Под электрическим напряжением понимают работу, совершаемую электрическим полем для перемещения заряда напряженностью в 1 Кл (кулон) из одной точки проводника в другую.
Как возникает напряжение?
Все вещества состоят из атомов, представляющих собой положительно заряженное ядро, вокруг которого с большой скоростью кружатся более мелкие отрицательные электроны. В общем случае атомы нейтральны, так как количество электронов совпадает с числом протонов в ядре.
Однако если некоторое количество электронов отнять из атомов, то они будут стремиться притянуть такое же их количество, формируя вокруг себя плюсовое поле. Если же добавить электронов, то возникнет их избыток, и отрицательное поле. Формируются потенциалы – положительный и отрицательный.
При их взаимодействии возникнет взаимное притяжение.
Чем больше будет величина различия – разность потенциалов – тем сильнее электроны из материала с их избыточным содержанием будут перетягиваться к материалу с их недостатком. Тем сильнее будет электрическое поле и его напряжение.
Если соединить потенциалы с различными зарядами проводников, то возникнет электрический – направленное движение носителей заряда, стремящееся устранить разницу потенциалов. Для перемещения по проводнику зарядов силы электрического поля совершают работу, которая и характеризуется понятием электрического напряжения. 
В чем измеряется
Температуры;
Виды напряжения
Постоянное напряжение
Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический в этом случае имеет одно направление и является постоянным.
Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.
При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки. Применяют сети , когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).
Переменное напряжение
Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.
Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.
Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.
Так получается за счет того, что возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.
Состоит из четырех проводов – трех фазных и одного нулевого. напряжение между проводами нулевым и фазным равно 220 В и называется фазным. Между фазными напряжение также существует, называется линейным и равно 380 В (разность потенциалов между двумя фазными проводами). В зависимости от вида подключения в трехфазной сети можно получить или фазное напряжение, или линейное.
Общие сведения. Необходимость измерения напряжения на практике возникает очень часто. В электротехнических и радиотехнических цепях и устройствах чаще всего измеряют напряжение постоянного и переменного (синусоидального и импульсного) тока.
Напряжение постоянного тока (рис. 3.5, а ) выражается, как . Источниками такого напряжения являются генераторы постоянного тока и химические источники питания.
Рис. 3.5. Временные диаграммы напряжений: постоянного (а), переменного синусоидального (б) и переменного импульсного (в) тока
Напряжение переменного синусоидального тока (рис. 3.5, б
) выражается как 
и характеризуется среднеквадратичным и амплитудным значениями:
Источниками такого напряжения являются низко- и высокочастотные генераторы , электросеть.
Напряжение переменного импульсного тока (рис. 3.5 в ) характеризуется амплитудным и средним (постоянная составляющая) значениями напряжения. Источником такого напряжения являются импульсные генераторы с сигналом разной формы.
Основной единицей измерения напряжения является вольт (В).
В практике электротехнических измерений широко используются дольные и кратные единицы:
Киловольт (1 кВ - В);
Милливольт (1мВ - В);
Микровольт (1 мкВ - В).
Международные обозначения единиц измерения напряжения приведены в Приложении 1.
В каталоговой классификации электронные вольтметры обознача-ются следующим образом: В1 — образцовые, В2 — постоянного тока, ВЗ — переменного синусоидального тока, В4 — переменной) импульс-ного тока, B5 — фазочувствительные, В6 — селективные, В7 — уни-версальные.
На шкалах аналоговых индикаторов и на лицевых панелях (на пе-реключателях пределов) отечественных и зарубежных электронных и электромеханических вольтметров применяются следующие обо-значения: V — вольтметры, kV — киловольтметры, mV — милливольт-метры, V — микровольтметры.
Измерение напряжения постоянного тока. Для измерения напря-жения постоянного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.
Электромеханические вольтметры непосредственной опенки измеряемой величины составляют большой класс приборов аналого-вого типа и имеют следующие достоинства:
Возможность работы без подключения к источнику питания;
Малые габаритные размеры;
Меньшая цена (по сравнению с электронными);
Простота конструкции и удобство эксплуатации.
