 1 kiloohm. Probes of the oscilloscope and the multimeter are connected in parallel to the resistor. As we conduct this experiment we should keep in mind that the bandwidth of the scope is much higher than the bandwidth of the multimeter. First we will try experiment one.

Test 1: Let us apply a sinusoidal signal with the frequency of 60 Hz and amplitude of 4 volt from the generator to the load resistor. The oscilloscope screen will display the trace as in the photo below. We should note that the value of each vertical division on the oscilloscope screen is 2 V. Both the oscilloscope and the multimeter will show the RMS as 1.36 V.

Test 2: Let us double the amplitude of the signal of the generator. The amplitude on the oscilloscope and on the multimeter will double:

Test 3: Now let us increase the frequency of the generator by 100 times (to 6 kHz). The frequency on the oscilloscope will change but the amplitude and RMS will stay the same. The RMS value that the multimeter will be incorrect — this is caused by the multimeter bandwidth limit of only 0—400 Hz.

Test 4: Let us try the original frequency of 60 Hz and voltage of 4 V for the signal generator, but change the voltage waveform of the signal from sine to triangle. The scale on the oscilloscope will stay the same, but the value shown on the multimeter will decrease compared to the value for voltage that it showed in test 1. This happened because the RMS of the signal changed.

Experiment 2

We will use the same setup for experiment 2 as we used for experiment 1.

Let us turn the offset knob of the signal generator to add a 1 V DC offset to our 4 Vp-p sine signal. We will set the sine voltage on the signal generator as 4 V with the frequency of 60 Hz, just like in experiment 1. The signal on the oscilloscope will be shifted up by half of a division. The multimeter will display the RMS value of 1.33 V, which is almost the same as in test 1 of experiment 1 because in the AC measurement mode it has an AC-coupled input and cannot measure the DC component. The trace on the DC-coupled oscilloscope will be similar to the one in test 1 of experiment 1, but will be shifted up by one division. The RMS value measured by the scope will be higher than in test 1 of experiment 1 because the RMS value of the sum of the DC and AC voltages is higher than the RMS value for the signal without the DC component:

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Depending on the safety features in place in the room or in the building even low voltages of 12 — 36 volts may be deadly. Therefore when working with electricity in general and when measuring voltage in particular it is paramount to follow these safety guidelines:

  1. If you do not have special training in working with high voltages, do not measure voltage that is higher than 1000 V.
  2. Do not measure voltage in difficult to reach or high places.
  3. Use special protective equipment such rubber gloves, rugs, and boots when measuring mains voltage.
  4. Use measuring devices that work correctly and avoid broken ones.
  5. When working with multifunctional devices such as multimeters, make sure that the function and range are set correctly.
  6. Do not use measuring devices with damaged probes.
  7. Follow the manufacturer’s guidelines for the measuring device.

References

Artykuł został napisany przez Sergey Akishkin.

Do you have difficulty translating a measurement unit into another language? Help is available! Post your question in TCTerms and you will get an answer from experienced technical translators in minutes.

Page 7

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисленияКонвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 киловольт [кВ] = 1000 вольт [В]

Плазменная лампа

Общие сведения

Электрический потенциал

Напряжение

Характеристики напряжения

Измерение напряжения

Средства измерения напряжения

Измерение напряжения осциллографом

Эксперимент №1

Эксперимент №2

Техника безопасности при измерении напряжения

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения: ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятием электрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Посетители Канадского музея науки и техники вращают большое беличье колесо, которое вращает генератор, питающий трансформатор Тесла (на рисунке справа), который, в свою очередь, создает высокое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, достаточное для пробоя воздуха

Напряжение

Одно из определений электрического напряжения описывает его как разность электрических потенциалов, что определяется формулой:

V = ϕ1 – ϕ2

Понятие напряжение ввёл немецкий физик Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 г. эмпирического закона Ома:

Трансформатор Тесла в Канадском музее науки и техники

V = I·R,

где V — это разность потенциалов, I — электрический ток, а R — сопротивление.

Другое определение электрического напряжения представляется как отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда.

Для этого определения математическое выражение для напряжения описывается формулой:

V = A / q

Напряжение, как и электрический потенциал, измеряется в вольтах (В) и его десятичных кратных и дольных единицах — микровольтах (миллионная доля вольта, мкВ), милливольтах (тысячная доля вольта, мВ), киловольтах (тысячах вольт, кВ) и мегавольтах (миллионах вольт, МВ).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл. Размерность напряжения в системе СИ определяется как

В = кг•м²/(А•с³)

Напряжение может создаваться различными источниками: биологическими объектами, техническими устройствами и даже процессами, происходящими в атмосфере.

Боковая линия акулы

Элементарной ячейкой любого биологического объекта является клетка, которая с точки зрения электричества представляет собой электрохимический генератор малого напряжения. Некоторые органы живых существ, вроде сердца, являющихся совокупностью клеток, вырабатывают более высокое напряжение. Любопытно, что самые совершенные хищники наших морей и океанов — акулы различных видов — обладают сверхчувствительным датчиком напряжения, называемым органом боковой линии, и позволяющим им безошибочно обнаруживать свою добычу по биению сердца. Отдельно, пожалуй, стоит упомянуть об электрических скатах и угрях, выработавших в процессе эволюции для поражения добычи и отражения нападения на себя способность создавать напряжение свыше 1000 В!

Хотя люди генерировали электричество, и, тем самым, создавали разность потенциалов (напряжение) трением кусочка янтаря о шерсть с давних времён, исторически первым техническим генератором напряжения явился гальванический элемент. Он был изобретён итальянским учёным и врачом Луиджи Гальвани, который обнаружил явление возникновения разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита. Дальнейшим развитием этой идеи занимался другой итальянский физик Алессандро Вольта. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Соединив несколько таких источников последовательно, он создал химическую батарею, так называемый «Вольтов столб», благодаря которой стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Вольтов столб — копия, сделанная электриком из Музея Алессандро Вольта в Комо, Италия. Канадский музей науки и техники в Оттаве

Из-за заслуг в создания надёжных электрохимических источников напряжения, сослуживший немалую роль в деле дальнейших исследования электрофизических и электрохимических явлений, именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Среди создателей генераторов напряжения необходимо отметить голландского физика Ван дер Граафа, создавшего генератор высокого напряжения, в основе которого лежит древняя идея разделения зарядов с помощью трения — вспомним янтарь!

Отцами современных генераторов напряжения были два замечательных американских изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла. Последний был сотрудником в фирме Эдисона, но два гения электротехники разошлись во взглядах на способы генерации электрической энергии. В результате последующей патентной войны выиграло всё человечество — обратимые машины Эдисона нашли свою нишу в виде генераторов и двигателей постоянного тока, исчисляющихся миллиардами устройств — достаточно просто заглянуть под капот своего автомобиля или просто нажать кнопку стеклоподъёмника или включить блендер; а способы создания переменного напряжения в виде генераторов переменного тока, устройств для его преобразования в виде трансформаторов напряжения и линий передач на большие расстояния и бесчисленных устройств для его применения по праву принадлежат Тесле. Их число ничуть не уступает числу устройств Эдисона — на принципах Тесла работают вентиляторы, холодильники, кондиционеры и пылесосы, и масса других полезных устройств, описание которых выходит за рамки настоящей статьи.

Этот находящийся в Канадском музее науки и техники в Оттаве мотор-генератор, изготовленный компанией Westinghouse в 1904 г., использовался в качестве надежного источника питания для создания магнитного поля возбудителя на гидроэлектростанции в Ниагара-Фоллс, шт. Нью-Йорк. Строительством электростанции руководили Никола Тесла и Джордж Вестингауз

Безусловно, учёными позднее были созданы и другие генераторы напряжения на других принципах, в том числе и на использовании энергии ядерного распада. Они призваны служить источником электрической энергии для космических посланцев человечества в дальний космос.

Но самым мощным источником электрического напряжения на Земле, не считая отдельных научных установок, до сих пор остаются естественные атмосферные процессы.

Ежесекундно на Земле грохочут свыше 2 тысяч гроз, то есть, одновременно работают десятки тысяч естественных генераторов Ван дер Граафа, создавая напряжения в сотни киловольт, разряжаясь током в десятки килоампер в виде молний. Но, как ни удивительно, мощь земных генераторов не идёт ни в какое сравнение с мощью электрических бурь, происходящих на сестре Земли — Венере — не говоря уже об огромных планетах вроде Юпитера и Сатурна.

Напряжение характеризуется своей величиной и формой. Относительно его поведения с течением времени различают постоянное напряжение (не изменяющееся с течением времени), апериодическое напряжение (изменяющееся с течением времени) и переменное напряжение (изменяющееся с течением времени по определённому закону и, как правило, повторяющее само себя через определённый промежуток времени). Иногда для решения определённых целей требуется одновременное наличие постоянного и переменного напряжений. В таком случае говорят о напряжении переменного тока с постоянной составляющей.

Таким вольтметром измеряли напряжение в начале XX века. Канадский музей науки и техники в Оттаве

В электротехнике генераторы постоянного тока (динамо-машины) используются для создания относительно стабильного напряжения большой мощности, в электронике применяются прецизионные источники постоянного напряжения на электронных компонентах, которые называются стабилизаторами.

Измерение напряжения

Измерение величины напряжения играет большую роль в фундаментальных физике и химии, прикладных электротехнике и электрохимии, электронике и медицине и во многих других отраслях науки и техники. Пожалуй, трудно найти отрасли человеческой деятельности, исключая творческие направления вроде архитектуры, музыки или живописи, где с помощью измерения напряжения не осуществлялся бы контроль над происходящими процессами с помощью разного рода датчиков, являющимися по сути дела преобразователями физических величин в напряжение. Хотя стоит заметить, что в наше время и эти виды человеческой деятельности не обходятся без электричества вообще и без напряжения в частности. Художники используют планшеты, в которых измеряется напряжение емкостных датчиков, когда над ними перемещается перо. Композиторы играют на электронных инструментах, в которых измеряется напряжение на датчиках клавиш и в зависимости от него определяется насколько сильно нажата та или иная клавиша. Архитекторы используют AutoCAD и планшеты, в которых тоже измеряется напряжение, которые преобразуется в числовую форму и обрабатывается компьютером.

В кухонном термометре (слева) температура мяса определяется с помощью измерения напряжения на резистивном датчике температуры, через который пропускают небольшой ток. В мультиметре (справа) температура определяется путем измерения напряжения непосредственно на термопаре

Измеряемые величины напряжения могут меняться в широких пределах: от долей микровольта при исследованиях биологических процессов, до сотен вольт в бытовых и промышленных устройствах и приборах и до десятков миллионов вольт в сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Измерение напряжения позволяет нам контролировать состояние отдельных органов человеческого организма при помощи снятия энцефалограмм мозговой деятельности. Электрокардиограммы и эхокардиограммы дают информацию о состоянии сердечной мышцы. При помощи различных промышленных датчиков мы успешно, а, главное, безопасно, контролируем процессы химических производств, порой происходящие при запредельных давлениях и температурах. И даже ядерные процессы атомных станций поддаются контролю с помощью измерения напряжений. С помощью измерения напряжения инженеры контролируют состояние мостов, зданий и сооружений и даже противостоят такой грозной природной силе как землетрясения.

Пульсоксиметр, как и вольтметр, измеряет напряжение на выходе устройства, усиливающего сигнал с фотодиода или фототранзистора. Однако, в отличие от вольтметра, здесь на дисплее мы видим не значение напряжения в вольтах, а процент насыщения гемоглобина кислородом (97%).

Блестящая идея связать различные значения уровней напряжения со значениями состояния единиц информации дало толчок к созданию современных цифровых устройств и технологий. В вычислительной технике низкий уровень напряжения трактуется как логический нуль (0), а высокий уровень напряжения — как логическая единица (1).

По сути дела, все современные устройства вычислительной техники являются в той или иной степени компараторами (измерителями) напряжения, преобразовывая свои входные состояния по определённым алгоритмам в выходные сигналы.

Помимо всего прочего, точные измерения напряжения лежат в основе многих современных стандартов, выполнение которых гарантирует их абсолютное соблюдение и, тем самым, безопасность применения.

Плата памяти, используемая в персональных компьютера, содержит десятки тысяч логических вентилей

Средства измерения напряжения

В ходе изучения и познания окружающего мира, способы и средства измерения напряжения значительно эволюционировали от примитивных органолептических методов — русский учёный Петров срезал часть эпителия на пальцах, чтобы повысить чувствительность к действию электрического тока — до простейших индикаторов напряжения и современных приборов разнообразных конструкций на основе электродинамических и электрических свойств различных веществ.

Вкус электричества. Когда-то, очень давно, если не было вольтметра, мы определяли напряжение языком!

К слову сказать, начинающие радиолюбители легко отличали «рабочую» плоскую батарейку на 4,5 В от «подсевшей» без каких-либо приборов по причине их полного отсутствия, просто лизнув её электроды. Протекавшие при этом электрохимические процессы давали ощущение определённого вкуса и лёгкого жжения. Отдельные выдающиеся личности брались определять таким способом пригодность батареек даже на 9 В, что требовало немалой выдержки и мужества!

Примером простейшего индикатора — пробника сетевого напряжения — может служить обыкновенная лампа накаливания с рабочим напряжением не ниже напряжения сети. В продаже имеются простые пробники напряжения на неоновых лампах и светодиодах, потребляющие малые токи. Осторожно, использование самодельных конструкций может быть опасным для Вашей жизни!

Необходимо отметить, что приборы для измерения напряжения (вольтметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу измеряемого напряжения — это могут быть приборы постоянного или переменного тока. Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого напряжения — оно может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ электротехнических цепей и устройств (слаботочные и силовые).

Различают следующие значения напряжения:

  • мгновенное,
  • амплитудное,
  • среднее,
  • среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение напряжения Ui (см. рисунок) — это значение напряжения в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение напряжения Ua — это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Размах напряжения Up-p — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями напряжения за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение напряжения Urms определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений напряжения.

Все стрелочные и цифровые вольтметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период.

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения напряжения используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение напряжения осциллографом

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению напряжений с использованием генератора сигналов, источника постоянного напряжения, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Эксперимент №1

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов нагружен на сопротивление нагрузки R1 в 1 кОм, параллельно сопротивлению подключены измерительные концы осциллографа и мультиметра. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1: Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 герц и амплитудой 4 вольт. На экране осциллографа будем наблюдать изображение, показанное ниже. Отметим, что цена деления масштабной сетки экрана осциллографа по вертикальной оси 2 В. Мультиметр и осциллограф при этом покажут среднеквадратичное значение напряжение 1,36 В.

Опыт 2: Увеличим сигнал от генератора вдвое, размах изображения на осциллографе возрастёт ровно вдвое и мультиметр покажет удвоенное значение напряжения:

Опыт 3: Увеличим частоту генератора в 100 раз (6 кГц), при этом частота сигнала на осциллографе изменится, но размах и среднеквадратичное значение останутся прежними, а показания мультиметра станут неправильными — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра 0—400 Гц:

Опыт 4: Вернёмся к исходной частоте 60 Гц и напряжению генератора сигналов 4 В, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением напряжения, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее напряжение сигнала:

Эксперимент №2

Схема эксперимента №2, аналогична схеме эксперимента 1.

Ручкой изменения напряжения смещения на генераторе сигналов добавим смещение 1 В. На генераторе сигналов установим синусоидальное напряжение с размахом 4 В с частотой 60 Гц — как и в эксперименте №1. Сигнал на осциллографе поднимется на половину большого деления, а мультиметр покажет среднеквадратичное значение 1,33 В. Осциллограф покажет изображение, подобное изображению из опыта 1 эксперимента №1, но поднятое половину большого деления. Мультиметр покажет почти такое же напряжение, как было в опыте 1 эксперимента №1, так как у него закрытый вход, а осциллограф с открытым входом покажет увеличенное действующее значение суммы постоянного и переменного напряжений, которое больше действующего значения напряжения без постоянной составляющей:

Техника безопасности при измерении напряжения

Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:

  1. Не проводить измерения напряжения, требующих определённых профессиональных навыков (свыше 1000 В).
  2. Не производить измерения напряжений в труднодоступных местах или на высоте.
  3. При измерении напряжений в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
  4. Пользоваться исправным измерительным инструментом.
  5. В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
  6. Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
  7. Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Литература

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Page 8

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисленияКонвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 киловольт [кВ] = 1000 вольт [В]

Плазменная лампа

Общие сведения

Электрический потенциал

Напряжение

Характеристики напряжения

Измерение напряжения

Средства измерения напряжения

Измерение напряжения осциллографом

Эксперимент №1

Эксперимент №2

Техника безопасности при измерении напряжения

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения: ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятием электрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Посетители Канадского музея науки и техники вращают большое беличье колесо, которое вращает генератор, питающий трансформатор Тесла (на рисунке справа), который, в свою очередь, создает высокое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, достаточное для пробоя воздуха

Напряжение

Одно из определений электрического напряжения описывает его как разность электрических потенциалов, что определяется формулой:

V = ϕ1 – ϕ2

Понятие напряжение ввёл немецкий физик Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 г. эмпирического закона Ома:

Трансформатор Тесла в Канадском музее науки и техники

V = I·R,

где V — это разность потенциалов, I — электрический ток, а R — сопротивление.

Другое определение электрического напряжения представляется как отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда.

Для этого определения математическое выражение для напряжения описывается формулой:

V = A / q

Напряжение, как и электрический потенциал, измеряется в вольтах (В) и его десятичных кратных и дольных единицах — микровольтах (миллионная доля вольта, мкВ), милливольтах (тысячная доля вольта, мВ), киловольтах (тысячах вольт, кВ) и мегавольтах (миллионах вольт, МВ).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл. Размерность напряжения в системе СИ определяется как

В = кг•м²/(А•с³)

Напряжение может создаваться различными источниками: биологическими объектами, техническими устройствами и даже процессами, происходящими в атмосфере.

Боковая линия акулы

Элементарной ячейкой любого биологического объекта является клетка, которая с точки зрения электричества представляет собой электрохимический генератор малого напряжения. Некоторые органы живых существ, вроде сердца, являющихся совокупностью клеток, вырабатывают более высокое напряжение. Любопытно, что самые совершенные хищники наших морей и океанов — акулы различных видов — обладают сверхчувствительным датчиком напряжения, называемым органом боковой линии, и позволяющим им безошибочно обнаруживать свою добычу по биению сердца. Отдельно, пожалуй, стоит упомянуть об электрических скатах и угрях, выработавших в процессе эволюции для поражения добычи и отражения нападения на себя способность создавать напряжение свыше 1000 В!

