Напряжение — скалярная физическая величина, характеризующая разность электрических потенциалов между двумя точками электрического поля; численно равно работе электрических сил по перемещению единичного положительного заряда между этими точками. Обозначается U (реже V), единица измерения в СИ — вольт (В). Напряжение определяет, насколько «сильно» электрическое поле побуждает заряды перемещаться.
Типичные уровни напряжения ⚡
Ниже приведены ориентировочные значения для распространённых источников и систем. Реальные диапазоны зависят от стандартов, режима работы и допустимых отклонений.
| Источник / Система | Тип (DC/AC) | Номинал | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Щелочная батарейка AA | DC | 1,5 В | Падает по мере разряда |
| Порт USB | DC | 5 В | USB-C PD: 5–20 В в профилях |
| Аккумулятор автомобиля | DC | 12 В | При работе генератора ~13,8–14,4 В |
| Ноутбучный блок питания | DC | 19–20 В | Зависит от модели |
| Бытовая сеть (Европа/Россия) | AC | 230 В (RMS) | Частота 50 Гц; допуск обычно ±10 % |
| Бытовая сеть (Северная Америка) | AC | 120 В (RMS) | Частота 60 Гц |
| Фотоэлемент (солнечная панель) | DC | 0,5–0,6 В на элемент | Собирают в модули и строки |
| ЛЭП высокого напряжения | AC/DC | 110–750 кВ и выше | Для передачи на большие расстояния |
| Разряд молнии | Импульс | МВ (миллионы вольт) | Кратковременный импульс |
Физический смысл и связи с другими величинами 📏
Напряжение связывает работу электрического поля A и заряд q соотношением U = A / q. Для однородного поля между параллельными пластинами расстоянием d справедлива оценка E ≈ U / d, где E — напряжённость электрического поля. В цепях сосредоточенных элементов напряжение связано с током и сопротивлением законом Ома: U = I·R для участка цепи. В замкнутых контурах действует закон Кирхгофа для напряжений: алгебраическая сумма падений напряжений равна нулю.
Виды напряжения 🔌
- Постоянное (DC): величина и полярность во времени неизменны или меняются медленно. Источники — батареи, аккумуляторы, стабилизированные блоки питания.
- Переменное (AC): величина и полярность периодически меняются. В бытовых сетях близко к синусоидальному; используют эффективное значение (RMS). Для синуса URMS = Uпик/√2; мощность в активной нагрузке P = URMS·IRMS.
- Импульсное: последовательность кратковременных импульсов (ШИМ, цифровые сигналы), характеризуется амплитудой, длительностью и скважностью.
Источники и преобразование
Основные источники напряжения: химические (батарейки, аккумуляторы), электромеханические (генераторы), фотоэлектрические (солнечные панели), термоэлектрические, пьезоэлектрические. Преобразование осуществляется выпрямителями (AC→DC), инверторами (DC→AC), преобразователями DC-DC (понижающими/повышающими), а также трансформаторами (изменение уровня AC).
Падение и распределение напряжения
В реальных цепях часть напряжения «теряется» на сопротивлениях проводников и контактах — это падение напряжения. Для последовательного соединения суммарное напряжение равно сумме падений на элементах, для параллельного — напряжение на ветвях одинаково. В переменном токе на реактивных элементах (C, L) напряжение и ток сдвинуты по фазе; импеданс Z определяет соотношение комплексных амплитуд U и I.
Измерение напряжения 🧰
- Вольтметр/мультиметр: подключается параллельно участку; важно выбрать диапазон и тип (AC RMS/DC). Высокое входное сопротивление уменьшает влияние на измеряемую цепь.
- Осциллограф: визуализирует форму сигнала, амплитуду и частоту; для высоких потенциалов применяют делители и зондовые делители 10×/100×.
- Логические пробники и компараторы: контроль порогов в цифровых схемах; для высоких напряжений — специализированные высоковольтные пробники.
Работа, энергия и мощность
Напряжение определяет работу при переносе заряда: W = U·Q. Мгновенная мощность p(t) = u(t)·i(t); для постоянного тока P = U·I. В AC-цепях различают активную P и реактивную Q мощность, коэффициент мощности cos φ, а также полную мощность S = URMS·IRMS.
Качество и стабильность напряжения
Отклонения уровня (просадки и всплески), пульсации и шум влияют на работу устройств: от мерцания освещения до сбоев электроники. Для повышения качества используют стабилизаторы, фильтры, ИБП, корректоры коэффициента мощности. В энергосетях нормы задают допустимые отклонения (например, 230 В ±10 %).
Электрическая безопасность 🚫
- Изоляция и безопасные уровни: в практике низковольтной безопасной (SELV) считают цепь до примерно 25 В AC (RMS) или 60 В DC — при сухих условиях и исправной изоляции.
- Правильные средства измерения: используйте приборы с соответствующей категорией перенапряжения (CAT II–IV) и исправными щупами.
- Разряд конденсаторов и блокировочные ключи: даже после отключения питания на емкостях может сохраняться опасный заряд.
Связанные понятия и законы
Электрический потенциал — скалярная функция, разность которой и образует напряжение. Электродвижущая сила (ЭДС) — напряжение источника в разомкнутой цепи, обусловленное неэлектростатическими силами (химическими, механическими и др.). Закон Кирхгофа для напряжений описывает баланс энергии в замкнутом контуре; совместно с законом Ома позволяет рассчитывать распределение напряжений в сложных схемах.
Практические соотношения и оценки
Сопротивление из проводимости: R = ρ·l/S; падение напряжения на проводе оценивают как U = I·R с учётом длины туда-обратно. В длинных линиях переменного тока учитывают реактивные параметры (индуктивность и емкость), волновое сопротивление и сдвиг фаз. Для цифровых интерфейсов важны уровни логических «0» и «1», помехоустойчивость, скорость фронтов и согласование линий.
Символика и обозначения 🔤
Чаще всего используют букву U (от немецкого «Unterschied» — разность) и символ V (величина напряжения). Кратные и дольные единицы: мкВ (10⁻⁶ В), мВ (10⁻³ В), кВ (10³ В), МВ (10⁶ В). На схемах полярность помечают «+» и «–»; для AC указывают эффективное значение и частоту (например, 230 В, 50 Гц).