Чаще всего при электротехнических измерениях в сильноточных цепях используются вольтметры на основе электромагнитной и элек-тродинамической систем, в слаботочных цепях — магнитоэлектриче-ской системы . Поскольку все названные системы сами являются из-мерителями силы тока (амперметрами), то для создания на их основе вольтметров необходимо увеличить внутреннее сопротивление при-бора, т.е. подключить последовательно с измерительным механизмом добавочный резистор (рис. 3.6, а).
Вольтметр подключается к исследуемой цепи параллельно (рис. 3.6, б), и его входное сопротивление должно быть достаточно большим.
Для расширения диапазона измерения вольтметра также использу-ют добавочный резистор, который подключают к прибору последова-тельно (рис. 3.6, в).
Значение сопротивления добавочного резистора определяется по формуле:
 |
Рис. 3.6. Схема создания вольтметра на основе амперметра (а ), подключение вольтметра к нагрузке (6 ), подключение добавочного резистора к вольтметру (в )
(3.8)
Где — число, показывающее, во сколько раз расширяется предел измерения вольтметра:
где — исходный предел измерения;
— новый предел измерения.
Добавочные резисторы, размещенные внутри корпуса прибора, называются внутренними, подключенные к прибору снаружи — внешними. Вольтметры могут быть многопредельными. Между пределом измерения и внутренним сопротивлением многопредельного вольтметра существует прямая зависимость: чем больше предел измерения, тембольше сопротивление вольтметра.
Электромеханические вольтметры имеют следующие недостатки:
Ограниченный диапазон измерения напряжений (даже в многопредельных вольтметрах);
Малое входное сопротивление, следовательно, большое собственное потребление мощности из исследуемой цепи.
Этими недостатками электромеханических вольтметров обусловлено предпочтительное использование для измерения напряжения в электронике электронных вольтметров.
Электронные аналоговые вольтметры постоянного тока построены по схеме, представленной на рис. 3.7. Входное устройство состоит из эмиттерного повторителя (для увеличения входного сопро-тивления) и аттенюатора — делителя напряжения.
Преимущества электронных аналоговых вольтметров по сравнению с аналоговыми очевидны:
Рис. 3.7. Структурная схема электронного аналогового вольтметра постоянного тока
Широкий диапазон измерения напряжений;
Большое входное сопротивление, следовательно, малое собствен-ное потребление мощности из исследуемой цепи;
Высокая чувствительность благодаря наличию усилителя на входе прибора;
Невозможность перегрузок.
Вместе с тем электронные аналоговые вольтметры имеют ряд не-достатков:
Наличие источников питания, большей частью стабилизирован-ных;
Большая, чем у электромеханических вольтметров, приведенная относительная погрешность (2,5-6%);
Большие массогабаритные размеры, более высокая цена.
В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоян-ного тока применяются недостаточно широко, так как по своим пара-метрам заметно уступают цифровым вольтметрам.
Измерение напряжения переменного тока.
Для измерения напря-жения переменного тока используются электромеханические вольт-метры и мультиметры, электронные аналоговые и цифровые вольт-метры, электронные осциллографы.
Рассмотрим недорогие и достаточно точные электромеханиче-ские вольтметры. Делать это целесообразно по частотным диапазо-нам.
На промышленных частотах 50, 100, 400 и 1000 Гц широко приме-няются вольтметры электромагнитной, электродинамической, ферро-динамической, выпрямительной, электростатической и термоэлектри-ческой систем.
На низких частотах (до 15-20 кГц) применяются вольтметры вы-прямительной, электростатической и термоэлектрической систем.
На высоких частотах (до единиц — десятков мегагерц) используют-ся приборы электростатической и термоэлектрической систем.
Для электротехнических измерений широко используются универ-сальные приборы — мультиметры.
Мультиметры (тестеры, ампервольтомметры, комбинированные приборы) позволяют измерять множество параметров: силу постоянного и переменного тока, напряжение постоянного и переменного тока, сопро-тивление резисторов, емкость конденсаторов (не все приборы), некото-рые статические параметры маломощных транзисторов ( , , и ).