Хотя люди генерировали электричество, и, тем самым, создавали разность потенциалов (напряжение) трением кусочка янтаря о шерсть с давних времён, исторически первым техническим генератором напряжения явился гальванический элемент. Он был изобретён итальянским учёным и врачом Луиджи Гальвани, который обнаружил явление возникновения разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита. Дальнейшим развитием этой идеи занимался другой итальянский физик Алессандро Вольта. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Соединив несколько таких источников последовательно, он создал химическую батарею, так называемый «Вольтов столб», благодаря которой стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Вольтов столб — копия, сделанная электриком из Музея Алессандро Вольта в Комо, Италия. Канадский музей науки и техники в Оттаве

Из-за заслуг в создания надёжных электрохимических источников напряжения, сослуживший немалую роль в деле дальнейших исследования электрофизических и электрохимических явлений, именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Среди создателей генераторов напряжения необходимо отметить голландского физика Ван дер Граафа, создавшего генератор высокого напряжения, в основе которого лежит древняя идея разделения зарядов с помощью трения — вспомним янтарь!

Отцами современных генераторов напряжения были два замечательных американских изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла. Последний был сотрудником в фирме Эдисона, но два гения электротехники разошлись во взглядах на способы генерации электрической энергии. В результате последующей патентной войны выиграло всё человечество — обратимые машины Эдисона нашли свою нишу в виде генераторов и двигателей постоянного тока, исчисляющихся миллиардами устройств — достаточно просто заглянуть под капот своего автомобиля или просто нажать кнопку стеклоподъёмника или включить блендер; а способы создания переменного напряжения в виде генераторов переменного тока, устройств для его преобразования в виде трансформаторов напряжения и линий передач на большие расстояния и бесчисленных устройств для его применения по праву принадлежат Тесле. Их число ничуть не уступает числу устройств Эдисона — на принципах Тесла работают вентиляторы, холодильники, кондиционеры и пылесосы, и масса других полезных устройств, описание которых выходит за рамки настоящей статьи.

Этот находящийся в Канадском музее науки и техники в Оттаве мотор-генератор, изготовленный компанией Westinghouse в 1904 г., использовался в качестве надежного источника питания для создания магнитного поля возбудителя на гидроэлектростанции в Ниагара-Фоллс, шт. Нью-Йорк. Строительством электростанции руководили Никола Тесла и Джордж Вестингауз

Безусловно, учёными позднее были созданы и другие генераторы напряжения на других принципах, в том числе и на использовании энергии ядерного распада. Они призваны служить источником электрической энергии для космических посланцев человечества в дальний космос.

Но самым мощным источником электрического напряжения на Земле, не считая отдельных научных установок, до сих пор остаются естественные атмосферные процессы.

Ежесекундно на Земле грохочут свыше 2 тысяч гроз, то есть, одновременно работают десятки тысяч естественных генераторов Ван дер Граафа, создавая напряжения в сотни киловольт, разряжаясь током в десятки килоампер в виде молний. Но, как ни удивительно, мощь земных генераторов не идёт ни в какое сравнение с мощью электрических бурь, происходящих на сестре Земли — Венере — не говоря уже об огромных планетах вроде Юпитера и Сатурна.

Напряжение характеризуется своей величиной и формой. Относительно его поведения с течением времени различают постоянное напряжение (не изменяющееся с течением времени), апериодическое напряжение (изменяющееся с течением времени) и переменное напряжение (изменяющееся с течением времени по определённому закону и, как правило, повторяющее само себя через определённый промежуток времени). Иногда для решения определённых целей требуется одновременное наличие постоянного и переменного напряжений. В таком случае говорят о напряжении переменного тока с постоянной составляющей.

Таким вольтметром измеряли напряжение в начале XX века. Канадский музей науки и техники в Оттаве

В электротехнике генераторы постоянного тока (динамо-машины) используются для создания относительно стабильного напряжения большой мощности, в электронике применяются прецизионные источники постоянного напряжения на электронных компонентах, которые называются стабилизаторами.

Измерение напряжения

Измерение величины напряжения играет большую роль в фундаментальных физике и химии, прикладных электротехнике и электрохимии, электронике и медицине и во многих других отраслях науки и техники. Пожалуй, трудно найти отрасли человеческой деятельности, исключая творческие направления вроде архитектуры, музыки или живописи, где с помощью измерения напряжения не осуществлялся бы контроль над происходящими процессами с помощью разного рода датчиков, являющимися по сути дела преобразователями физических величин в напряжение. Хотя стоит заметить, что в наше время и эти виды человеческой деятельности не обходятся без электричества вообще и без напряжения в частности. Художники используют планшеты, в которых измеряется напряжение емкостных датчиков, когда над ними перемещается перо. Композиторы играют на электронных инструментах, в которых измеряется напряжение на датчиках клавиш и в зависимости от него определяется насколько сильно нажата та или иная клавиша. Архитекторы используют AutoCAD и планшеты, в которых тоже измеряется напряжение, которые преобразуется в числовую форму и обрабатывается компьютером.

В кухонном термометре (слева) температура мяса определяется с помощью измерения напряжения на резистивном датчике температуры, через который пропускают небольшой ток. В мультиметре (справа) температура определяется путем измерения напряжения непосредственно на термопаре

Измеряемые величины напряжения могут меняться в широких пределах: от долей микровольта при исследованиях биологических процессов, до сотен вольт в бытовых и промышленных устройствах и приборах и до десятков миллионов вольт в сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Измерение напряжения позволяет нам контролировать состояние отдельных органов человеческого организма при помощи снятия энцефалограмм мозговой деятельности. Электрокардиограммы и эхокардиограммы дают информацию о состоянии сердечной мышцы. При помощи различных промышленных датчиков мы успешно, а, главное, безопасно, контролируем процессы химических производств, порой происходящие при запредельных давлениях и температурах. И даже ядерные процессы атомных станций поддаются контролю с помощью измерения напряжений. С помощью измерения напряжения инженеры контролируют состояние мостов, зданий и сооружений и даже противостоят такой грозной природной силе как землетрясения.

Пульсоксиметр, как и вольтметр, измеряет напряжение на выходе устройства, усиливающего сигнал с фотодиода или фототранзистора. Однако, в отличие от вольтметра, здесь на дисплее мы видим не значение напряжения в вольтах, а процент насыщения гемоглобина кислородом (97%).

Блестящая идея связать различные значения уровней напряжения со значениями состояния единиц информации дало толчок к созданию современных цифровых устройств и технологий. В вычислительной технике низкий уровень напряжения трактуется как логический нуль (0), а высокий уровень напряжения — как логическая единица (1).

По сути дела, все современные устройства вычислительной техники являются в той или иной степени компараторами (измерителями) напряжения, преобразовывая свои входные состояния по определённым алгоритмам в выходные сигналы.

Помимо всего прочего, точные измерения напряжения лежат в основе многих современных стандартов, выполнение которых гарантирует их абсолютное соблюдение и, тем самым, безопасность применения.

Плата памяти, используемая в персональных компьютера, содержит десятки тысяч логических вентилей

Средства измерения напряжения

В ходе изучения и познания окружающего мира, способы и средства измерения напряжения значительно эволюционировали от примитивных органолептических методов — русский учёный Петров срезал часть эпителия на пальцах, чтобы повысить чувствительность к действию электрического тока — до простейших индикаторов напряжения и современных приборов разнообразных конструкций на основе электродинамических и электрических свойств различных веществ.

Вкус электричества. Когда-то, очень давно, если не было вольтметра, мы определяли напряжение языком!

К слову сказать, начинающие радиолюбители легко отличали «рабочую» плоскую батарейку на 4,5 В от «подсевшей» без каких-либо приборов по причине их полного отсутствия, просто лизнув её электроды. Протекавшие при этом электрохимические процессы давали ощущение определённого вкуса и лёгкого жжения. Отдельные выдающиеся личности брались определять таким способом пригодность батареек даже на 9 В, что требовало немалой выдержки и мужества!

Примером простейшего индикатора — пробника сетевого напряжения — может служить обыкновенная лампа накаливания с рабочим напряжением не ниже напряжения сети. В продаже имеются простые пробники напряжения на неоновых лампах и светодиодах, потребляющие малые токи. Осторожно, использование самодельных конструкций может быть опасным для Вашей жизни!

Необходимо отметить, что приборы для измерения напряжения (вольтметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу измеряемого напряжения — это могут быть приборы постоянного или переменного тока. Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого напряжения — оно может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ электротехнических цепей и устройств (слаботочные и силовые).

Различают следующие значения напряжения:

  • мгновенное,
  • амплитудное,
  • среднее,
  • среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение напряжения Ui (см. рисунок) — это значение напряжения в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение напряжения Ua — это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Размах напряжения Up-p — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями напряжения за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение напряжения Urms определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений напряжения.

Все стрелочные и цифровые вольтметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период.

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения напряжения используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение напряжения осциллографом

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению напряжений с использованием генератора сигналов, источника постоянного напряжения, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Эксперимент №1

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов нагружен на сопротивление нагрузки R1 в 1 кОм, параллельно сопротивлению подключены измерительные концы осциллографа и мультиметра. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1: Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 герц и амплитудой 4 вольт. На экране осциллографа будем наблюдать изображение, показанное ниже. Отметим, что цена деления масштабной сетки экрана осциллографа по вертикальной оси 2 В. Мультиметр и осциллограф при этом покажут среднеквадратичное значение напряжение 1,36 В.

Опыт 2: Увеличим сигнал от генератора вдвое, размах изображения на осциллографе возрастёт ровно вдвое и мультиметр покажет удвоенное значение напряжения:

Опыт 3: Увеличим частоту генератора в 100 раз (6 кГц), при этом частота сигнала на осциллографе изменится, но размах и среднеквадратичное значение останутся прежними, а показания мультиметра станут неправильными — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра 0—400 Гц:

Опыт 4: Вернёмся к исходной частоте 60 Гц и напряжению генератора сигналов 4 В, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением напряжения, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее напряжение сигнала:

Эксперимент №2

Схема эксперимента №2, аналогична схеме эксперимента 1.

Ручкой изменения напряжения смещения на генераторе сигналов добавим смещение 1 В. На генераторе сигналов установим синусоидальное напряжение с размахом 4 В с частотой 60 Гц — как и в эксперименте №1. Сигнал на осциллографе поднимется на половину большого деления, а мультиметр покажет среднеквадратичное значение 1,33 В. Осциллограф покажет изображение, подобное изображению из опыта 1 эксперимента №1, но поднятое половину большого деления. Мультиметр покажет почти такое же напряжение, как было в опыте 1 эксперимента №1, так как у него закрытый вход, а осциллограф с открытым входом покажет увеличенное действующее значение суммы постоянного и переменного напряжений, которое больше действующего значения напряжения без постоянной составляющей:

Техника безопасности при измерении напряжения

Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:

  1. Не проводить измерения напряжения, требующих определённых профессиональных навыков (свыше 1000 В).
  2. Не производить измерения напряжений в труднодоступных местах или на высоте.
  3. При измерении напряжений в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
  4. Пользоваться исправным измерительным инструментом.
  5. В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
  6. Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
  7. Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Литература

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Page 9

Length and Distance ConverterMass ConverterDry Volume and Common Cooking MeasurementsArea ConverterVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperature ConverterPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergy and Work ConverterPower ConverterForce ConverterTime ConverterLinear Speed and Velocity ConverterAngle ConverterFuel Efficiency, Fuel Consumption and Fuel Economy ConverterNumbers ConverterConverter of Units of Information and Data StorageCurrency Exchange RatesWomen’s Clothing and Shoe SizesMen’s Clothing and Shoe SizesAngular Velocity and Rotational Frequency ConverterAcceleration ConverterAngular Acceleration ConverterDensity ConverterSpecific Volume ConverterMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterSpecific energy, Heat of Combustion (per Volume) ConverterTemperature Interval ConverterCoefficient of Thermal Expansion ConverterThermal Resistance ConverterThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterHeat Density, Fire Load DensityHeat Flux Density ConverterHeat Transfer Coefficient ConverterVolumetric Flow Rate ConverterMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterMass Flux ConverterMolar Concentration ConverterMass Concentration in a Solution ConverterDynamic (Absolute) Viscosity ConverterKinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterIlluminance ConverterDigital Image Resolution ConverterFrequency and Wavelength ConverterOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElectric Charge ConverterLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterElectric Current ConverterLinear Current Density ConverterSurface Current Density ConverterElectric Field Strength ConverterElectric Potential and Voltage ConverterElectrical Resistance ConverterElectrical Resistivity ConverterElectrical Conductance ConverterElectrical Conductivity ConverterCapacitance ConverterInductance ConverterAmerican Wire Gauge ConverterConversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterData Transmission ConverterConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 volt [V]

Plasma globe

Overview

Electric Potential

Voltage

Characteristics of Voltage

Measuring Voltage

Instruments for measuring voltage

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

Experiment 1

Experiment 2

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Overview

When we climb up a hill we perform work to resist the force of gravity

We live in the era of electricity and know about electrical voltage since childhood. Many of us explored our environment and had a shock quite literally, when we touched electrical outlets in secret, while our parents were not watching us. Well, since you are reading this article, nothing bad happened to you even if you explored electricity in childhood. It is nearly impossible to live in the era of electricity and not to have been intimately acquainted with it. As for the electric potential, it is a somewhat more complicated matter.

Since it is a mathematical abstraction, the easiest way to understand electric potential is to think of it as an analogy to gravity. The formulas for both are similar. The difference is in the negative values. We can have negative electric potential due to having both negative and positive charges that either attract or repel each other. Gravitational forces, on the other hand, can only cause attraction between two objects. We have not fully understood negative mass. Once we do master it, it would allow us to understand anti-gravity.

Yet, as soon as we push off...

The concept of electrical potential plays an important role in describing phenomena related to electricity. We can define the notion of electric potential as one that describes interactions of electrically charged particles or groups of charged particles, which have either same or opposite charges.

We know from our school physics lessons and from out everyday experiences that when we climb up a hill we overcome the force of gravity and perform work to do so. The forces of gravity, which we have to overcome, act in the potential gravitational field of the Earth. When the Earth interacts with us, it attempts to decrease our gravitational potential, because we have a certain mass. As part of this interaction, the Earth pulls us downward, and we let it, enjoying our ride down a mountain slope on skis or on a snowboard. Similarly, an electric potential field that acts upon charged particles aims to bring the particles with the opposite charge together and to push particles with the similar charge apart.

We can conclude from the above that an electrically charged body tries to reduce its electric potential. To do so it attempts to get as close as possible to the high-capacity source of an electrical field with the opposite charge, as long as other forces are not preventing it from doing so. If the electric charge of the objects is the same, each of the electrically charged objects attempts to decrease its electric potential by moving as far as possible away from the similarly charged source of a powerful electrical field. Again, this is only the case if no other forces are preventing this from occurring. If there are forces that act to prevent this, the electric potential does not change. In the analogy with gravity, when you are standing at the top of the mountain, the force of gravity is compensated by the reaction force of the ground and nothing pulls you down and off this mountain. It is only your weight that pushes the skis. However as soon as you push off… off you go down the hill!

Similarly, an electric field created by a charged particle or a group of particles acts upon other charged particles. It creates an electric potential to move these charged particles towards each other or away from each other, depending on whether the charge between these two interacting particles or objects is similar or opposite.

Sisyphus by Titian, Prado Museum, Madrid, Spain

Electric Potential

When a charged particle is introduced into an electric field, it has a certain amount of energy that can be used to perform work. Electric potential is a term that describes this energy stored in each point of an electric field. The electric potential of an electric field in a given point equals the work that the forces of this field can perform when a unit of positive charge is moved outside the field.

Looking again at the analogy with the gravitational field we can conclude that the notion of electric potential is similar to the phenomenon of the level of different points on the surface of the Earth. As we discuss below, depending on how high you lift a body from the ground level the amount of work changes, and similarly depending on how far you separate two charges the amount of work to perform this separation also changes.

Let us imagine Sisyphus, one of the heroes of the myths of Ancient Greece. He was doomed by the gods to do meaningless work in the afterlife, rolling an enormous stone to the top of a mountain as punishment for the sins he committed during his life. To bring the stone half way up the mountain he would perform half of the work that he needs to perform to bring the stone all the way to the top. Once he brought the stone all the way, the gods pushed it off the mountain. To reach the bottom the stone itself also performed some work. A stone lifted up a mountain of height H can perform a greater amount of work than a stone lifted only half way, to height Н/2. We usually count the height from sea level, which is considered to be the height of zero.

Using this analogy we can say that the electric potential of the surface of the Earth is a null potential, that is

ϕEarth = 0

where ϕEarth is the electric potential, a scalar variable. Here ϕ is a letter in the Greek alphabet pronounced as “phi”.

This value quantifies the ability of an electric field to perform work (W) to move a charge (q) from one given point to another point:

ϕ = W/q

In SI electric potential is measured in volts (V).

The visitors to the Canada Science and Technology Museum can generate the electric energy for it by spinning a large human hamster wheel. This wheel turns the generator that powers this Tesla coil (right). The coil generates high voltage of tens of thousands volt. It is enough to cause a bolt of electricity to fire.

Voltage

Electric voltage (V) can be defined as a difference of electric potentials, as in the formula:

V = ϕ1 – ϕ2

The notion of voltage was introduced by Georg Ohm, a German physicist. In his paper published in 1827 he proposed to use the hydrodynamic model for electric current for explaining the empirical Ohm’s law discovered by him in 1826. This law can be written by using this formula:

A Tesla coil in the Canada Science and Technology Museum.

V = I×R,

where V is the difference of potentials, I is the electrical current, and R is the resistance.

An alternative definition of electric voltage describes it as a ratio of the work that an electric field performs in order to move an electric charge to the magnitude of this charge.

This definition can be expressed using this formula:

V = A / q

Similarly to the electric potential, voltage is also measured in volts (V) and decimal multiples and fractions — units derived from volt, such as microvolts (one millionth of a volt, μV), millivolts (one thousandth of a volt, mV), kilovolts (one thousand volts, kV), and megavolts (one million volts, MV).

Voltage of one volt is equivalent to the voltage of an electric field that performs work of one joule to move a charge of 1 coulomb. We can define a volt by using other SI units as follows:

V = kg•m²/(A•s³)

Voltage can be generated by different sources such as biological systems and entities, electronic and mechanical devices, and even by various processes in the atmosphere.