Мультиметры выпускаются с аналоговым и цифровым отсчетом.
Широкое использование мультиметров объясняется следующими ихпреимуществами:
Многофункциональность, т.е. возможность использования в каче-стве амперметров, вольтметров, омметров, фарадомеров, измерителей параметров маломощных транзисторов:
Широкий диапазон измеряемых параметров благодаря наличию нескольких пределов измерения по каждому параметру;
Возможность использования в качестве переносных приборов, поскольку отсутствует сетевой источник питания;
Небольшие массогабаритные размеры;
Универсальность (возможность измерения переменных и постоянных токов и напряжений),
Мультиметры имеют также ряд недостатков:
Узкий частотный диапазон применимости;
Большое собственное потребление мощности из исследуемой 1 цепи;
Большая приведенная погрешность у аналоговых (1,5; 2,5 и 4) и у цифровых мультиметров;
Непостоянство внутреннего сопротивления на различных пределах 4 измерения силы тока и напряжения.
По отечественной каталоговой классификации мультиметры имеют обозначение Ц43 и далее номер модели, например, Ц4352.
Для определения внутреннего сопротивления аналогового мультиметра на включенном пределе измерения в паспорте прибора может 1 быть приведено удельное сопротивление. Например, в паспорте тестера Ц4341 удельное сопротивление = 16,7 кОм/В, пределы измерения по напряжению постоянного тока составляют 1,5 — 3 — 6 — 15 В.
В этом случае сопротивление мультиметра на пределе 6 В постоянного тока определяют по формуле:
В паспорте прибора могут быть приведены сведения, необходимые для расчета сопротивления по закону Ома .
Если тестер используется как вольтметр, то его входное сопротивление определяется по формуле:
где - выбранный предел измерения;
Значение силы тока в выбранном пределе (указанное на задней пане ли прибора или в его паспорте).
Если тестер используется как амперметр, то его входное сопротив-ление определяется по формуле:
Где — выбранный предел измерения;
— значение напряжения, приведенное на задней панели прибора или в его паспорте.
Например, в паспорте тестера Ц4341 приведено падение напря-жения на приборе, равное 0,3 В в пределах 0,06 — 0,6 — 6 — 60 — 600 мА постоянного тока, и падение напряжения 1,3 В в пределах: 0,3 — 3 — 30 — 300 мА переменного тока. Входное сопротивление мультиметра в пределе 3 мА переменного тока составит
Электронные аналоговые вольтметры переменного тока по-строены по одной из структурных схем (рис. 3.8), которые различа-ются последовательностью расположения основных блоков - усили-теля и преобразователя (детектора) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Свойства этих вольтметров во многом зависят от выбранной схемы.
Рис. 3.8. Структурные схемы электронных аналоговых вольтметров переменного тока тина У—Д (а ) и типа Д—У (б)
Вольтметры первой группы - типа усилитель-детектор (У—Д) — имеют высокую чувствительность, что связано с наличием дополни-тельного усилителя. Поэтому все микро- и милливольтметры построе-ны по схеме У—Д. Однако частотный диапазон таких вольтметров неширок (до единиц мегагерц), так как создание широкополосного усилителя переменного тока связано с определенными трудностями. Вольтметры типа У—Д относятся к не универсальным (подгруппа ВЗ), т.е. могут измерять только напряжение переменного тока.
Вольтметры второй группы — типа детектор—усилитель (Д—У) -имеют широкий частотный диапазон (до единиц гигагерц) и низкую чувствительность. Вольтметры этого типа относятся к универсаль-ным (подгруппа В7), т.е. измеряют напряжение не только перемен-ного, но и постоянного тока; могут измерять напряжение значитель-ного уровня, так как обеспечить большое усиление с помощью УНТ несложно.
В вольтметрах обоих типов важную функцию выполняют преоб-разователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока — детекторы, которые по функции преобразования входного на-пряжения в выходное можно классифицировать на три типа: ампли-тудного, среднеквадратичного и средневыпрямленного значения.