The lateral line of a shark

An elementary unit for any biological system is a cell, which can be viewed as a small electrochemical generator. Some organs of living organisms such as the heart that are formed by many cells produce a higher voltage. It is interesting to note that different species of sharks, which are the perfect predators of the oceans and seas, have very sensitive sensors for voltage. These sensors are known as the lateral line, and they allow the sharks to detect their prey by its heartbeat. This mechanism is very reliable. While talking about voltage in the animal world, we should also mention electric rays and eels, who have developed a method to attack their prey and to fight off their predators by generating a voltage over 1000 V during the process of evolution.

People have been able to generate electricity and create the difference of potentials by rubbing a piece of amber with wool or fur for a long time, but a galvanic cell is considered to be the first device to generate electricity. It was created by the Italian scientist and physician Luigi Galvani, who discovered that the difference of potentials occurs when different metals and electrolytes come in contact with each other. Another Italian physicist, Alessandro Volta, continued and further developed this research. Volta was the first person in the world to submerge sheets of zinc and copper into acid, in order to generate direct electric current. Thus he created the first chemical source of electric current. He connected several of these sources in series to create the first chemical battery. It became known as a voltaic pile, and gave people an opportunity to generate electricity using chemical reactions.

Voltaic pile — a replica made in 1999 by Gelside Guatterini, an electrician at the Volta Museum in Como, Italy. Canada Science and Technology Museum

The unit for measuring voltage, a volt, as well as the term “voltage” itself are called so to commemorate the contributions of Volta in research of electrochemical and electrical phenomena. Thanks to him we now have reliable electrochemical sources of energy.

While talking about researchers who worked on creating devices to generate electricity, we should not forget the Dutch physicist Van de Graaff. He created a high voltage generator known now as the Van de Graaff generator. When generating electricity it uses the same principle of the division of charges that we facilitate when rubbing amber with wool or fur.

We can say that two outstanding American scientists Thomas Edison and Nikola Tesla were the fathers of modern electric generators. Tesla worked for Edison’s company, but the two researchers disagreed in their views on how to generate electrical energy and went separate ways. A patent war followed and the humanity benefited from it, thanks to the work of these two scientists. Edison’s reversible machines can be used as direct current generators and motors. There are billions of devices made today that use the mechanism employed in these reversible machines. We can find them under the hood of our car, in a power window regulator, or in a blender, among other devices. On the other hand, it was Tesla, who discovered ways to generate alternating current and the principle of transforming it. These discoveries are used by devices such as electric transformers, power lines that transport electricity over long distances, and others. There are multitudes of these devices as well, and they include many consumer electronics frequently used by us in daily life, such as fans, refrigerators, air conditioners, vacuum cleaners, and many other devices that we cannot describe here due to the scope of this article.

This direct current motor-generator set made by Westinghouse in 1904 was used to provide consistent power to generate a magnetic field in an exciter in Niagara Falls (New York) hydro-electric power plant built by Nikola Tesla and George Westinghouse.

Eventually scientists discovered other electric generators that use different principles, including those that employ the energy of nuclear fission. Some of these other generators are meant to serve as energy sources during long trips to the outer space.

If we do not consider some of the generators created for scientific research, we can say that the most powerful sources of electric energy on Earth are still the atmospheric processes.

More than 2000 lightning flashes occur every second close to the surface of the Earth. This means tens of thousands generators of Van de Graaf in nature generate currents of tens of kiloamperes simultaneously in the form of lightning. Yet, we cannot even start to compare the man-made generators on Earth with the electric storms that occur on the sister planet of Earth, Venus, and we will not even try to compare those to the storms on larger planets like Jupiter and Saturn.

Voltage can be characterized by its magnitude and its waveform. Depending on its behaviour through time we can define DC voltage that does not change with time, aperiodic voltage that changes with time, and AC voltage that changes with time following a specific law, and generally repeating at given intervals of time. Sometimes to achieve a given goal one may need both direct and alternating voltage. In this case we talk about alternating voltage with a DC component.

This voltmeter was used to measure voltage in the beginning of the twentieth century. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

DC generators also known as dynamos or dynamo electric machines are used in electrical engineering to provide high power with relatively stable voltage. Precision electronic devices are used to provide electrical power and maintain constant voltage levels. They operate using electrical components and are also known as voltage regulators.

Measuring Voltage

Many branches of science and technology including fundamental physics and chemistry, applied electrical engineering and electrochemistry, as well as medicine widely use measurements of the voltage. It is hard to think of a discipline that does not employ the measurement of voltage to control various processes. These measurements are done by different types of sensors, which are in fact converters of measurements of various properties into voltage. Some exceptions to this are, or rather were, perhaps, some creative areas of human activity, such as architecture, music, or fine art. These days even musicians and artists use electronic devices that rely on voltage. For example, artists and designers may use electronic tablets with stylus pens. Voltage is measured in these tablets when the stylus is moved above the surface of the tablet. It is then converted into digital signals and sent to the computer for processing. Architects also use tablets as well as software like ArchiCAD on computers. Musicians and composers often work with electronic musical instruments. Voltage is measured in the sensors of the keys to determine the intensity with which the key was pressed.

The temperature of the meat is measured in the electronic thermometer on the left by measuring the voltage on the resistance temperature detector. This is done by supplying a small electric current through this sensor. On the other hand, the multimeter on the right determines the temperature by means of measuring the voltage produced by the thermocouple without supplying any current from an external power supply.

Units of voltage can change within a vast scope, from fraction of a microvolt when researching the biological processes, to hundreds of volts in consumer electronics and industrial machinery, and to tens of millions of volts in highly powerful particle accelerators. Measuring voltage allows us to monitor and control some of the functioning of certain internal organs of humans. To map the functioning of the brain, for example, we record an electroencephalogram. To understand how the heart works we record an electrocardiogram or echocardiogram of the heart muscle. With the help of various industrial sensors we can successfully and more importantly — safely — control different processes that occur during chemical production. Some of these processes occur at extreme pressure and temperatures, and because of this safety is a major concern. By measuring voltage we can even monitor processes at nuclear power plants that occur during nuclear reactions. Engineers also maintain bridges and structures in good repair by measuring voltage, and can even prevent or lessen the devastating effects of an earthquake.

Just like a voltmeter, a pulse oximeter measures the voltage of the amplified signal from a photodiode. However, compared to the voltmeter, this device displays the percentage of the saturation of the hemoglobin with oxygen, 97% in this example, and not the voltage as measured in volts.

A brilliant idea to link different values of voltage to the logic levels of signals gave rise to the creation of modern digital technologies. For example, in information technology a low voltage represents the logic low (0), while high voltage represents the logic high (1).

We could say that all modern devices in computer and electric engineering in some way measure voltage, and then convert their input logic states using specific algorithms, to produce output signals in the format required.

Besides, accurate voltage measurements are the basis for many of the modern safety standards. Following these standards as prescribed ensures safety during the use of the device.

A memory card that is used in personal computers contains tens of thousands of logic gates.

Instruments for measuring voltage

Throughout history, as we learned more about the world around us, our methods of measuring voltage evolved from the primitive organoleptic methods. An example of such methods includes the work of the Russian scientist Petrov who cut away some of the epithelium on his fingers to increase his sensitivity to electric current. These methods evolved to simple detectors and indicators of voltage, and then to modern devices with various modes of operation that use the electrodynamic and electric properties of materials and substances.

Taste of electricity: a long time ago when voltmeters were not as widely available and inexpensive, we used to determine voltage by taste

It is interesting to note that in the past when the modern measuring devices such as multimeters were not easily accessible to the general public, radio electronics enthusiasts could tell a working 4.5 volt lantern battery from one that was losing its charge. They did that by simply licking the electrodes. Electrochemical processes that happened when they did that caused a slight feeling of burning and gave the battery a certain taste. Some individuals even attempted to determine whether or not 9 volt batteries were good to use, but this took quite a bit of courage because the sensation was very unpleasant.

Let us consider an example of a simple indicator or a voltage tester — an ordinary incandescent lamp with voltage not lower than the mains voltage. These days you can also buy simple voltage testers that are based on neon lamps and LEDs and consume low currents. When working with electricity, you always have to exercise care, because any mistakes, especially when using DIY devices can be life-threatening!

We should note that voltmeters, which are devices for measuring voltage, can differ from each other considerably, the most notable difference being in the type of voltage measured. Analog voltmeters, for example, can measure either DC voltage or AC voltage. The properties of the voltage measured is very important during the measuring process. It could be a function of time and be of a different type, such as being direct, harmonic, aharmonic, pulse signals, and so on.

The following types of voltage are most common:

  • instantaneous voltage,
  • peak-to-peak voltage,
  • average voltage also known as mean voltage,
  • root mean square voltage.

The instantaneous voltage Ui (in the illustration) is the magnitude of voltage at a given moment in time. We can monitor voltage in time on the screen of an oscilloscope and determine the voltage for a given moment in time by examining the trace.

The peak or amplitude voltage value Ua is the highest instantaneous value of voltage for a given period. The peak-to-peak amplitude Up-p is the difference between the maximum positive and the maximum negative amplitudes of a waveform.

A root mean square (RMS) value of voltage U is calculated as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous voltages within a given period of time.

All digital and analog voltmeters are usually calibrated to read RMS.

The average value of voltage (the DC component) is the arithmetic mean of all of its instantaneous values for the period during which measurement occurs.

Half-period average voltage is calculated as the arithmetic mean of the absolute instantaneous values for the voltage samples for the given time period.

The difference between the maximum and the minimum values of voltage is known as the signal swing.

These days voltage is often measured by using multipurpose digital devices like oscilloscopes. Their screen can show various important characteristics of the signal, not only the voltage waveform. These characteristics include frequency of periodic signals being measured. It is worth noting that the frequency limit is a very important characteristic of any voltage measurement device.

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

We can illustrate the discussion above by several experiments for measuring voltage. We will use a function signal generator, a DC power supply, an oscilloscope, and a multifunctional digital measuring device (multimeter).

Experiment 1

Below is the setup of experiment 1:

The signal generator is connected to the resistor with resistance R of 1 kiloohm. Probes of the oscilloscope and the multimeter are connected in parallel to the resistor. As we conduct this experiment we should keep in mind that the bandwidth of the scope is much higher than the bandwidth of the multimeter. First we will try experiment one.

Test 1: Let us apply a sinusoidal signal with the frequency of 60 Hz and amplitude of 4 volt from the generator to the load resistor. The oscilloscope screen will display the trace as in the photo below. We should note that the value of each vertical division on the oscilloscope screen is 2 V. Both the oscilloscope and the multimeter will show the RMS as 1.36 V.

Test 2: Let us double the amplitude of the signal of the generator. The amplitude on the oscilloscope and on the multimeter will double:

Test 3: Now let us increase the frequency of the generator by 100 times (to 6 kHz). The frequency on the oscilloscope will change but the amplitude and RMS will stay the same. The RMS value that the multimeter will be incorrect — this is caused by the multimeter bandwidth limit of only 0—400 Hz.

Test 4: Let us try the original frequency of 60 Hz and voltage of 4 V for the signal generator, but change the voltage waveform of the signal from sine to triangle. The scale on the oscilloscope will stay the same, but the value shown on the multimeter will decrease compared to the value for voltage that it showed in test 1. This happened because the RMS of the signal changed.

Experiment 2

We will use the same setup for experiment 2 as we used for experiment 1.

Let us turn the offset knob of the signal generator to add a 1 V DC offset to our 4 Vp-p sine signal. We will set the sine voltage on the signal generator as 4 V with the frequency of 60 Hz, just like in experiment 1. The signal on the oscilloscope will be shifted up by half of a division. The multimeter will display the RMS value of 1.33 V, which is almost the same as in test 1 of experiment 1 because in the AC measurement mode it has an AC-coupled input and cannot measure the DC component. The trace on the DC-coupled oscilloscope will be similar to the one in test 1 of experiment 1, but will be shifted up by one division. The RMS value measured by the scope will be higher than in test 1 of experiment 1 because the RMS value of the sum of the DC and AC voltages is higher than the RMS value for the signal without the DC component:

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Depending on the safety features in place in the room or in the building even low voltages of 12 — 36 volts may be deadly. Therefore when working with electricity in general and when measuring voltage in particular it is paramount to follow these safety guidelines:

  1. If you do not have special training in working with high voltages, do not measure voltage that is higher than 1000 V.
  2. Do not measure voltage in difficult to reach or high places.
  3. Use special protective equipment such rubber gloves, rugs, and boots when measuring mains voltage.
  4. Use measuring devices that work correctly and avoid broken ones.
  5. When working with multifunctional devices such as multimeters, make sure that the function and range are set correctly.
  6. Do not use measuring devices with damaged probes.
  7. Follow the manufacturer’s guidelines for the measuring device.

References

This article was written by Sergey Akishkin

Do you have difficulty translating a measurement unit into another language? Help is available! Post your question in TCTerms and you will get an answer from experienced technical translators in minutes.

Page 10

Länge und DistanzMassenkonverterTrockenvolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenFlächeVolumen und häufig verwendete Messeinheiten fürs KochenTemperaturkonverterDruck, Spannung, Youngscher ModulEnergie und ArbeitLeistungKraftZeitLineares Tempo und GeschwindigkeitWinkelBrennstoffwirkungsgrad, Brennstoffverbrauch und BrennstoffwirtschaftlichkeitZahlenEinheiten der Informations- und DatenspeicherungWährungswechselkurseGrößen für Damenkleidung und -schuheGrößen für Herrenkleidung und -schuheWinkelgeschwindigkeit und DrehzahlBeschleunigungWinkelbeschleunigungDichteSpezifisches VolumenDas TrägheitsmomentKraftmomentDrehmomentSpezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Masse)Spezifische Energie, Verbrennungswärme (pro Volumen)TemperaturbereichWärmeausdehnungskoeffizientWärmewiderstandWärmeleitfähigkeitSpezifische WärmekapazitätWärmedichte, flächenbezogene BrandlastWärmestromdichteWärmeübergangskoeffizientVolumenstromMassenstromDer StoffmengendurchflussMassenstromdichteDie StoffmengenkonzentrationMassenkonzentration in einer LösungDynamische (absolute) ViskositätKinematische ViskositätOberflächenspannungPermeation, Permeanz, WasserdampfdurchlässigkeitDurchlässigkeit von WasserdampfSchallpegelMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLeuchtdichteLichtstärkeBeleuchtungsstärkeAuflösung digitaler BilderFrequenz und WellenlängeOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterElektrische LadungLängenbezogene elektrische LadungOberflächenladungsdichteRaumladungsdichteElektrische StromstärkeLineare StromdichteOberflächenstromdichteElektrische FeldstärkeElektrisches Potenzial und SpannungElektrischer WiderstandSpezifischer elektrischer WiderstandElektrischer LeitwertElektrische LeitfähigkeitElektrische KapazitätInduktivitätDie amerikanische DrahtnormUmrechnung von Pegeln in dBm, dBV, Watt und sonstige EinheitenMagnetische SpannungMagnetische FeldstärkeMagnetischer FlussMagnetische FlussdichteStrahlenenergiedosisleistung, ionisierende GesamtstrahlendosisRadioaktivität. Radioaktiver ZerfallStrahlungsbelastung (Strahlenexposition)Strahlung – EnergiedosisMetrische VorsätzeDatenübertragungEinheiten in Typografie und digitaler BildverarbeitungMaße für HolzvolumenMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 Volt [V]

Plasmakugel

Überblick

Elektrisches Potenzial

Spannung

Eigenschaften von Spannung

Spannung messen

Instrumente zur Messung der Spannung

Messen der Spannung mit einem Oszilloskop

Experiment 1

Experiment 2

Sicherheitshinweise zur Messung der Spannung

Überblick

Wenn wir einen Hügel besteigen, führen wir Arbeit aus, um der Schwerkraft zu widerstehen

Wir leben in einer Ära der Elektrizität und haben seit unserer Kindheit Kenntnis über elektrische Spannung. Viele von uns haben unsere Umgebung erkundet und haben buchstäblich einen elektrischen Schock erlebt. Nun, da Sie den Artikel lesen, haben Sie Ihre Erkundungen der Elektrizität in der Kindheit überlebt. Es ist nahezu unmöglich, in der Ära der Elektrizität zu leben und nicht unmittelbar damit in Kontakt zu sein. Im Hinblick auf das elektrische Potenzial ist sie ein etwas komplizierteres Thema.

Da es sich um eine mathematische Abstraktion handelt, ist der leichteste Weg, elektrisches Potenzial zu verstehen, es als eine Analogie zur Schwerkraft zu betrachten. Die Formeln sind für beide ähnlich. Der Unterschied liegt in den negativen Werten. Das elektrische Potenzial kann aufgrund des Vorhandenseins sowohl negativer als auch positiver Ladungen, die sich entweder anziehen oder abstoßen, negativ sein. Anziehungskräfte andererseits können zwischen zwei Objekten nur Anziehung erzeugen. Negative Masse ist noch nicht vollständig erkundet. Sobald dies erfolgt ist, werden wir Antigravitation verstehen.

Sobald wir uns abstoßen ...

Das Konzept des elektrischen Potenzials ist wichtig bei der Beschreibung von Phänomenen in Bezug auf Elektrizität. Wir können die Idee des elektrischen Potenzials als etwas definieren, das Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen oder Gruppen von geladenen Teilchen beschreibt, die entweder die gleichen oder gegensätzlichen Ladungen enthalten.

Wir wissen aus dem Physikunterricht und alltäglicher Erfahrung, dass wir die Schwerkraft überwinden und dafür Arbeit aufbringen, wenn wir einen Hügel hinaufsteigen. Die Schwerkraft, die wir überwinden müssen, agiert im Potenzialfeld der Gravitation auf der Erde. Wenn die Erde mit uns in Wechselwirkung ist, versucht sie unser Gravitationspotenzial zu verringern, da wir über eine bestimmte Masse verfügen. Als Teil dieser Wechselwirkung zieht uns die Erde nach unten und wir lassen sie und genießen die Fahrt einen Berghang hinunter auf Skis oder einem Snowboard. Ebenso hat ein elektrisches Potenzialfeld, das auf geladene Teilchen wirkt, das Ziel, die Teilchen mit entgegensetzter Ladung zusammenzubringen und Teilchen mit ähnlicher Ladung auseinanderzuschieben.