От типа детектора во многом зависят свойства прибора. Вольт-метры с детектором амплитудного значения являются самыми высо-кочастотными; вольтметры с детектором среднеквадратичного значе-ния позволяют измерять напряжение переменного тока любой формы; вольтметры с детектором средневыпрямленного значения пригодны для измерения напряжения только гармонического сигнала и являют-ся самыми простыми, надежными и недорогими.
Детектор амплитудного значения представляет собой устройство, напряжение на выходе которого соответствует амплитудному значе-нию измеряемого сигнала, что обеспечивается путем запоминания на-пряжения на конденсаторе.
Чтобы цепь реальной нагрузки любого детектора эффективно от-фильтровывала полезный сигнал и подавляла нежелательные высоко-частотные гармоники, следует выполнить условие:
Или , (3.12)
где — емкость выходного фильтра;
— сопротивление нагрузки детектора.
Второе условие хорошей работы детектора:
На рисунке 3.9 приведены структурная схема и временные диа-граммы выходного напряжения детектора амплитудного значения с параллельным включением диода и закрытым входом. Детектор с за-крытым входом имеет последовательно включенный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую. Рассмотрим работу та-кого детектора при подаче на его вход синусоидального напряжения .
Рис. 3.9. Структурная схема детектора амплитудного значении параллельным включением диода и закрытым входом (а) и временные диаграммы напряжении (б) При поступлении положительной полуволны синусоиды конденса-тор С заряжается через диод VD, который в открытом состоянии имеет малое сопротивление .
Постоянная времени заряда конден-сатора мала, и конденсатор быстро заряжается до макси-мального значения . При смене полярности входного сигнала диод закрыт и конденсатор медленно разряжается через сопротивление на-грузки , которое выбирается большим — 50-100 МОм.
Таким обра-зом, постоянная разряда оказывается значительно больше периода синусоидального сигнала . В результате конденсатор остается заряженным до напряжения, близкого к 
.
Изменение напряжения на нагрузочном резисторе определяется разностью амплитуд входного напряжения и напряжения на кон-денсаторе 
.В результате выходное напряжение бу-дет пульсирующим с удвоенной амплитудой измеряемого напряжения (см. рис. 3.9, б).
Это подтверждается следующими математическими выкладками:
при , , при , при .
Для выделения постоянной составляющей сигнала вы-ход детектора подключен к емкостному фильтру, подавляющему всё остальные гармоники тока.
На основании изложенного следует вывод: чем меньше период ис-следуемого сигнала (чем больше его частота), тем точнее выполняется равенство , что объясняет высокочастотные свойства детектора. При использовании в работе вольтметров с детектором амплитудного значения следует иметь в виду, что эти приборы чаще всего градуиру-ются в среднеквадратичных значениях синусоидального сигнала, т.e показания индикатора прибора равны частному от деления амплитудного значения на коэффициент амплитуды синусоиды:
где — коэффициент амплитуды.
Детектор среднеквадратичного значения (рис. 3.10) преобразу-ет напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, про-порциональное квадрату среднеквадратичного значения измеряемого напряжения. Следовательно, измерение среднеквадратичного напряжения связано с выполнением трех операций: возведения в квадрат мгновенного значения сигнала, усреднения его значения и извлечение корня из результата усреднения (последняя операция обеспечивается градуировкой шкалы вольтметра). Возведение в квадрат мгновенного значения сигнала обычно осуществляется диодной ячейкой путем использования квадратичного участка его характеристики.
Рис. 3.10. Детектор среднеквадратичного значения: а — диодная ячейка; б — ВАХ диода
В диодной ячейке VD, R1 (см. рис. 3.10, а) постоянное напряжение приложено к диоду VD таким образом, что он оказывается закры-тым до тех пор, пока измеряемое напряжение () на резисторе R2 не превысит значение .
Начальный участок вольтамперной характеристики диода имеет малую протяженность (см. рис. 3.10, б), поэтому квадратичную часть искусственно удлиняют методом кусочно-линейной аппроксимации путем использования нескольких диодных ячеек.
При конструировании вольтметров среднеквадратичного значения возникают трудности с обеспечением широкого частотного диапазона. Несмотря на это такие вольтметры являются самыми востребованны-ми, так как ими можно измерять напряжение любой сложной формы.