Von dem oben gesagten kann man schließen, dass ein elektrisch geladener Körper versucht, sein elektrisches Potenzial zu verringern. Dafür versucht er, so nah wie möglich an die Quelle hoher Kapazität eines elektrischen Felds mit entgegengesetzter Ladung zu gelangen, solang andere Kräfte ihn nicht daran hindern. Wenn die elektrische Ladung des Objekts die gleiche ist, versucht jedes der elektrisch geladenen Teilchen sein elektrisches Potenzial zu verringern, indem sie sich so weit wie möglich von einer ähnlich geladenen Quelle eines starken elektrischen Felds bewegen. Dies ist nur der Fall, wenn keine anderen Kräfte dies verhindern. Wenn Kräfte wirken, um dies zu verhindern, ändert sich das elektrische Potenzial nicht. In der Analogie mit der Schwerkraft heißt diese, wenn man auf der Spitze eines Berges steht, wird die Schwerkraft durch die Reaktionskraft des Bodens kompensiert und man wird nicht herunter- und vom Berg gezogen. Es ist nur das Gewicht der Person, das die Skis schiebt. Sobald man sich jedoch abstößt, fährt man den Berg hinunter.

Ein von einem geladenen Teilchen oder einer Gruppe von Teilchen erzeugtes elektrisches Feld wirkt auf andere geladene Teilchen. Es erzeugt ein elektrisches Potenzial, um diese geladenen Teilchen zueinander oder voneinander weg zu bewegen, abhängig davon, ob die Ladung zwischen diesen zwei wechselwirkenden Teilchen oder Objekte ähnlich oder gegensätzlich ist.

Sisyphus von Titian, Prado-Museum, Madrid, Spanien

Elektrisches Potenzial

Wenn ein geladenes Teilchen in ein elektrisches Feld eingeführt wird, weist es eine bestimmte Menge Energie auf, die für die Ausführung der Arbeit genutzt wird. Elektrisches Potenzial ist ein Begriff, der die an jeder Stelle eines elektrischen Felds gespeicherte Energie beschreibt. Dieses elektrische Potenzial eines elektrischen Felds an einer bestimmten Stelle gleicht der Arbeit, die die Kräfte dieses Felds ausführen können, wenn eine Einheit positiver Ladung außerhalb des Felds bewegt wird.

Denkt man wieder an die Analogie mit dem Gravitationsfeld, kann man daraus schließen, dass das Konzept des elektrischen Potenzials dem Phänomen der Ebene unterschiedlicher Punkte auf der Oberfläche der Erde ähnlich ist. Wie wir unten besprechen werden, ändert sich die Menge der Arbeit abhängig davon, wie hoch wir einen Körper vom Boden heben. Dem ähnlich ändert sich die Menge Arbeit, die aufgebracht werden muss, um eine Trennung von zwei Ladungen auszuführen, abhängig davon, wie weit man diese Ladungen voneinander trennt.

Denken wir an Sisyphus, einem der Helden alter griechischer Mythen. Er war von den Göttern verdammt, wegen seiner Sünden während seines Lebens bedeutungslose Arbeit im Jenseits zu verrichten und einen riesigen Stein auf eine Bergspitze zu rollen. Um den Stein die halbe Strecke hochzurollen, würde er die Hälfte der Arbeit verrichten, die er benötigen wird, um den Stein den gesamten Weg auf die Bergspitze zu rollen. Sobald er den Stein vollständig zur Spitze gerollt hatte, stießen die Götter ihn herunter. Um am Boden anzukommen, führt der Stein selbst auch Arbeit aus. Ein Stein, der auf einem Berg von der Höhe H gehoben wird, kann mehr Arbeit verrichten, als ein Stein, der nur auf die halbe Höhe, auf die Höhe Н/2 gebracht wird. Die Höhe wird in der Regel vom Meeresspiegel gemessen, was als Normalnull bezeichnet wird.

Im Sinne der Analogie kann man sagen, dass das elektrische Potenzial von der Oberfläche der Erde ein Nullpotenzial ist, das heißt,

ϕEarth = 0

wo ϕErde das elektrische Potenzial ist, eine skalare Variable. Hier ist ϕ ein Buchstabe im griechischen Alphabet, „phi“ ausgesprochen.

Dieser Wert quantifiziert die Fähigkeit eines elektrischen Felds, die Arbeit (W) zu verrichten, eine Ladung (q) von einem bestimmten Punkt zu einem anderen Punkt zu bewegen:

ϕ = W/q

Im internationalen Einheitensystem (SI) wird das elektrische Potenzial in Volt gemessen.

Besucher des Canada Science and Technology Museum können seine elektrische Energie produzieren, indem sie ein großes Hamsterrad drehen. Dieses Rad dreht einen Generator, der diese Tesla-Spule (rechts) bedient. Die Spule erzeugt eine Hochspannung von zehntausenden Volt. Es reicht, um einen Elektroblitz zu erzeugen.

Spannung

Elektrische Spannung (V) kann als Unterschied von elektrischen Potenzialen definiert werden, wie in der Formel:

V = ϕ1 – ϕ2

Das Konzept der Spannung wurde von Georg Ohm, einem deutschen Physiker, eingeführt. In einem 1827 veröffentlichten Papier schlägt er vor, das hydrodynamische Modell für elektrischen Strom zur Erklärung des empirischen ohmschen Gesetzes zu nutzen, das von ihm 1826 entdeckt wurde. Dieses Gesetz kann anhand der folgenden Formel notiert werden:

Eine Tesla-Spule im Canada Science and Technology Museum.

V = I·R,

wobei V der Potenzialunterschied, I der elektrische Strom und R der Widerstand sind.

Eine alternative Definition für die elektrische Spannung beschreibt es als Verhältnis der Arbeit, die ein elektrisches Feld ausführt, um eine elektrische Ladung zur Größe dieser Ladung zu bewegen.

Diese Definition kann anhand dieser Formel ausgedrückt werden:

V = A / q

Ähnlich wie das elektrische Potenzial wird Spannung auch in Volt (V) und dezimalen Vielfachen gemessen – Einheiten, die von Volt abgeleitet sind wie Mikrovolt (ein millionster Teil eines Volts, μV), Millivolt (ein tausendstel von einem Volt, mV), Kilovolt (eintausend Volt, kV) und Megavolt (eine Million Volt, MV).

Spannung von einem Volt ist äquivalent zur Spannung eines elektrischen Felds, das Arbeit von einem Joule verrichtet, um eine Ladung von einem Coulomb zu bewegen. Man kann ein Volt anhand anderer SI-Einheiten wie folgt definieren:

V = kg•m²/(A•s³)

Spannung kann durch verschiedene Quellen erzeugt werden, beispielsweise in biologischen Systemen und Einheiten, elektronischen und mechanischen Geräten und sogar unterschiedlichen Prozessen in der Atmosphäre.

Das Seitenlinienorgan eines Hais

Eine elementare Einheit eines biologischen Systems ist eine Zelle, die als kleiner elektrochemischer Generator gesehen werden kann. Einige Organe lebender Organismen wie das Herz, das aus vielen Zellen gebildet wird, produzieren eine höhere Spannung. Unterschiedliche Spezies von Haien, die perfekten Raubtiere der Meere sind, haben sehr sensible Sensoren für Spannung. Diese Sensoren sind als Seitenlinienorgan bekannt und sie erlauben den Haien, ihre Beute am Herzschlag zu erkennen. Dieser Mechanismus ist sehr verlässlich. Auch Zitterrochen und -aale haben eine Methode entwickelt, um ihre Beute anzugreifen und ihre Feinde abzuwehren, indem sie eine Spannung von mehr als 1000 V im Verlauf der Evolution erzeugt.

Menschen sind seit Langem in der Lage, Elektrizität zu erzeugen und einen Potenzialunterschied zu schaffen, indem sie ein Stück Bernstein mit Wolle oder Fell reiben, aber eine galvanische Zelle wird als das erste Gerät erachtet, das Elektrizität erzeugte. Sie wurde von dem italienischen Wissenschaftler und Arzt Luigi Galvani erfunden, der entdeckte, dass der Potenzialunterschied auftritt, wenn unterschiedliche Metalle und Elektrolyte in Kontakt miteinander kommen. Ein anderer italienischer Physiker, Alessandro Volta, setzte diese Forschungen fort und entwickelte sie weiter. Volta war die erste Person der Welt, die Zink- und Kupferplatten in Säure tauchte, um Gleichstrom zu erzeugen. So erzeugte er die erste chemische Quelle für elektrischen Strom. Er verband mehrere dieser Quellen in Reihe, um die erste chemische Batterie herzustellen. Es wurde als voltasche Säule bekannt und bot Menschen die Möglichkeit, Elektrizität anhand von chemischen Reaktionen zu erzeugen.

Voltasche Säule – ein Nachbau von 1999 von Gelside Guatterini, einem Elektriker des Volta-Museums in Como, Italien. Canada Science and Technology Museum

Die Einheit zur Angabe der Spannung, Volt, gedenkt den Beiträgen Voltas in der Erforschung elektrochemischer und elektrischer Phänomene. Dank ihm haben wir zuverlässige elektrochemische Energiequellen.

Zu den Forschern, die an Geräten gearbeitet haben, die Elektrizität herstellen, gehörte der niederländische Physiker Van de Graaff. Er erzeugte einen Hochspannungsgenerator, bekannt als Van-de-Graaff-Generator. Bei der Erzeugung von Elektrizität nutzt es den gleichen Grundsatz der Teilung von Ladungen, die wir ermöglichen, wenn wir Bernstein mit Wolle oder Fell reiben.

Zwei herausragende amerikanische Wissenschaftler Thomas Edison und Nikola Tesla waren die Väter des modernen elektrischen Generators. Tesla arbeitete für Edisons Unternehmen, aber die beiden Forscher stimmten nicht überein, wie elektrische Energie erzeugt wird, und trennten sich. Ein Patentkrieg folgte und die Menschheit profitierte dank ihrer Arbeit davon. Edisons umschaltbare Maschinen können als Gleichstromgeneratoren und Motoren verwendet werden. Es gibt heute Milliarden von Geräten, die den Mechanismus dieser umschaltbaren Maschinen nutzen. Sie sind unter anderem unter der Motorhaube eines Autos, Fensterhebern und in einem Mixer zu finden. Andererseits war es Tesla, der Möglichkeiten entdeckte, um Wechselstrom zu erzeugen, und herausfand, nach welchen Gesetzmäßigkeiten dieser umgewandelt wird. Diese Entdeckungen werden bei Geräten wie elektrischen Transformatoren, Stromkabeln, die Elektrizität über lange Strecken transportieren, und weiteren eingesetzt. Es gibt viele Geräte, darunter Verbraucherelektronik wie Ventilatoren, Kühlschränke, Klimaanlagen oder Staubsauger, die häufig im alltäglichen Leben genutzt werden.

Dieser Gleichstrommotorgenerator wurde von Westinghouse 1904 gebaut, um beständige Leistung zur Erzeugung eines magnetischen Felds in der Erregermaschine des Wasserkraftwerks der Niagara Falls (New York) zu liefern, das von Nikola Tesla und George Westinghouse gebaut worden war.

Schließlich entdeckten andere Wissenschaftler weitere elektrische Generatoren, die nach anderen Prinzipien arbeiten, einschließlich derjenigen, die die Energie der Kernspaltung nutzen. Einige dieser Generatoren sollen als Energiequellen während langer Reisen ins All dienen.

Wenn man einige der Generatoren, die für die wissenschaftliche Forschung entwickelt wurden, außer Acht lässt, kann man sagen, dass die leistungsstärksten Quellen für elektrische Energie auf der Erde immer noch atmosphärische Prozesse sind.

Mehr als 2000 Blitze passieren jede Sekunde nahe der Erdoberfläche. Das bedeutet zehntausende Van-de-Graaf-Generatoren in der Natur erzeugen mehrfache Kiloampere Strom gleichzeitig in Form von Blitzen. Man kann nicht wirklich die von Menschen erstellten Generatoren auf der Erde mit den elektrischen Stürmen vergleichen, die auf dem Schwesterplaneten der Erde, Venus, vorkommen, noch weniger lassen sie sich mit den Stürmen auf größeren Planeten wie Jupiter und Saturn vergleichen.

Spannung wird durch ihre Stärke und Wellenform charakterisiert. Abhängig vom Verhalten über eine Zeit können wir Gleichspannung, die sich nicht mit der Zeit ändert, aperiodische Spannung, die sich mit der Zeit ändert, und Wechselspannung, die sich bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgend, sich in der Regel in bestimmten Intervallen wiederholend, mit der Zeit ändert, definieren. Gelegentlich benötigt man sowohl Gleich- als auch Wechselspannung, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. In diesem Fall sprechen wir von einer Wechselspannung mit Gleichstromkomponente.

Dieser Spannungsmesser wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts genutzt. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

Gleichstromgeneratoren werden auch Dynamos oder Lichtmaschinen genannt und werden in der Elektrotechnik genutzt, um Starkstrom mit relativ stabiler Spannung zu liefern. Elektronische Präzisionsgeräte werden verwendet, um die elektrische Leistung zu liefern und einen beständigen Spannungslevel zu erhalten. Sie werden anhand elektrischer Komponenten betrieben und sind auch als Spannungsregler bekannt.

Spannung messen

Viele Bereiche in der Wissenschaft und Technologie, einschließlich der elementaren Physik und Chemie, angewandten Elektrotechnik und Elektrochemie sowie der Medizin, nutzen die Messungen der Spannung in großem Umfang. Es fällt schwer einen Bereich vorzustellen, der keine Spannungsmessungen nutzt, um verschiedene Prozesse zu kontrollieren. Diese Messungen werden von unterschiedlichen Typen von Sensoren vorgenommen, die tatsächlich Wandler von Messungen verschiedener Merkmale in Spannung sind. Einige Ausnahmen hierzu sind bzw. waren kreative Bereiche menschlicher Aktivität wie Architektur, Musik oder die schönen Künste. Heute verwenden auch Musiker und andere Künstler elektronische Geräte, die sich auf Spannung stützen. Beispielsweise nutzen Künstler und Designer möglicherweise elektronische Tablets mit Eingabestiften. Wenn der Stift über die Tablet-Oberfläche bewegt wird, wird in diesen Tablets Spannung gemessen. Sie wird dann in digitale Signale konvertiert und an den Computer zur Verarbeitung gesendet. Auch Architekten nutzen Tablets und CAD-Software an Computern. Musiker und Komponisten arbeiten häufig mit elektronischen Musikinstrumenten. Spannung wird in den Sensoren der Tasten gemessen, um festzustellen, mit welcher Intensität eine Taste gedrückt wird.

Die Temperatur des Fleischs wird mit dem elektronischen Thermometer links gemessen, indem die Spannung am Widerstandstemperaturfühler erfasst wird. Dies erfolgt durch Anlegen eines geringen elektrischen Stroms durch den Sensor. Das Mehrfachmessgerät rechts stellt die Temperatur fest, indem es die Spannung misst, die vom Thermoelement geliefert wird, ohne Strom von einer externen Quelle anzulegen.

Einheiten für Spannungen können sich innerhalb einer enormen Bandbreite ändern, von einem Bruchteil eines Mikrovolts bei der Erforschung biologischer Prozesse zu hunderten Volt bei Verbraucherelektronik und industriellen Maschinen und mehreren zehn Millionen Volt in Hochleistungsteilchenbeschleunigern. Das Messen von Spannung erlaubt Menschen, die Funktion bestimmter menschlicher Organe zu beobachten und kontrollieren. Um die Funktion des Gehirns abzubilden, wird beispielsweise ein Elektroenzephalogramm aufgezeichnet. Um zu verstehen, wie das Herz funktioniert, wird ein Elektrokardiogramm oder Ultraschallbild des Herzmuskels aufgenommen. Mithilfe verschiedener industrieller Sensoren können unterschiedliche Prozesse, die in einer chemischen Produktion ablaufen, erfolgreich und vor allem sicher kontrolliert werden. Einige dieser Prozesse laufen unter extremen Druck und Temperaturen und daher ist Sicherheit ein wesentlicher Aspekt. Indem die Spannung gemessen wird, können Prozesse in Kernkraftwerken überwacht werden, die bei Kernreaktionen vorkommen. Auch Ingenieure erhalten Brücken und Gebäude in gutem Zustand, indem sie die Spannung messen und können sogar verheerende Auswirkungen eines Erdbebens mindern oder verhindern.

Wie auch der Spannungsmesser misst ein Impulsoximeter die Spannung des verstärkten Signals einer Fotodiode. Aber im Vergleich zum Spannungsmesser zeigt dieses Gerät den prozentualen Teil der Sättigung des Hämoglobins mit Sauerstoff an, 97 % in diesem Beispiel, und nicht die Spannung in Volt.

Die brillante Idee, verschiedene Spannungswerte mit logischen Signalen zu verknüpfen, ermöglichten die Schaffung moderner digitaler Technologien. In der Informationstechnologie repräsentiert eine geringe Spannung den logischen Tiefpunkt (0), während hohe Spannung den hohen logischen Hochpunkt (1) darstellt.

Man könnte sagen, dass alle modernen Geräte in Computern und in der Elektrotechnik auf irgendeine Weise Spannung messen und den logischen Eingangszustand anhand spezieller Algorithmen konvertieren, um Ausgangssignale im erforderlichen Format zu erzeugen.

Daneben sind korrekte Spannungsmessungen die Basis für viele moderne Sicherheitsstandards. Das Befolgen dieser Standards wie vorgeschrieben stellt die Sicherheit während der Nutzung des Geräts sicher.

Eine Speicherkarte, die in PCs verwendet wird, enthält zehntausende logischer Elemente.

Instrumente zur Messung der Spannung

In der gesamten Zeit, in der wir mehr über unsere Umwelt erfahren haben, entwickelten wir unsere Methoden zur Messung der Spannung von primitiven organoleptischen Methoden weiter. Ein Beispiel solcher Methoden ist die Arbeit des russischen Wissenschaftlers Petrov, der Teile des Deckgewebes von seinen Fingern schnitt, um die Sensibilität gegenüber elektrischem Strom zu steigern. Diese Methoden entwickelten sich zu einfachen Detektoren und Anzeigegeräten von Spannung und schließlich zu modernen Geräten mit unterschiedlichen Betriebsmodi, die die elektrodynamischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien und Substanzen nutzen.

Vor langer Zeit, als Spannungsmesser noch nicht weithin verfügbar waren, wurde Spannung am Geschmack festgestellt.

In der Vergangenheit, als die modernen Messgeräte wie Mehrfachmessgeräte nicht einfach für die Allgemeinheit zugänglich waren, konnten Funkelektroniker eine Arbeitspannung von einer 4,5-V-Batterie von einer Batterie, die ihre Ladung verliert, unterscheiden. Dafür leckten sie an den Elektroden. Die darauf folgenden elektrochemischen Prozesse verursachten ein leichtes Gefühl des Brennens und verliehen der Batterie einen bestimmten Geschmack. Einige versuchten sogar festzustellen, ob eine 9-Volt-Batterie funktionierte, aber es erforderte einigen Mut, da das Gefühl sehr unangenehm war.

Betrachten wir ein einfaches Anzeigegerät oder einen Spannungsmesser: eine einfache Glühbirne mit einer Spannung, die nicht geringer ist als die Netzspannung. Heute kann man einfache Spannungsmesser kaufen, die auf Neonlichtern und LEDs basieren und wenig Strom verbrauchen. Bei der Arbeit mit Elektrizität muss man Vorsicht walten lassen, da jeder Fehler, insbesondere bei der Nutzung von selbstgebauten Geräten, lebensbedrohlich sein kann!

Spannungsmessgeräte können sich erheblich unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Art der gemessenen Spannung. Analoge Spannungsmesser erfassen beispielsweise entweder Gleich- oder Wechselspannung. Die Art der Spannung ist sehr wichtig für den Messvorgang. Es kann sich um eine Zeitfunktion handeln und sie kann unterschiedlichen Typs sein wie Gleichspannung, harmonisches, nicht harmonisches, pulsierendes Signal usw.

Die folgenden Spannungstypen treten am häufigsten auf:

  • Augenblicksspannung
  • Spitze-Spitze-Spannung (Spitze-Tal-Wert)
  • mittlere Spannung
  • Effektivspannung

Die Augenblicksspannung Ui (in der Illustration) ist die Größe der Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Man kann Spannung auf dem Bildschirm eines Oszilloskops über einen Zeitraum beobachten und die Spannung für einen Zeitpunkt anhand der Spannungslinie ablesen.

Der Wert der Spitzen- oder Amplitudenspannung Ua ist der höchste Augenblickswert der Spannung in einem bestimmten Zeitraum. Die Spitze-Spitze-Amplitude Up-p ist der Unterschied zwischen der höchsten positiven und der höchsten negativen Amplitude einer Wellenform.

Der Effektivwert der Spannung U ist die Quadratwurzel des arithmetischen Mittels der quadrierten Augenblicksspannung für einen bestimmten Zeitraum.

Alle digitalen und analogen Spannungsmesser sind in der Regel so kalibriert, dass sie den Effektivwert anzeigen.

Der mittlere Wert der Spannung (die Gleichstromkomponente) ist das arithmetische Mittel aller Augenblickswerte für den Zeitraum, in dem die Messung vorgenommen wird.

Halbzeitsmittelwerte der Spannung werden als arithmetisches Mittel der absoluten Augenblickswerte der Spannungsproben für einen bestimmten Zeitraum berechnet.

Der Unterschied zwischen dem Höchst- und dem kleinsten Wert der Spannung wird Signalbereich genannt.

Heute wird Spannung häufig anhand von digitalen Mehrzweckgeräten wie Oszilloskope gemessen. Sie können verschiedene Merkmale von Signalen anzeigen, nicht nur die Spannungswellenform. Dazu gehört die gemessene Frequenz periodischer Signale. Die Frequenzgrenze ist ein wichtiges Merkmal jedes Spannungsmessgeräts.

Messen der Spannung mit einem Oszilloskop

Das oben Gesagte lässt sich anhand mehrerer Experimente zur Messung der Spannung illustrieren. Wir verwenden ein Funktionssignalgeber, eine Gleichstromquelle, ein Oszilloskop und ein multifunktionales digitales Messgerät (Mehrfachmessgerät).

Experiment 1

Nachfolgend der Aufbau von Experiment 1:

Der Signalgeber wird mit dem Widerstand R von 1 Kiloohm verbunden. Messfühler des Oszilloskops und des Mehrfachmessgeräts werden parallel zum Widerstand angeschlossen. Bei der Durchführung des Experiments sollten wir berücksichtigen, dass die Bandbreite des Oszilloskops viel größer ist als die des Mehrfachmessgeräts. Führen wir zunächst Experiment 1 durch.

Test 1: Wir legen ein sinusförmiges Signal mit der Frequenz von 60 Hz und einer Amplitude von 4 Volt vom Generator zum Lastwiderstand an. Der Oszilloskopbildschirm zeigt eine Linie wie unten im Foto an. Der Wert jedes vertikalen Abschnitts auf dem Oszilloskopbildschirm beträgt 2 V. Sowohl das Oszilloskop als auch das Mehrfachmessgerät werden den Effektivwert als 1,36 V anzeigen.

Test 2: Verdoppeln wir nun die Amplitude des Generatorsignals. Die Amplitude auf dem Oszilloskop und Mehrfachmessgerät verdoppeln sich:

Test 3: Erhöhen wir jetzt die Frequenz des Generators um das Hundertfache (auf 6 kHz). Die Frequenz am Oszilloskop wird sich ändern, aber die Amplitude und der Effektivwert bleiben gleich. Der Effektivwert des Mehrfachmessgeräts wird nicht korrekt sein, da die Bandbreite auf 0–400 Hz begrenzt ist.

Test 4: Versuchen wir die Ursprungsfrequenz von 60 Hz und Spannung von 4 V für den Signalgeber, aber ändern wir die Signalwellenform der Spannung von sinusförmig nach dreieckig. Die Skala des Oszilloskops bleibt gleich, aber die auf dem Mehrfachmessgerät angezeigten Werte sinken im Vergleich zum Wert für die Spannung, der in Test 1 angezeigt wurde. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Effektivwert des Signals sich geändert hat.

Experiment 2

Wir verwenden den gleichen Aufbau für Experiment 2 wie in Experiment 1.

Drehen wir den Offset-Regler des Signalgebers und fügen wir einen 1-V-Gleichstromversatz zu unserem 4-Vp-p-Sinussignal hinzu. Die Sinusspannung des Signalgebers wird wie bei Experiment 1 auf 4 V mit einer Frequenz von 60 Hz eingestellt. Das Signal auf dem Oszilloskop wird um die Hälfte einer Einteilung nach oben verschoben. Das Mehrfachmessgerät wird den Effektivwert 1,33 V anzeigen, was fast dem Wert aus Test 1 von Experiment 1 entspricht, da es im Messmodus für Wechselstrom einen wechselstromgekoppelten Eingang aufweist und nicht die Gleichstromkomponente messen kann. Die Linie auf dem direkt gekoppelten Oszilloskop wird ähnlich wie bei Test 1 von Experiment 1 sein, aber ist um eine Einteilung nach oben verschoben. Der Effektivwert, der vom Oszilloskop gemessen wurde, wird höher sein, als in Test 1 von Experiment 1, da der Effektivwert der Summe von Gleichstrom- und Wechselstromspannung höher ist, als der Effektivwert für das Signal ohne Gleichstromkomponente:

Sicherheitshinweise zur Messung der Spannung

Abhängig von den im Raum getroffenen Sicherheitsvorkehrungen können selbst geringen Spannungen von 12–36 Volt tödlich sein. Es ist daher äußerst wichtig, bei der Arbeit mit Elektrizität im Allgemeinen und dem Messen der Spannung im Besonderen diese Sicherheitshinweise zu befolgen:

  1. Sofern Sie nicht über eine besondere Ausbildung für die Arbeit mit Hochspannungen verfügen, messen Sie keine Spannungen, die mehr als 1000 V betragen.
  2. Führen Sie keine Messungen in schwer zugänglichen oder an erhöhten Orten durch.
  3. Verwenden Sie besondere Schutzausrüstung wie Gummihandschuhe, -teppiche und -stiefel, wenn Sie die Spannung an Netzspannungen messen.
  4. Verwenden Sie Messgeräte, die korrekt funktionieren und vermeiden Sie beschädigte Geräte.
  5. Bei der Arbeit mit Multifunktionsgeräten wie Mehrfachmessgeräten stellen Sie bitte sicher, dass die Funktion und der Bereich richtig eingestellt sind.
  6. Verwenden Sie keine Messgeräte mit beschädigten Messsensoren.
  7. Befolgen Sie die Anleitung des Herstellers des Messgeräts.

Weitere Informationen

Dieser Artikel wurde von Sergey Akishkin verfasst.

Haben Sie Schwierigkeiten, eine Messung in eine andere Sprache zu übersetzen? Hier erhalten Sie Hilfe! Stellen Sie Ihre Frage bei TCTerms und Sie erhalten von erfahrenen technischen Übersetzern binnen Minuten eine Antwort.

Page 11

Lunghezza e distanzaMassaMisurazione volume secco e cottura comuniAreaVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperaturaPressione, sforzo e modulo di YoungEnergia e lavoroPotenzaForzaTempoVelocità lineareAngoloEfficienza di carburante, consumo di carburante e risparmio di carburanteNumeriUnità di informazione e memorizzazione datiTassi cambio valutaTaglie dell’abbigliamento e delle scarpe da donnaAbbigliamento e scarpe da uomoVelocità angolare e frequenza di rotazioneAccelerazioneAccelerazione angolareDensitàVolume specificoMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterSpecific Energy, Heat of Combustion (per Mass) ConverterEnergia specifica, Calore di combustione (per volume)Intervallo di temperaturaCoefficiente di dilatazione termicaResistenza termicaConduttività termicaSpecific Heat Capacity ConverterDensità di calore, densità di carico di incendioDensità del flusso di caloreCoefficiente di scambio termicoVolumetric Flow Rate ConverterMass Flow Rate ConverterMolar Flow Rate ConverterFlusso di massaConcentrazione molareMass Concentration in a Solution ConverterViscosità dinamica (assoluta)Viscosità cinematicaTensione superficiePermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterVelocità di trasmissione del vapore umiditàSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminanzaLuminous Intensity ConverterIlluminamentoRisoluzione immagine digitaleFrequenza e lunghezza d'ondaOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) ConverterCarica elettricaLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterCorrente elettricaDensità lineare di correnteDensità superficiale di correnteIntensità del campo elettricoTensione e potenziale elettricoResistenza elettricaResistività elettricaConduttanza elettricaConduttività elettricaCapacità elettricaInduttanzaAmerican Wire GaugeConversione di livelli in dBm, dBV, Watt e altre unitàMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterFlusso magneticoMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterEsposizione alle radiazioniRadiation. Absorbed Dose ConverterPrefissi metriciTrasmissione datiConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 volt [V]

Lampada al plasma

Panoramica

Potenziale elettrico

Tensione

Caratteristiche della tensione

Misurazione della tensione

Strumenti per la misurazione della tensione

Misurazione della tensione con un oscilloscopio

Esperimento 1

Esperimento 2

Linee guida di sicurezza per la misurazione della tensione

Panoramica

Quando saliamo su per una collina lavoriamo per resistere alla forza di gravità

Noi viviamo nell'era dell'elettricità e conosciamo la tensione elettrica dall'infanzia. Molti di noi hanno esplorato l'ambiente e preso letteralmente la scossa, quando abbiamo toccato prese elettriche in segreto, mentre i nostri genitori non ci guardavano. Bene, quindi se stai leggendo questo articolo, non ti è successo nulla se hai esplorato l'elettricità nell'infanzia. È quasi impossibile vivere nell'era dell'elettricità e non averla conosciuta. Per quanto riguarda il potenziale elettrico, è una questione un po' più complicata.

Poiché è un'astrazione matematica, il modo più semplice di comprendere il potenziale elettrico è pensare ad esso come un'analogia con la gravità. Le formule sono simili. La differenza è nei valori negativi. Possiamo avere potenziale elettrico negativo a causa di cariche sia positive sia negative che si attraggono o si respingono. Le forze gravitazioni, dall'altro lato, possono causare solo attrazione tra due oggetti. Non abbiamo completamente compreso la massa negativa. Una volta dominata, ci consentirebbe di comprendere l'antigravità.

Eppure, appena spingiamo...

Il concetto di potenziale elettrico svolte un ruolo importante nella descrizione di fenomeni relativi all'elettricità. Possiamo definire la nozione di potenziale elettrico come quella che descrive le interazioni di particelle caricate elettricamente o gruppi di particelle caricate, che hanno carica uguale od opposta.

Sappiamo dalle lezioni di fisica della nostra scuola e dalle esperienze quotidiane che quando saliamo su per una collina dobbiamo superare la forza di gravità ed eseguire del lavoro per farlo. Le forze di gravità, che dobbiamo affrontare, agiscono nel campo gravitazionale potenziale della Terra. Quando la Terra interagisce con noi, tenta di diminuire il nostro potenziale gravitazionale, perché abbiamo una certa massa. Come parte di questa interazione, la Terra ci tira verso il basso, e noi lo permettiamo, godendoci il nostro viaggio giù per un pendio di montagna sugli sci o sullo snowboard. Allo stesso modo, un campo di potenziale elettrico che agisce su particelle cariche si propone di portare le particelle con carica opposta insieme e di spingere le particelle con carica simile.

Possiamo concludere da quanto detto prima che un corpo caricato elettricamente cerca di ridurre il suo potenziale elettrico. A tal fine, tenta di avvicinarsi il più possibile alla fonte ad alta capacità di un campo elettrico con carica di segno opposto, fino a quando altre forze non impediscono di farlo. Se la carica elettrica degli oggetti è la stessa, ciascuno oggetto caricato elettricamente tenta di ridurre il suo potenziale elettrico allontanandosi il più possibile dalla sorgente di un campo elettrico potente caricata in modo simile. Ancora una volta, questo è solo il caso se nessuna altra forza lo impedisce. Se ci sono forze che agiscono per prevenire ciò, il potenziale elettrico non cambia. Nell'analogia con gravità, quando ci si trova sulla montagna, la forza di gravità è compensata dalla forza di reazione della terra e nulla tira giù e fuori da questa montagna. È solo il tuo peso che spinge gli sci. Tuttavia, non appena si va via... scendi dalla montagna!

In modo simile, un campo elettrico creato da una particella caricata o un gruppo di particelle agisce su altre particelle caricate. Ciò crea un potenziale elettrico per muovere queste particelle caricate l'una verso l'altra o l'una lontana dall'altra, a seconda se la carica tra queste due particelle che interagiscono è simile od opposta.

Sisifo di Tiziano, Museo del Prado, Madrid, Spagna

Potenziale elettrico

Quando una particella è introdotta in un campo elettrico, essa ha una certa quantità di energia che può essere usata per eseguire il lavoro. Potenziale elettrico è un termine che descrive questa energia immagazzinata in ciascun punto di un campo elettrico. Il potenziale elettrico di un campo elettrico in un dato punto è pari al lavoro che le forze di questo campo possono eseguire quando un'unità di carica positiva è spostata fuori dal campo.

Guardando nuovamente all'analogia con il campo gravitazionale possiamo concludere che la nozione di potenziale elettrico è simile al fenomeno del livello di punti diversi sulla superficie della Terra. Come discusso in precedenza, a seconda di quanto si solleva il corpo da terra la quantità di lavoro cambia, e allo stesso modo dipende da quanto si separano due cariche cambia anche la quantità di lavoro per eseguire questa separazione.

Proviamo a immaginare Sisifo, uno degli eroi dei miti dell'antica Grecia. Egli è stato condannato dagli dèi per fare effettuare lavoro privo di significato nell'aldilà, spingere un'enorme pietra di rotolamento verso l'alto di una montagna come punizione per i peccati che ha commesso durante la sua vita. Per portare la pietra a metà strada su per la montagna avrebbe fatto metà del lavoro che avrebbe eseguito per portare la pietra per tutta la strada verso l'alto. Una volta che ha trasportato la pietra per tutta la strada, i dèi lo hanno spinto giù della montagna. Per raggiungere il fondo la pietra stessa ha eseguito parte del lavoro. Una pietra spinta su per una montagna H può eseguire un lavoro maggiore rispetto alla pietra spinta solo per metà dell'altezzaН/2. Solitamente contiamo l'altezza dal livello del mare, che è considerata essere l'altezza zero.

Usando questa analogia possiamo dire che il potenziale elettrico della superficie della Terra è un potenziale nullo,

ϕEarth = 0

dove ϕTerra è il potenziale elettrico, una variabile scalare. Qui ϕ è una lettera dell'alfabeto greco pronunciata come “phi”.

Questo valore quantifica la capacità di un campo elettrico di eseguire un lavoro (W) per spostare una carica (q) da un dato punto all'altro:

ϕ = W/q

Nel SI il potenziale elettrico è misurato in volt (V).

I visitatori del Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia possono generare l'energia elettrica facendo girare una grande ruota per criceti umani. Questa ruota gira il generatore che alimenta la bobina di Tesla (a destra). La bobina genera alta tensione di decine di migliaia di volt. È sufficiente a generare una scarica di elettricità per incendiare.

Tensione

La tensione elettrica (V) può essere definita come una differenza di potenziali elettrici, come nella formula:

V = ϕ1 – ϕ2

La nozione di tensione è stata introdotta da Georg Ohm, un fisico tedesco. Nel suo saggio pubblicato nel 1827 egli ha proposto di usare il modello idrodinamico per la corrente elettrica per spiegare la legge di Ohm empirica da lui scoperta nel 1826. Questa legge può essere scritta usando questa formula:

Una bobina di Tesla al Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia.

V = I·R,

dove v è la differenza di potenziali, I è la corrente elettrica e R è la resistenza.

Una definizione alternativa di tensione elettrica la descrive come un rapporto tra il lavoro che un campo elettrico esegue per spostare una carica elettrica alla magnitudine di questa carica.

Questa definizione può essere espressa usando questa formula:

V = A / q

In modo simile al potenziale elettrico, la tensione è misurata in volt (V) e multipli e frazioni decimali — unità derivate da volt, come microvolt (un milionesimo di volt, μV), millivolt (un millesimo di volt, mV), kilovolt (mille volt, kV) e megavolt (un milione di volt, MV).

La tensione di un volt è equivalente alla tensione di un campo elettrico che esegue un lavoro di un joule per spostare una carica di 1 coulomb. Possiamo definire un volt usando altre unità SI come segue:

V = kg•m²/(A•s³)

La tensione può essere generata da diverse fonti come sistemi ed entità biologici, dispositivi elettronici e meccanici, e anche da vari processi nell'atmosfera.

La linea laterale di uno squalo

Un'unità elementare per qualsiasi sistema biologico è una cellula, che può essere vista come un piccolo generatore elettrochimico. Alcuni organi degli organismi viventi come il cuore che sono formati da molte cellule producono una tensione più alta. È interessante notare che diverse specie di squali, che sono i predatori perfetti degli oceani e dei mari, hanno sensori molto sensibili per la tensione. Questi sensori sono conosciuti la linea laterale, e consentono agli squali di rilevare le loro prede dal battito cardiaco. Questo meccanismo è molto affidabile. Mentre parliamo di tensione nel mondo animale, citiamo anche raggi elettrici e anguille, che hanno sviluppato un metodo per attaccare le loro prede e per combattere i loro predatori, generando una tensione di oltre 1000 V durante il processo di evoluzione.