Детектор средневыпрямленного значения преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, пропорциональное средневыпрямленному значению напряжения. Выходной ток измери-тельного прибора с таким детектором аналогичен выходному току вы-прямительной системы.
Напряжения переменного тока, действующие в электронных устройствах, могут изменяться во времени по различным законам. На-пример, напряжение на выходе задающего генератора связного радио-передатчика изменяется по синусоидальному закону, на выходе генера-тора развертки осциллографа импульсы имеют пилообразную форму, синхроимпульсы полного телевизионного сигнала прямоугольные.
На практике приходится проводить измерения в различных участ-ках схем, напряжения в которых могут отличаться по значению и по форме. Измерение напряжения несинусоидальной формы имеет свои особенности, которые необходимо учитывать, чтобы не допустить оши-бок.
Очень важно правильно выбрать тип прибора и способ пересчета показаний вольтметра в значение необходимого параметра измеряемо-го напряжения. Для этого необходимо четко представлять себе, каким образом производится оценка и сравнение напряжений переменного тока и как влияет форма напряжения на значения коэффициентов, свя-зывающих между собой отдельные параметры напряжения.
Критерием оценки напряжения переменного тока любой формы служит связь с соответствующим напряжением постоянного тока по одинаковому эффекту теплового действия (среднеквадратичное зна-чение U ), определяемое выражением
(3.14)
где — период повторения сигнала;
— функция, описывающая закон изменения мгновенного значения на-пряжения. Далеко не всегда в распоряжении оператора может оказаться вольт-метр, с помощью которого можно измерить нужный параметр напряжения. В таком случае необходимый параметр напряжения измеряется косвенно с помощью имеющегося вольтметра, с использованием коэффициентов амплитуды и формы . Рассмотрим пример расчета необходимых параметров напряжения синусоидальной формы.
Необходимо определить амплитудное () и средневыпрямленное () значения напряжения синусоидальной формы вольтметром, градуированным в среднеквадратичных значениях напряжения синусоидальной формы, если прибор показал .
Расчет выполняем следующим образом. Так как вольтметр градуирован в среднеквадратичных значениях , то в приложении 3 для дан-ного прибора показание 10 В соответствует прямому отсчету по шкале среднеквадратичного значения, т.е.
Переменное напряжение характеризуется средним, амплитудным) (максимальным) и среднеквадратичным значениями.
Среднее значение (постоянная составляющая) за период переменного напряжения:
(3.15)
Максимальное значение — это наибольшее мгновенное значение переменного напряжения за период сигнала:
Средневыпрямленное значение — это среднее напряжение на вы-ходе двухполупериодного выпрямителя, имеющего на входе перемен-ное напряжение :
(3.17)
Соотношение среднеквадратичного, среднего и максимального зна-чений напряжения переменного тока зависит от его формы и в общем виде определяются двумя коэффициентами:
(коэффициент амплитуды), (3.18)
(коэффициент формы). (3.19)
Значения этих коэффициентов для напряжений разной формы иих соотношения приведены в табл. 3.1
Таблица 3.1
Значения и для напряжений разной формы
 |
Примечание , - скважность: .
В ряде приборов напряжение оценивают не в абсолютных единицах измерения (В, мВ, мкВ), а в относительной логарифмической единице — децибеле (dB, или дБ). Для упрощения перехода абсолютных единиц в относительную и, наоборот, большинство аналоговых вольте метров (автономных и встроенных в другие приборы: генераторы, мультиметры, измерители нелинейных искажений) наряду с обычной шкалой имеют децибельную. Эта шкала отличается четко выраженной нелинейностью, что при необходимости позволяет получать результат сразу в децибелах, без соответствующих расчетов и применения таблиц перевода. Чаще всего у таких приборов нуль шкалы децибел соответствует входному напряжению 0,775 В.
Напряжение больше условного нулевого уровня характеризуется положительными децибелами, меньше этого уровня — отрицательными. На переключателе пределов каждый поддиапазон измерения отличается по уровню от соседнего на 10 дБ, что соответствует кратности по напряжению 3,16. Показания, снятые по шкале децибел, алгебраически складываются с показаниями на переключателе пределов измерения, а не перемножаются, как в случае абсолютного отсчета напряжений.