Persone sono state in grado di generare l'elettricità e creare la differenza dei potenziali strofinando un pezzo d'ambra con lana o pelliccia per lungo tempo, ma una cella galvanica è considerata essere il primo dispositivo per generare elettricità. È stata creata dallo scienziato e fisico italiano Luigi Galvani, il quale ha scoperto che la differenza di potenziali si verifica quando diversi metalli ed elettroliti vengono a contatto. Un altro fisico, Alessandro Volta, ha continuato e sviluppato ulteriormente questa ricerca. Volta è stato il primo al mondo a immergere lastre di zinco e rame in acido, per generare una corrente elettrica diretta. Quindi ha creato la prima fonte chimica di corrente elettrica. Egli ha collegato molte di queste fonti in serie per creare la prima batteria chimica. È diventata nota come una pila voltaica, e ha dato alle persone l'opportunità di generare l'elettricità usando reazioni chimiche.

La pila di Volta - una replica del 1999 realizzata da Gelside Guatterini, un elettricista al Museo Volta di Como, Italia. Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia

L'unità per la misurazione della tensione, un volt, nonché il termine “tensione” stesso sono chiamati in questo modo per commemorare i contributi di Volt alla ricerca di fenomeni elettrochimici ed elettrici. Grazie a lui sappiamo di avere una fonte di energia elettrochimica affidabile.

Quando parliamo di ricercatori che hanno lavorato alla creazione di dispositivi per generare elettricità, non dobbiamo dimenticare il fisico olandese Van de Graaff. Egli ha creato un generatore di alta tensione ora noto come generatore Van de Graaff. Durante la generazione di energia elettrica si utilizza lo stesso principio della divisione delle cariche che facilitiamo quando si sfrega l'ambra con lana o pelliccia.

Possiamo dire che due eccezionali scienziati americani Thomas Edison e Nikola Tesla sono stati i padri dei generatori elettrici moderni. Tesla ha lavorato per la società di Edison, ma i due ricercatori erano in disaccordo su come generare energia elettrica e proseguirono per strade separate. Seguì una guerra di brevetto e l'umanità ne ha beneficiato, grazie al lavoro di questi due scienziati. Le macchine reversibili di Edison possono essere utilizzate come motori e generatori di corrente continua. Ci sono miliardi di dispositivi realizzati oggi che utilizzano il meccanismo impiegato in queste macchine reversibili. Li troviamo sotto il cofano della nostra auto, in un regolatore di potenza del finestrino, o in un frullatore, tra gli altri dispositivi. D'altra parte, fu Tesla, che ha scoperto modi per generare corrente alternata e il principio per trasformarla. Queste scoperte sono utilizzate da dispositivi quali trasformatori elettrici, linee elettriche che trasportano l'elettricità su lunghe distanze e altri. Ci sono moltitudini di questi dispositivi, e includono molti dispositivi elettronici di consumo usati di frequente da noi nella vita quotidiana, come ventilatori, refrigeratori, condizionatori d'aria, aspirapolveri e molti altri dispositivi che non possiamo descrivere qui a causa dello scopo di questo articolo.

Questo set generatore-motore a corrente continua realizzato da Westinghouse nel 1904 è stato usato per fornire potenza consistente per generare un campo magnetico in un eccitatore nella centrale idro-elettrica costruita da Nikola Tesla e George Westinghouse.

Alla fine gli scienziati hanno scoperto altri generatori elettrici che utilizzano principi diversi, compresi quelli che utilizzano l'energia della fissione nucleare. Alcuni di questi altri generatori sono destinati a servire come fonti di energia durante i lunghi viaggi per lo spazio esterno.

Se non consideriamo alcuni dei generatori creati per la ricerca scientifica, possiamo dire che le fonti più potenti di energia elettrica sulla Terra sono ancora i processi atmosferici.

Più di 2000 fulmini si verificano ogni secondo vicino alla superficie della Terra. Ciò significa che decine di migliaia generatori di Van de Graaf in natura generano correnti di decine di kiloampere simultaneamente sotto forma di fulmine. Ancora, non possiamo iniziare a confrontare i generatori artificiali sulla Terra con le tempeste elettriche che si verificano sulla sorella del pianeta Terra, Venere, e non cerchiamo neanche di confrontarli alle tempeste su pianeti più grandi come Giove e Saturno.

La tensione può essere caratterizzata dalla sua magnitudine e dalla sua forma d'onda. A seconda del suo comportamento attraverso il tempo, possiamo definire la tensione CC che non cambia nel tempo, tensione aperiodica che cambia con il tempo, e la tensione CA che cambia con il tempo seguendo una legge specifica, e ripetendosi generalmente a dati intervalli di tempo. A volte per raggiungere un dato obiettivo possiamo aver bisogno di tensione continua e alternata. In questo caso parliamo di una tensione alternata con un componente CC.

Questo voltmetro era usato per misurare la tensione agli inizi del XX secolo. Museo Canadese della Scienza e della Tecnologia, Ottawa

I generatori CC noti anche come dinamo o macchinari elettrici dinamo sono usati nell'ingegneria elettrica per fornire alta potenza con tensione relativamente stabile. I dispositivi elettronici di precisione sono usati per fornire energia elettrica e mantenere i livelli di tensione costanti. Essi funzionano usando componenti elettrici e sono noti anche come regolatori di tensione.

Misurazione della tensione

Molti rami della scienza e della tecnologia incluso la chimica e la fisica fondamentale, l'ingegneria elettrica applicata e l'elettrochimica, nonché la medicina usano ampiamente le misurazioni della tensione. È difficile pensare a una disciplina che non impiega la misurazione della tensione per controllare vari processi. Queste misurazioni sono effettuate con diversi tipi di sensori, che sono convertitori di misurazioni di varie proprietà in tensione. Alcune eccezioni a ciò sono, o piuttosto erano, forse, alcune aree creative di attività umana, come architettura, musica o arte. Oggigiorno anche musicisti e artisti usano dispositivi elettronici che fanno affidamento sulla tensione. Ad es. artisti e designer possono usare tablet elettronici con penne stilo. La tensione è misurata in questi tablet quando lo stilo è mosso sulla superficie del tablet. Essa è convertita in segnali digitali e inviata al computer per l'elaborazione. Anche gli architetti utilizzano tablet, nonché software CAD su computer. Musicisti e compositori spesso lavorano con strumenti musicali elettronici. La tensione è misurata nei sensori dei tasti per determinare l'intensità con cui il tasto è stato premuto.

La temperatura della carne è misurata con il termometro elettronico sulla sinistra misurando la tensione sul rilevatore di temperatura di resistenza. Ciò è effettuato fornendo una piccola corrente elettrica attraverso questo sensore. Dall'altro lato, il multimetro sulla destra determina la temperatura misurando la tensione prodotta dalla termocoppia senza fornire alcuna corrente da un alimentatore esterno.

Unità di tensione possono cambiare in un vasto ambito, dalla frazione di un microvolt quando si cercano processi biologici, di centinaia di volt in dispositivi elettronici di consumo e macchinari industriali, e decine di milioni di volt in acceleratori di particelle altamente potenti. La misurazione della tensione ci consente di monitorare e controllare alcune delle funzioni di determinati organi interni del corpo umano. Per mappare il funzionamento del cervello, ad esempio, registriamo un'elettroencefalogramma. Per comprendere come funziona il cuore registriamo un elettrocardiogramma o ecocardiogramma del muscolo cardiaco. Con l'aiuto di vari sensori industriali possiamo controllare con successo - e in modo sicuro - i diversi processi che si verificano durante la produzione chimica. Alcuni di questi processi si verificano a pressione e temperatura estrema, e per questo motivo la sicurezza è una preoccupazione importante. Misurando la tensione possiamo anche monitorare processi in centrali nucleari che si verificano durante le reazioni nucleari. Gli ingegneri mantengono anche ponti e strutture in buono stato, misurando la tensione e possono anche prevenire o ridurre gli effetti devastanti di un terremoto.

Proprio come un voltmetro, un pulsiossimetro misura la tensione del segnale amplificato da un fotodiodo. Tuttavia, rispetto al voltmetro, questo dispositivo mostra la percentuale di saturazione dell'emoglobina con l'ossigeno, 97% in questo esempio, e non la tensione come misurato in volt.

Un'idea brillante di collegare diversi valori di tensione a livelli logici di segnali che hanno portato alla creazione delle tecnologie digitali moderne. Ad esempio, nella tecnologia dell'informazione una bassa tensione rappresenta la logica bassa (0), mentre l'alta tensione rappresenta la logica alta (1).

Possiamo dire che tutti i dispositivi moderni in computer e ingegneria elettrica in qualche modo misurano la tensione e poi convertono i loro stati logici di ingresso usando algoritmi specifici, per produrre segnali di uscita nel formato richiesto.

Inoltre, misurazioni di tensione accurate sono la base per molti standard di sicurezza moderni. Seguendo questi standard come prescritto si assicura la sicurezza durante l'uso del dispositivo.

Una scheda di memoria che viene utilizzata nei personal computer contiene decine di migliaia di porte logiche.

Strumenti per la misurazione della tensione

Nel corso della storia, poiché abbiamo appreso molto el mondo che ci circonda, i nostri metodi di misurazione della tensione si sono evoluti dai metodi organolettici primitivi. Un esempio di tali metodi include il lavoro dello scienziato russo Petrov che ha asportato dell'epitelio dalle sue dita per accrescere la sua sensibilità alla corrente elettrica. Questi metodi ha permesso di sviluppare prima semplici rilevatori e indicatori di tensione, e poi moderni dispositivi con varie modalità di funzionamento che usano l'elettrodinamica e le proprietà elettriche di materiali e sostanze.

Molto tempo fa quando i voltmetri non erano ampiamente disponibili li abbiamo usati per determinare la tensione.

È interessante notare che in passato quando i moderni dispositivi di misurazione come multimetri non erano facilmente accessibili al pubblico generale, i fan dell'elettronica radio potrebbero dire che una lanterna a batteria da 4,5 volt in funzione da una che stava perdendo la sua carica. Lo hanno fatto semplicemente leccando gli elettrodi. Processi elettrochimici che si verificano quando hanno fatto ciò hanno causato una lieve sensazione di bruciore e dato alla batteria un certo gusto. Alcuni individui hanno anche tentato di determinare se o meno le batterie da 9 volt fossero buone da utilizzare, ma questo ciò ha preso un po' di coraggio, perché la sensazione era molto sgradevole.

Consideriamo un esempio di un semplice indicatore o un tester di tensione — una comune lampada ad incandescenza con tensione non inferiore alla tensione di rete. In questi giorni è inoltre possibile acquistare tester di tensione semplici che sono basati su lampade a neon e LED e correnti a basso consumo. Quando lavoriamo con l'elettricità, bisogna sempre fare attenzione, in quanto qualsiasi errore, soprattutto quando si usano dispositivi DIY può essere un pericolo mortale!

Dobbiamo notare che voltmetri, che sono dispositivi per la misurazione di tensione, possono differire considerevolmente l'uno dall'altro, la differenza più notevole è il tipo di tensione misurata. Voltmetri analogici, ad esempio, possono misurare tensione CC o tensione CA. Le proprietà della tensione misurata sono molto importanti durante il processo di misurazione. Potrebbe essere una funzione del tempo ed essere di un tipo diverso, come segnali diretti, armonici, anarmonici, a impulsi ecc.

I seguenti tipi di tensione sono i più comuni:

  • tensione istantanea,
  • tensione picco a picco,
  • tensione conosciuta anche come tensione media,
  • tensione della radice quadratica media.

La tensione istantanea Ui (nell'illustrazione) è la magnitudine della tensione in un dato momento. Possiamo monitorare la tensione in tempo sullo schermo di un oscilloscopio e determinare la tensione per un dato momento in tempo esaminando la traccia.

Il valore della tensione di ampiezza o di picco Ua è il valore più alto istantaneo della tensione per un dato periodo. L'ampiezza picco-picco Up-p è la differenza tra le ampiezze di una forma d'onda massima positiva e massima negativa.

Un valore della radice quadratica media (RMS) della tensione U è calcolato come una radice quadrata della media aritmetica dei quadrati della tensione istantanea entro un dato periodo di tempo.

Tutti i voltmetri digitali e analogici sono solitamente calibrati per leggere RMS.

Il valore medio della tensione (componente CC) è la media aritmetica di tutti i suoi valori istantanei per il periodo in cui avviene la misurazione.

La tensione media di medio periodo è calcolata come la media aritmetica dei valori istantanei assoluti per i campioni di tensione per un dato periodo di tempo.

La differenza tra il valore minimo e massimo della tensione è nota come oscillazione di segnale.

Oggigiorno la tensione è spesso misurata usando dispositivi digitali multiuso come oscilloscopi. Questo schermo può mostrare varie caratteristiche importanti del segnale, non solo la forma d'onda della tensione. Queste caratteristiche includono la frequenza di segnali periodici misurati. Vale la pena notare che il limite di frequenza è una caratteristica molto importante di qualsiasi dispositivo di misurazione di tensione.

Misurazione della tensione con un oscilloscopio

Possiamo illustrare la discussione precedente mediante numerosi esperimenti per la misurazione della tensione. Utilizzeremo un generatore di segnale di funzione, un alimentatore CC, un oscilloscopio e un dispositivo di misurazione digitale multifunzionale (multimetro).

Esperimento 1

Di seguito la configurazione dell'esperimento 1:

Il generatore di segnale è collegato al resistore con la resistenza R di 1 kiloohm. Le sonde dell'oscilloscopio e il multimetro sono collegate in parallelo al resistore. Quando conduciamo questo esperimento dobbiamo tenere in mente che la larghezza di banda dell'oscilloscopio è più alta della larghezza di banda del multimetro. Prima proveremo l'esperimento 1.

Test 1: Applichiamo un segnale sinusoidale con la frequenza di 60 Hz e un'ampiezza di 4 volt dal generatore al resistore di carico. Lo schermo dell'oscilloscopio mostrerà la traccia come nella foto seguente. Notiamo che il valore di ogni divisione verticale sullo schermo dell'oscilloscopio è di 2 V. L'oscilloscopio e il multimetro mostrano l'RMS come 1.36 V.

Test 2: Raddoppiamo l'ampiezza del segnale del generatore. L'ampiezza sull'oscilloscopio e sul multimetro raddoppierà:

Test 3: Ora aumentiamo la frequenza del generatore di 100 volte (a 6 kHz). La frequenza sull'oscilloscopio cambia, ma l'ampiezza e l'RMS restano gli stessi. Il valore RMS del multimetro non sarà corretto — ciò è causato dal limite della larghezza di banda del multimetro di soli 0—400 Hz.

Test 4: Proviamo la frequenza originale di 60 Hz e la tensione di 4 V per il generatore di segnale, ma cambiamo la forma d'onda della tensione del segnale da seno a triangolo. La scala sull'oscilloscopio resterà la stessa, ma il valore mostrato sul multimetro diminuisce rispetto al valore della tensione che è mostrato nell'esperimento 1. Ciò si è verificato in quanto l'RMS del segnale è cambiato.

Esperimento 2

Utilizzeremo per l'esperimento 2 le stesse impostazioni utilizzate per l'esperimento 1.

Ruotiamo la manopola di offset del generatore di segnale per aggiungere un offset CC da 1V al nostro segnale sinusoidale p-p da 4 V. Imposteremo la tensione sinusoidale sul generatore di segnale come 4 V con la frequenza di 60 Hz, come nell'esperimento 1. Il segnale sull'oscilloscopio sposterà fino a metà di una divisione. Il multimetro visualizzerà il valore RMS di 1,33 V, che è quasi lo stesso del test 1 dell'esperimento 1 in quanto nella modalità di misurazione CA esso ha un ingresso accoppiato CA e non può misurare il componente CC. La traccia sull'oscilloscopio accoppiato CC sarà simile a quella nel test 1 dell'esperimento 1 ma sarà spostata da una divisione. Il valore RMS misurato dall'oscilloscopio sarà superiore rispetto al test 1 dell'esperimento 1 in quanto il valore RMS della somma delle tensioni CC e CA è superiore al valore RMS per il segnale senza il componente CC:

Linee guida di sicurezza per la misurazione della tensione

A seconda delle caratteristiche di sicurezza in essere nella stanza o nell'edificio anche basse tensioni di 12 - 36 volt possono essere mortali. Quindi quando si lavora con l'elettricità in generale e quando si misurano tensioni in particolare, è fondamentale seguire queste linee guida di sicurezza.

  1. Se non si ha una formazione speciale nel lavorare con alte tensioni, non misurare tensioni superiori a 1000 V.
  2. Non misurare tensioni in posti difficili da raggiungere o in posti alti.
  3. Utilizzare sistemi di protezione speciali come guanti di gomma, tappetini e stivali quando si misura la tensione di rete.
  4. Utilizzare dispositivi di misurazione che funzionano correttamente ed evitare di romperne.
  5. Quando si lavora con dispositivi multifunzione come multimetri, assicurarsi che la funzione e l'intervallo siano impostati in modo corretto.
  6. Non utilizzare dispositivi di misurazione con sonde danneggiate.
  7. Seguire le linee guida del dispositivo di misurazione fornite dal produttore.

Riferimenti

Questo articolo è stato scritto da Sergey Akishkin.

Hai trovato delle difficoltà nel tradurre un’unità di misura in un’altra lingua? Ti possiamo aiutare! Posta la tua questione nei TCTerms e riceverai le risposte di esperti traduttori tecnici in pochi minuti.

Page 12

Długość i odległośćMass ConverterDry Volume and Common Cooking MeasurementsPole powierzchniVolume and Common Cooking Measurement ConverterTemperature ConverterPressure, Stress, Young’s Modulus ConverterEnergiaPower ConverterSiłaTime ConverterLinear Speed and Velocity ConverterKątWydajność zużycia paliwa, zużycie paliwa i ekonomika zużycia paliwaNumbers ConverterJednostki informacji i magazynowania danychKursy wymiany walutRozmiary ubrań i obuwia damskiegoRozmiary ubrań i obuwia męskiegoAngular Velocity and Rotational Frequency ConverterPrzyspieszeniePrzyspieszenie kątoweMasa właściwaSpecific Volume ConverterMoment of Inertia ConverterMoment of Force ConverterTorque ConverterEnergia właściwa, ciepło spalania (na masę)Energia właściwa, ciepło spalania (na objętość)Temperature Interval ConverterCoefficient of Thermal Expansion ConverterThermal Resistance ConverterThermal Conductivity ConverterSpecific Heat Capacity ConverterGęstość ciepła, gęstość obciążenia ogniowegoGęstość strumienia ciepłaWspółczynnik przenikania ciepłaObjętościowe natężenie przepływuMasowe natężenie przepływuMolowe natężenie przepływuMass Flux ConverterStężenie moloweStężenie masy w roztworzeDynamic (Absolute) Viscosity ConverterKinematic Viscosity ConverterSurface Tension ConverterPermeation, Permeance, Water Vapour Permeability ConverterMoisture Vapor Transmission Rate ConverterSound Level ConverterMicrophone Sensitivity ConverterSound Pressure Level (SPL) ConverterSound Pressure Level Converter With Selectable Reference PressureLuminance ConverterLuminous Intensity ConverterNatężenie oświetleniaRozdzielczość obrazów cyfrowychCzęstotliwość i długość faliOptical Power (Diopter) to Focal Length ConverterOptical Power (Diopter) to Magnification (X) Converter‎‎Ładunek elektrycznyLinear Charge Density ConverterSurface Charge Density ConverterVolume Charge Density ConverterPrąd elektrycznyLinear Current Density ConverterSurface Current Density ConverterNatężenie pola elektrycznegoPotencjał i napięcie elektryczneRezystancja elektrycznaRezystywność elektrycznaPrzewodność elektrycznaPrzewodność elektryczna właściwaPojemność elektrycznaIndukcyjnośćAmerican Wire Gauge ConverterConversion of Levels in dBm, dBV, Watts and Other UnitsMagnetomotive Force ConverterMagnetic Field Strength ConverterMagnetic Flux ConverterMagnetic Flux Density ConverterRadiation Absorbed Dose Rate, Total Ionizing Radiation Dose Rate ConverterRadioactivity. Radioactive Decay ConverterRadiation Exposure ConverterRadiation. Absorbed Dose ConverterMetric Prefixes ConverterTransmisja danychConverter of Typography and Digital Imaging UnitsLumber Volume Measures ConverterMolar Mass CalculatorPeriodic Table

1 kilovolt [kV] = 1000 wolt [V]

Plasma globe

Overview

Electric Potential

Voltage

Characteristics of Voltage

Measuring Voltage

Instruments for measuring voltage

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

Experiment 1

Experiment 2

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Overview

When we climb up a hill we perform work to resist the force of gravity

We live in the era of electricity and know about electrical voltage since childhood. Many of us explored our environment and had a shock quite literally, when we touched electrical outlets in secret, while our parents were not watching us. Well, since you are reading this article, nothing bad happened to you even if you explored electricity in childhood. It is nearly impossible to live in the era of electricity and not to have been intimately acquainted with it. As for the electric potential, it is a somewhat more complicated matter.

Since it is a mathematical abstraction, the easiest way to understand electric potential is to think of it as an analogy to gravity. The formulas for both are similar. The difference is in the negative values. We can have negative electric potential due to having both negative and positive charges that either attract or repel each other. Gravitational forces, on the other hand, can only cause attraction between two objects. We have not fully understood negative mass. Once we do master it, it would allow us to understand anti-gravity.

Yet, as soon as we push off...

The concept of electrical potential plays an important role in describing phenomena related to electricity. We can define the notion of electric potential as one that describes interactions of electrically charged particles or groups of charged particles, which have either same or opposite charges.

We know from our school physics lessons and from out everyday experiences that when we climb up a hill we overcome the force of gravity and perform work to do so. The forces of gravity, which we have to overcome, act in the potential gravitational field of the Earth. When the Earth interacts with us, it attempts to decrease our gravitational potential, because we have a certain mass. As part of this interaction, the Earth pulls us downward, and we let it, enjoying our ride down a mountain slope on skis or on a snowboard. Similarly, an electric potential field that acts upon charged particles aims to bring the particles with the opposite charge together and to push particles with the similar charge apart.

We can conclude from the above that an electrically charged body tries to reduce its electric potential. To do so it attempts to get as close as possible to the high-capacity source of an electrical field with the opposite charge, as long as other forces are not preventing it from doing so. If the electric charge of the objects is the same, each of the electrically charged objects attempts to decrease its electric potential by moving as far as possible away from the similarly charged source of a powerful electrical field. Again, this is only the case if no other forces are preventing this from occurring. If there are forces that act to prevent this, the electric potential does not change. In the analogy with gravity, when you are standing at the top of the mountain, the force of gravity is compensated by the reaction force of the ground and nothing pulls you down and off this mountain. It is only your weight that pushes the skis. However as soon as you push off… off you go down the hill!

Similarly, an electric field created by a charged particle or a group of particles acts upon other charged particles. It creates an electric potential to move these charged particles towards each other or away from each other, depending on whether the charge between these two interacting particles or objects is similar or opposite.

Sisyphus by Titian, Prado Museum, Madrid, Spain

Electric Potential

When a charged particle is introduced into an electric field, it has a certain amount of energy that can be used to perform work. Electric potential is a term that describes this energy stored in each point of an electric field. The electric potential of an electric field in a given point equals the work that the forces of this field can perform when a unit of positive charge is moved outside the field.

Looking again at the analogy with the gravitational field we can conclude that the notion of electric potential is similar to the phenomenon of the level of different points on the surface of the Earth. As we discuss below, depending on how high you lift a body from the ground level the amount of work changes, and similarly depending on how far you separate two charges the amount of work to perform this separation also changes.

Let us imagine Sisyphus, one of the heroes of the myths of Ancient Greece. He was doomed by the gods to do meaningless work in the afterlife, rolling an enormous stone to the top of a mountain as punishment for the sins he committed during his life. To bring the stone half way up the mountain he would perform half of the work that he needs to perform to bring the stone all the way to the top. Once he brought the stone all the way, the gods pushed it off the mountain. To reach the bottom the stone itself also performed some work. A stone lifted up a mountain of height H can perform a greater amount of work than a stone lifted only half way, to height Н/2. We usually count the height from sea level, which is considered to be the height of zero.

Using this analogy we can say that the electric potential of the surface of the Earth is a null potential, that is

ϕEarth = 0

where ϕEarth is the electric potential, a scalar variable. Here ϕ is a letter in the Greek alphabet pronounced as “phi”.

This value quantifies the ability of an electric field to perform work (W) to move a charge (q) from one given point to another point:

ϕ = W/q

In SI electric potential is measured in volts (V).

The visitors to the Canada Science and Technology Museum can generate the electric energy for it by spinning a large human hamster wheel. This wheel turns the generator that powers this Tesla coil (right). The coil generates high voltage of tens of thousands volt. It is enough to cause a bolt of electricity to fire.

Voltage

Electric voltage (V) can be defined as a difference of electric potentials, as in the formula:

V = ϕ1 – ϕ2

The notion of voltage was introduced by Georg Ohm, a German physicist. In his paper published in 1827 he proposed to use the hydrodynamic model for electric current for explaining the empirical Ohm’s law discovered by him in 1826. This law can be written by using this formula:

A Tesla coil in the Canada Science and Technology Museum.

V = I·R,

where V is the difference of potentials, I is the electrical current, and R is the resistance.

An alternative definition of electric voltage describes it as a ratio of the work that an electric field performs in order to move an electric charge to the magnitude of this charge.

This definition can be expressed using this formula:

V = A / q

Similarly to the electric potential, voltage is also measured in volts (V) and decimal multiples and fractions — units derived from volt, such as microvolts (one millionth of a volt, μV), millivolts (one thousandth of a volt, mV), kilovolts (one thousand volts, kV), and megavolts (one million volts, MV).

Voltage of one volt is equivalent to the voltage of an electric field that performs work of one joule to move a charge of 1 coulomb. We can define a volt by using other SI units as follows:

V = kg•m²/(A•s³)

Voltage can be generated by different sources such as biological systems and entities, electronic and mechanical devices, and even by various processes in the atmosphere.

The lateral line of a shark

An elementary unit for any biological system is a cell, which can be viewed as a small electrochemical generator. Some organs of living organisms such as the heart that are formed by many cells produce a higher voltage. It is interesting to note that different species of sharks, which are the perfect predators of the oceans and seas, have very sensitive sensors for voltage. These sensors are known as the lateral line, and they allow the sharks to detect their prey by its heartbeat. This mechanism is very reliable. While talking about voltage in the animal world, we should also mention electric rays and eels, who have developed a method to attack their prey and to fight off their predators by generating a voltage over 1000 V during the process of evolution.

People have been able to generate electricity and create the difference of potentials by rubbing a piece of amber with wool or fur for a long time, but a galvanic cell is considered to be the first device to generate electricity. It was created by the Italian scientist and physician Luigi Galvani, who discovered that the difference of potentials occurs when different metals and electrolytes come in contact with each other. Another Italian physicist, Alessandro Volta, continued and further developed this research. Volta was the first person in the world to submerge sheets of zinc and copper into acid, in order to generate direct electric current. Thus he created the first chemical source of electric current. He connected several of these sources in series to create the first chemical battery. It became known as a voltaic pile, and gave people an opportunity to generate electricity using chemical reactions.

Voltaic pile — a replica made in 1999 by Gelside Guatterini, an electrician at the Volta Museum in Como, Italy. Canada Science and Technology Museum

The unit for measuring voltage, a volt, as well as the term “voltage” itself are called so to commemorate the contributions of Volta in research of electrochemical and electrical phenomena. Thanks to him we now have reliable electrochemical sources of energy.

While talking about researchers who worked on creating devices to generate electricity, we should not forget the Dutch physicist Van de Graaff. He created a high voltage generator known now as the Van de Graaff generator. When generating electricity it uses the same principle of the division of charges that we facilitate when rubbing amber with wool or fur.

We can say that two outstanding American scientists Thomas Edison and Nikola Tesla were the fathers of modern electric generators. Tesla worked for Edison’s company, but the two researchers disagreed in their views on how to generate electrical energy and went separate ways. A patent war followed and the humanity benefited from it, thanks to the work of these two scientists. Edison’s reversible machines can be used as direct current generators and motors. There are billions of devices made today that use the mechanism employed in these reversible machines. We can find them under the hood of our car, in a power window regulator, or in a blender, among other devices. On the other hand, it was Tesla, who discovered ways to generate alternating current and the principle of transforming it. These discoveries are used by devices such as electric transformers, power lines that transport electricity over long distances, and others. There are multitudes of these devices as well, and they include many consumer electronics frequently used by us in daily life, such as fans, refrigerators, air conditioners, vacuum cleaners, and many other devices that we cannot describe here due to the scope of this article.

This direct current motor-generator set made by Westinghouse in 1904 was used to provide consistent power to generate a magnetic field in an exciter in Niagara Falls (New York) hydro-electric power plant built by Nikola Tesla and George Westinghouse.

Eventually scientists discovered other electric generators that use different principles, including those that employ the energy of nuclear fission. Some of these other generators are meant to serve as energy sources during long trips to the outer space.

If we do not consider some of the generators created for scientific research, we can say that the most powerful sources of electric energy on Earth are still the atmospheric processes.

More than 2000 lightning flashes occur every second close to the surface of the Earth. This means tens of thousands generators of Van de Graaf in nature generate currents of tens of kiloamperes simultaneously in the form of lightning. Yet, we cannot even start to compare the man-made generators on Earth with the electric storms that occur on the sister planet of Earth, Venus, and we will not even try to compare those to the storms on larger planets like Jupiter and Saturn.

Voltage can be characterized by its magnitude and its waveform. Depending on its behaviour through time we can define DC voltage that does not change with time, aperiodic voltage that changes with time, and AC voltage that changes with time following a specific law, and generally repeating at given intervals of time. Sometimes to achieve a given goal one may need both direct and alternating voltage. In this case we talk about alternating voltage with a DC component.

This voltmeter was used to measure voltage in the beginning of the twentieth century. Canada Science and Technology Museum in Ottawa

DC generators also known as dynamos or dynamo electric machines are used in electrical engineering to provide high power with relatively stable voltage. Precision electronic devices are used to provide electrical power and maintain constant voltage levels. They operate using electrical components and are also known as voltage regulators.

Measuring Voltage

Many branches of science and technology including fundamental physics and chemistry, applied electrical engineering and electrochemistry, as well as medicine widely use measurements of the voltage. It is hard to think of a discipline that does not employ the measurement of voltage to control various processes. These measurements are done by different types of sensors, which are in fact converters of measurements of various properties into voltage. Some exceptions to this are, or rather were, perhaps, some creative areas of human activity, such as architecture, music, or fine art. These days even musicians and artists use electronic devices that rely on voltage. For example, artists and designers may use electronic tablets with stylus pens. Voltage is measured in these tablets when the stylus is moved above the surface of the tablet. It is then converted into digital signals and sent to the computer for processing. Architects also use tablets as well as software like ArchiCAD on computers. Musicians and composers often work with electronic musical instruments. Voltage is measured in the sensors of the keys to determine the intensity with which the key was pressed.

The temperature of the meat is measured in the electronic thermometer on the left by measuring the voltage on the resistance temperature detector. This is done by supplying a small electric current through this sensor. On the other hand, the multimeter on the right determines the temperature by means of measuring the voltage produced by the thermocouple without supplying any current from an external power supply.

Units of voltage can change within a vast scope, from fraction of a microvolt when researching the biological processes, to hundreds of volts in consumer electronics and industrial machinery, and to tens of millions of volts in highly powerful particle accelerators. Measuring voltage allows us to monitor and control some of the functioning of certain internal organs of humans. To map the functioning of the brain, for example, we record an electroencephalogram. To understand how the heart works we record an electrocardiogram or echocardiogram of the heart muscle. With the help of various industrial sensors we can successfully and more importantly — safely — control different processes that occur during chemical production. Some of these processes occur at extreme pressure and temperatures, and because of this safety is a major concern. By measuring voltage we can even monitor processes at nuclear power plants that occur during nuclear reactions. Engineers also maintain bridges and structures in good repair by measuring voltage, and can even prevent or lessen the devastating effects of an earthquake.

Just like a voltmeter, a pulse oximeter measures the voltage of the amplified signal from a photodiode. However, compared to the voltmeter, this device displays the percentage of the saturation of the hemoglobin with oxygen, 97% in this example, and not the voltage as measured in volts.

A brilliant idea to link different values of voltage to the logic levels of signals gave rise to the creation of modern digital technologies. For example, in information technology a low voltage represents the logic low (0), while high voltage represents the logic high (1).

We could say that all modern devices in computer and electric engineering in some way measure voltage, and then convert their input logic states using specific algorithms, to produce output signals in the format required.

Besides, accurate voltage measurements are the basis for many of the modern safety standards. Following these standards as prescribed ensures safety during the use of the device.

A memory card that is used in personal computers contains tens of thousands of logic gates.

Instruments for measuring voltage

Throughout history, as we learned more about the world around us, our methods of measuring voltage evolved from the primitive organoleptic methods. An example of such methods includes the work of the Russian scientist Petrov who cut away some of the epithelium on his fingers to increase his sensitivity to electric current. These methods evolved to simple detectors and indicators of voltage, and then to modern devices with various modes of operation that use the electrodynamic and electric properties of materials and substances.

Taste of electricity: a long time ago when voltmeters were not as widely available and inexpensive, we used to determine voltage by taste

It is interesting to note that in the past when the modern measuring devices such as multimeters were not easily accessible to the general public, radio electronics enthusiasts could tell a working 4.5 volt lantern battery from one that was losing its charge. They did that by simply licking the electrodes. Electrochemical processes that happened when they did that caused a slight feeling of burning and gave the battery a certain taste. Some individuals even attempted to determine whether or not 9 volt batteries were good to use, but this took quite a bit of courage because the sensation was very unpleasant.

Let us consider an example of a simple indicator or a voltage tester — an ordinary incandescent lamp with voltage not lower than the mains voltage. These days you can also buy simple voltage testers that are based on neon lamps and LEDs and consume low currents. When working with electricity, you always have to exercise care, because any mistakes, especially when using DIY devices can be life-threatening!

We should note that voltmeters, which are devices for measuring voltage, can differ from each other considerably, the most notable difference being in the type of voltage measured. Analog voltmeters, for example, can measure either DC voltage or AC voltage. The properties of the voltage measured is very important during the measuring process. It could be a function of time and be of a different type, such as being direct, harmonic, aharmonic, pulse signals, and so on.

The following types of voltage are most common:

  • instantaneous voltage,
  • peak-to-peak voltage,
  • average voltage also known as mean voltage,
  • root mean square voltage.

The instantaneous voltage Ui (in the illustration) is the magnitude of voltage at a given moment in time. We can monitor voltage in time on the screen of an oscilloscope and determine the voltage for a given moment in time by examining the trace.

The peak or amplitude voltage value Ua is the highest instantaneous value of voltage for a given period. The peak-to-peak amplitude Up-p is the difference between the maximum positive and the maximum negative amplitudes of a waveform.

A root mean square (RMS) value of voltage U is calculated as a square root of the arithmetic mean of the squares of instantaneous voltages within a given period of time.

All digital and analog voltmeters are usually calibrated to read RMS.

The average value of voltage (the DC component) is the arithmetic mean of all of its instantaneous values for the period during which measurement occurs.

Half-period average voltage is calculated as the arithmetic mean of the absolute instantaneous values for the voltage samples for the given time period.

The difference between the maximum and the minimum values of voltage is known as the signal swing.

These days voltage is often measured by using multipurpose digital devices like oscilloscopes. Their screen can show various important characteristics of the signal, not only the voltage waveform. These characteristics include frequency of periodic signals being measured. It is worth noting that the frequency limit is a very important characteristic of any voltage measurement device.

Measuring Voltage with an Oscilloscope.

We can illustrate the discussion above by several experiments for measuring voltage. We will use a function signal generator, a DC power supply, an oscilloscope, and a multifunctional digital measuring device (multimeter).

Experiment 1

Below is the setup of experiment 1:

The signal generator is connected to the resistor with resistance R of 1 kiloohm. Probes of the oscilloscope and the multimeter are connected in parallel to the resistor. As we conduct this experiment we should keep in mind that the bandwidth of the scope is much higher than the bandwidth of the multimeter. First we will try experiment one.

Test 1: Let us apply a sinusoidal signal with the frequency of 60 Hz and amplitude of 4 volt from the generator to the load resistor. The oscilloscope screen will display the trace as in the photo below. We should note that the value of each vertical division on the oscilloscope screen is 2 V. Both the oscilloscope and the multimeter will show the RMS as 1.36 V.

Test 2: Let us double the amplitude of the signal of the generator. The amplitude on the oscilloscope and on the multimeter will double:

Test 3: Now let us increase the frequency of the generator by 100 times (to 6 kHz). The frequency on the oscilloscope will change but the amplitude and RMS will stay the same. The RMS value that the multimeter will be incorrect — this is caused by the multimeter bandwidth limit of only 0—400 Hz.

Test 4: Let us try the original frequency of 60 Hz and voltage of 4 V for the signal generator, but change the voltage waveform of the signal from sine to triangle. The scale on the oscilloscope will stay the same, but the value shown on the multimeter will decrease compared to the value for voltage that it showed in test 1. This happened because the RMS of the signal changed.

Experiment 2

We will use the same setup for experiment 2 as we used for experiment 1.

Let us turn the offset knob of the signal generator to add a 1 V DC offset to our 4 Vp-p sine signal. We will set the sine voltage on the signal generator as 4 V with the frequency of 60 Hz, just like in experiment 1. The signal on the oscilloscope will be shifted up by half of a division. The multimeter will display the RMS value of 1.33 V, which is almost the same as in test 1 of experiment 1 because in the AC measurement mode it has an AC-coupled input and cannot measure the DC component. The trace on the DC-coupled oscilloscope will be similar to the one in test 1 of experiment 1, but will be shifted up by one division. The RMS value measured by the scope will be higher than in test 1 of experiment 1 because the RMS value of the sum of the DC and AC voltages is higher than the RMS value for the signal without the DC component:

Safety Guidelines for Measuring Voltage

Depending on the safety features in place in the room or in the building even low voltages of 12 — 36 volts may be deadly. Therefore when working with electricity in general and when measuring voltage in particular it is paramount to follow these safety guidelines:

  1. If you do not have special training in working with high voltages, do not measure voltage that is higher than 1000 V.
  2. Do not measure voltage in difficult to reach or high places.
  3. Use special protective equipment such rubber gloves, rugs, and boots when measuring mains voltage.
  4. Use measuring devices that work correctly and avoid broken ones.
  5. When working with multifunctional devices such as multimeters, make sure that the function and range are set correctly.
  6. Do not use measuring devices with damaged probes.
  7. Follow the manufacturer’s guidelines for the measuring device.

References

Artykuł został napisany przez Sergey Akishkin.

Do you have difficulty translating a measurement unit into another language? Help is available! Post your question in TCTerms and you will get an answer from experienced technical translators in minutes.

www.translatorscafe.com

Как перевести кВА в кВт, формула перевода кВА в кВт | Разница кВА и кВт ? Статьи

Воспользуетесь переводом значений на основе приведенного ниже примера:

Перевод кВА в кВтнапример, 10 кВА * 0,8 = 8 кВт
Перевод кВт в кВАнапример,  8 кВт /0,8 = 10 кВА
Разница кВА и кВт | В чем отличие кВА от кВт

Как перевести кВА в кВт | Перевод кВА в кВт

Говоря языком потребителя: кВт - полезная мощность, а кВА - полная мощность. кВА-20%=кВт или 1кВА=0,8кВт. Для того, чтобы перевести кВА в кВт, требуется от кВА отнять 20% и получится кВт с малой погрешностью, которую можно не учитывать.

К примеру, на бытовом стабилизаторе напряжении указана мощность 10кВа, а вам требуется перевести данные показаний в кВт, следует 10кВа * 0,8=8кВт или 10кВа - 20%=8кВт. Таким образом, для перевода кВА в кВт, применима формула:

P=S * Сosf, где P-активная мощность (кВт), S-полная мощность (кВА), Сos f- коэффициент мощности.
Как перевести кВт в кВа

Теперь разберем как получить полную мощность (S) указанную в кВА. Например, на портативном генераторе указана мощность 8 кВт, а вам требуется перевести данные показаний в кВА, следует 8кВт / 0,8=10кВА. Таким образом для перевода кВт в кВА, применима формула:

S=P/ Сos f, где S-полная мощность (кВА), P-активная мощность (кВт), Сos f- коэффициент мощности.

Более подробную справочную информацию вы можете получить по телефону или e-mail, наши специалисты проконсультируют Вас в рабочее время.

energozapad.ru

Как передается электроэнергия потребителям по сети 0,4 кВ

Способы передачи электрических мощностей между высоковольтным оборудованием предприятий энергетики коротко изложены в предыдущей статье. А здесь рассмотрим работу схем низшего напряжения.

Линии электропередач

Преобразования высоковольтной энергии в сеть 0,4 кВ заканчиваются в трансформаторах с выходным напряжением 380/220 вольт. От них электричество поступает по кабельным или воздушным линиям к потребителям. Причем кабель чаще всего используется там, где нельзя устанавливать инженерные сооружения — опоры.

Кабельные линии при эксплуатации создают в сети реактивную нагрузку емкостного характера, которая на протяженных маршрутах сильно влияет на качество электроэнергии, изменяя cosφ схемы. На коротких расстояниях кабель может работать как компенсация потерь электроэнергии от индуктивных нагрузок, создаваемых мощными электродвигателями.

Воздушные ЛЭП используются для питания удаленных потребителей. Провода фаз воздушных линий разнесены между собой на значительное расстояние. Они практически не создают реактивное сопротивление.

На фото ниже показана опора линии 0,4кВ с обычными проводами в сельской местности. Это уже устаревшая, но довольно надежная конструкция.

Сейчас в стране идет массовая замена проводов на самонесущие изолированные устройства, которые обладают большей безопасностью, уменьшают предпосылки воровства электричества. При реконструкции старых линий часто проводят замену отработавших свой ресурс опор.

На фотографии показана воздушная ЛЭП с самонесущими проводами в жилом секторе.

По каким схемам производится передача электроэнергии потребителю в сети 0,4 кВ

Безопасность эксплуатации электрического оборудования во многом зависит от способа его подключения к контуру заземления.

Во время прошлого столетия в стране использовалась схема питания потребителей, которую принято обозначать индексами TN-C. Это самая дешевая и опасная система заземления. От нее сейчас избавляются, но это дорогостоящий и длительный процесс.

ГОСТ-ом Р 50571.2-94 определены системы заземления, которые классифицируют: IT, TT, TN-S, TN-C, TN-C-S.

В схеме I-T нулевой провод трансформатора не зеземляется и поступает напрямую к распределительному устройству потребителей электроэнергии.

У системы Т-Т нулевая клемма трансформатора заземлена. Корпуса всех электроприемников в обеих схемах по требованиям безопасности должны быть подключены к контуру заземления здания, где они размещены.

Система TN-C использует зануление корпусов приборов без подключения их к контуру заземления. При таком способе в случае пробоя изоляции электроприемника на корпус создается короткое замыкание, которое ликвидируется защитными автоматами или предохранителями.

Система TN-C-S более безопасна. У нее задействован контур заземления здания, в котором работают электрические приборы. Во время повреждения их изоляции создаются токи утечки на контур земли через РЕ-проводники. Неисправность схемы отключается УЗО либо дифавтоматами.

Система TN-S предусматривает подключение корпусов электроприборов к заземляющему контуру трансформаторной подстанции по отдельной фазе ЛЭП. Это самое дорогое решение, но наиболее безопасное. Техническое состояние трансформаторной подстанции с линиями электропередач, включая электрическое сопротивление контура заземления, периодически замеряется специалистами и всегда поддерживается в исправном состоянии.

Потери при передаче электроэнергии в электрических сетях

Во время транспортировки электрической энергии часть ее расходуется на сопутствующие процессы, например, на нагрев металла проводников, создание реактивных мощностей, утечки через изоляцию. Они связаны с технологией передачи электричества потребителям.

Кроме технологических потерь недополучение электроэнергии может быть связано:

  • с обыкновенными хищениями;

  • ошибками приборов учета;

  • неправильными расчетами подразделениями энергосбыта.

Международные эксперты определили, что относительная величина потерянной энергии от произведенной должна быть до 5%. По статистике этот показатель у государств Западной Европы ограничен 7%, для России он колеблется в пределах 11 - 13%, а в Беларуси — 11,13%.

Анализом технических потерь определено, что 78% их происходит в электросетях с напряжением 110 кВ и ниже, причем 33,5% выявлено в сетях 0,4÷10 кВ.

Причины технологических потерь

Правила выбора сечения тоководов

Тепловые выделения электропроводов напрямую связаны с их электрическим сопротивлением. Заниженное поперечное сечение увеличивает его и создает дополнительные затраты электроэнергии.

При соединениях проводов используются разные технические приемы. Следует понимать, что при наложении двух металлических поверхностей токопроводов через площадку их соприкосновения протекает электроток. В месте такого контакта возникает переходное сопротивление.

У линейных контактов оно меньше, чем у точеных, но больше, чем у поверхностных.

Состояние контактов

На состояние переходного сопротивления влияют:

  • вид металла соединяемых деталей;

  • чистота контактных поверхностей и качество их обработки;

  • величина «ужима» и ряд других факторов.

Электрическая энергия при транспортировке проходит сквозь огромное количество контактных соединений. Поддержание их в хорошем, исправном состоянии снижает потери, а небрежные приемы монтажа обеспечивают затраты. Чтобы их снизить в процессе эксплуатации проводят периодические профилактические работы, а в интервалах между ними осуществляют визуальное наблюдение за тепловыми выделениями внутри контактных соединениях с помощью тепловизоров.

Компенсация потерь электроэнергии от реактивных мощностей

Для повышения качества передачи электрической энергии проводится регулирование напряжения компенсирующими устройствами с созданием допустимого резерва. При таком способе генерируемые мощности суммируются с мощностями компенсирующих устройств. Основные возможности компенсации показаны на рисунке.

Компенсация потерь электроэнергии особенно актуальна на предприятиях с большим количеством асинхронных двигателей.

Способы снижения потерь

Предприятия, предоставляющие услуги по передаче электроэнергии, заинтересованы в ее качестве. Оно достигается:

  • сокращением протяженности ЛЭП;

  • применением трехфазных линий по всей длине;

  • заменой открытых проводов на самонесущие изолированные конструкции;

  • использованием проводников с максимально допустимым сечением для пропуска критических нагрузок;

  • реконструкцией трансформаторного оборудования на устройства с меньшими активными и реактивными потерями;

  • дополнительным монтажом в схемы 0,4 кВ трансформаторов, снижающих протяженность ЛЭП и потери мощности в них;

  • внедрением средств автоматизации и телемеханики;

  • использованием новых средств измерения с улучшенными метрологическими характеристиками и повышением точности их обработки.

electrik.info

Основные термины и понятия в электрике

Жизнь в современном обществе нельзя представить без использования электричества. Не будет большим преувеличением сказать, что оно входит в список самых необходимых потребностей человека наряду с пищей и водой. Когда вечером пропадает свет в доме, человек уже начинает в панике думать, что ему делать, как скрасить свой досуг в оставшийся день, и зачастую не находит другого выхода, кроме как идти спать.

Путь электричества к розетке долог: от электростанций по высоковольтным линиям – к трансформаторным подстанциям, от них – через воздушные и подземные кабельные линии – на вводные устройства вашего дома, в котором, проходя по паутине проводов через групповые и распределительные щиты, электричество включает ваш компьютер.

Эта статья ознакомит вас с азами электричества. В кого-то вселит уверенность в себя, как будущего электрика, а кому-то подскажет, что лучше ремонт электропроводки дома оставить профессионалам. Ведь от того, насколько правильно вы сделаете ремонт электроустановки, будут зависеть комфорт и безопасность вашей жизни и  жизни ваших соседей.

Электрический ток – это направленное движение отрицательно заряженных частиц (электронов) в замкнутой электрической цепи. Интенсивность протекания электроэнергии по проводнику называют током. Ток измеряют в Амперах (А).

Электрический ток проводят все вещества на свете, но проводимость у всех разная. Вещества, имеющие высокую проводящую способность, называют проводниками. Вещества, имеющие проводящую способность на порядки ниже, называют диэлектриками.

Обязательным условием возникновения тока (в школе мы его знали, как силу тока) является источник электрической энергии, а также разность потенциалов между полюсами источника. Напряжение – это и есть разность потенциалов источника электроэнергии. Напряжение измеряют в Вольтах (В).

В зависимости от материала, длины, а также сечения различные проводники имеют разные свойства, которые влияют на сопротивление проводника току. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).

Ещё один необходимый термин – это мощность. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).

Читать еще:  Обзор 15 лучших сварочных инверторов для дома и дачи

Основные формулы расчёта электрических цепей

Для выбора источника электроэнергии, проводника и пр. выполняются расчёты:

Закон Ома устанавливает связь между током (I), напряжением (U) и сопротивлением (R). Ток, протекающий в цепи, прямо пропорционален напряжению на концах участка цепи и обратно пропорционален сопротивлению этой цепи: I=U/R.

Для оценки энергетических возможностей выполнения работы в электрических цепях (т.е. электрической мощности (Р)) используется следующая формула: P=I*U*cosф, где cosф – это коэффициент индукционной составляющей мощности; учитывается, когда в цепи есть потребители индуктивной электроэнергии (дроссели, катушки, дроссельные светильники); в остальных случаях этот коэффициент равен 1  и формула принимает следующий вид: P=I*U.

Аварийные режимы работы электросети

Каждый из нас сталкивался со случаем, когда, например, лампочка начинает «моргать» или становится слишком тусклой (слишком яркой). Многие ничего не предпринимают и надеются на то, что «болячка» сама вылечится. Для обзора отклонения работы электрической сети от нормального состояния будет использовано понятие номинального значения тока (напряжения). Номинальное значение тока (напряжения) – это его значение при нормальном (безаварийном) режиме работе электрической сети. Рассмотрим возможные варианты аварийной работы сети.

Короткое замыкание

Это явление наблюдается, когда ток достигает значений, превышающих номинальное, в 10 и более раз за короткий промежуток времени (секунды, доли секунды). При этом тепло, выделяемое при прохождении тока через проводник, достигает значений, превышающих нормальное, в 100 и более раз. Короткое замыкание является следствием замыкания фазного и нулевого проводников в однофазной цепи (фазного и фазного/нулевого проводников – в трёхфазной цепи). Последствия этого замыкания в лучшем случае – это разрыв цепи вследствие разрушения электропроводки, выход из строя электроприборов, а в худшем – пожар. Внешним признаком короткого замыкания может быть очень яркая вспышка света лампы накаливания. В этом случае необходимо обесточить возможный участок замыкания (в квартире или коттедже – основной автомат в электрощите).

Перегрузка сети

Причиной перегрузки является неспособность электроцепи или её участка (проводка, включатели, розетки и пр.) нормально (без перегрева, разрушения и т.д.) работать вследствие прохождения через них тока, превышающего допустимые значения для данной электроцепи (её участка). Следствием перегрузки являются: нагревание проводников (розеток, выключателей и пр.) до горячего состояния (небольшой нагрев обычно допускается), запах горелой проводки, оплавление, разрыв цепи, огонь. При перегрузке цепи необходимо отключить лишние электроприборы, либо обесточить всю сеть. Для того, чтобы сеть не перегружалась, необходимо подключать к сети те приборы, на которые она рассчитана.

Читать еще:  Как заменить электропроводку в квартире и доме

Скачок тока

Наблюдается, когда значение тока на короткий промежуток времени (доли секунды) превышает своё номинальное значение в 3-5 раз. Может быть следствием коммутации электроприборов (носит кратковременный характер). Многие из нас, наверное, были в ситуации, когда при включении света (светильника с лампой накаливания) лампа перегорала. Это происходит в результате того, что через нить накаливания прошёл ток, превышающий значение номинального. Явление естественное. Если постоянно происходит, например, перегорание лампы, то стоит подумать о замене её на другой тип ламп, либо установить специальные приборы защиты.

Слабый ток

Частой причиной этому может быть частичный разрыв цепи, замыкание на корпус. При этом в цепи появляется дополнительное сопротивление, ограничивающее ток. Показателем этому может быть слабое свечение лампы накаливания. В таком случае необходимо провести диагностику электросети и выполнить ремонт.

Скачок напряжения

Может быть следствием, например, удара молнии. При этом значения напряжения будут превышать номинальное в десятки, сотни и даже тысячи раз. Следствием такого скачка может быть выход из строя электроприборов, подключенных к сети. Защитить электросеть от скачков напряжения можно установкой специальных устройств.

Может быть следствием частичного разрыва электроцепи. Также может быть следствием коммутации электроприборов (носит кратковременный характер). Длительная эксплуатация электроприборов с таким напряжением может быть причиной выхода их из строя. В случае, если диагностика сети выявила, что причина во внешнем источнике (то есть к электрощиту уже подходит низкое напряжение), то можно решить проблему установкой специальных устройств.

Важно! Стоит помнить, что многие электроприборы если и допускают работу с неноминальными значениями напряжения (см. характеристики приборов), то кратковременную. Поэтому в случае возникновения аварийного режима необходимо обесточить сеть для того, чтобы избежать дорогостоящего ремонта или замены не только проводки, розеток и пр., но и бытовых электроприборов. В некоторых случаях можно избежать более тяжёлых последствий всего лишь вовремя отключив электроприбор (нагрузку) от сети, так как именно наличие включенного прибора в электроцепи вызывает увеличение тока и, как следствие, более быстрое разрушение (выгорание) электропроводки и пр.

Читать еще:  Электропроводка в деревянном доме своими руками

Что делать, если «пропал свет»?

В первую очередь необходимо проверить, пропало ли электричество во всей квартире (коттедже), либо перегорела лампа, выключатель сгорел и т.п. Для этого попробуйте включить свет в соседней комнате.

Не включается? Посмотрите в квартирном (главном) электрощите, не выбило ли пробки, не вырубило ли автоматические выключатели и т.п. В случае, если сработал автоматический выключатель, читайте тут. Включив свет, необходимо озаботиться поиском причины срабатывания автоматической защиты и в кратчайшие сроки выявить и устранить неисправность.

Если же причина не найдена, посмотрите, «крутит» ли счётчик (в том числе соседский). Зайдите к соседям, уточните, если у них свет. Также можно выйти на улицу и, если было отключение электричества во всём районе, это будет заметно (в тёмное время суток).

Для проверки наличия напряжения в сети используются специальные приборы, о которых можно прочитать тут. Если же причина отключения так и не выяснена, вызывайте электрика.

Заключение

Многое из того, что можно было бы рассмотреть в этой статье, будет описано в других. Автор постарается наиболее полно описать все стороны многогранной области строительства и ремонта – электроснабжение квартир, коттеджей, бань и т.д.

В заключение ко всему вышесказанному стоит подчеркнуть то, что электрика ошибок не прощает и поэтому если вы не уверены в том, что делаете всё правильно, обратитесь к специалистам, дешевле будет.

tolkostroyka.ru


Смотрите также