Например, переключатель пределов установлен на «- 10 dB», при этом стрелка индикатора установилась на отметку «- 0,5 dB». Суммар-ный уровень составит: ---- 10 + (- 0,5) = - 10,5 dB, И основу перевода напряжения из абсолютных значений в относительные положена формула
(3.20)
Где = 0,775В.
Поскольку бел — большая единица, то на практике применяют дольную (десятую) часть бела — децибел.
Импульсные и цифровые вольтметры. При измерении импульсных напряжений с малой амплитудой применяют предварительное усиление импульсов. Структурная схема аналогового импульсного вольтметра (рис. 3.11) состоит из выносного пробника с эмиттерным повторителем, аттенюатора, широкополосного предварительного усилителя, детектора амплитудного значения, усилителя постоянного тока (УПТ) и электромеханического индикатора. Вольтметры, реа-лизованные по этой схеме, непосредственно измеряют напряжения 1 мВ - 3 В с погрешностью ± (4 — 10)%, длительностью импульсов 1 - 200 мкс и скважностью 100 ... 2500.
Рис. 3.11.т Структурная схема импульсного вольтметра
Для измерения малых напряжений в широком диапазоне длитель-ностей (от наносекунд до миллисекунд) применяют вольтметры, рабо-тающие на основе автокомпенсационного метода.
Электронные цифровые вольтметры имеют существенные преиму-щества перед аналоговыми:
Высокая скорость измерений;
Исключение возможности возникновения субъективной ошибки оператора;
Малая приведенная погрешность.
Благодаря этим преимуществам цифровые электронные вольтмет-ры широко используются для измерения. На рисунке 3.12 приведена упрощенная структурная схема цифрового вольтметра.
Рис. 3.12. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство предназначено для создания большого вход-ного сопротивления, выбора пределов измерения, ослабления помех, автоматического определения полярности измеряемого напряжения постоянного тока. В вольтметрах переменного тока входное устрой-ство включает в себя также преобразователь напряжения перемен-ного тока в постоянный.
С выхода входного устройства измеряемое напряжение подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором напряжение преобразуется в цифровой (дискретный) сигнал в виде электрического кода или импульсов, количество которых про-порционально измеряемому напряжению. Результат появляется на табло цифрового индикатора. Работой всех блоков управляет устрой-ство управления.
Цифровые вольтметры в зависимости от типа АЦП подразделяют-ся на четыре группы: кодоимпульсные, времяимпульсные, частотно-импульсные, пространственного кодирования.
В настоящее время широко применяются цифровые времяимпульсные вольтметры , преобразователи которых выполняют промежуточное преобразование измеряемого напряжения в пропорцио-нальный интервал времени, заполняемый импульсами с известной частотой повторения. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на входе АЦП имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально измеряе-мому напряжению.
Погрешность времяимпульсных вольтметров определяется погрешностью дискретизации измеряемого сигнала, нестабильностью частоты счетных импульсов, наличием порога чувствительности схемы сравнения, нелинейностью преобразованного напряжения на входе схемы сравнения.
Различают несколько вариантов схемотехнических решений при построении времяимпульсных вольтметров. Рассмотрим принцип работы время импульсного вольтметра с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).
На рисунке 3.13 представлены структурная схема цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Дискретный сигнал измерительной информации па выходе преоб-разователя имеет вид пачки счетных импульсов, количество которых пропорционально значению входного напряжения . С выхода ГЛИН на входы 1 устройств сравнения поступает линейно нарастающее во времени напряжение . Вход 2 устройства сравнения II соединен с корпусом.
В момент равенства на входе устройства сравнения II и на его выходе возникает импульс, который подается на единичный вход триггера (Т), вызывая появление сигнала на его выходе. Триггер возвращается в исходное положение импульсом, поступающим с выхода устройства сравнения II. Этот сигнал появляется в момент равенства линейно нарастающего напряжения и измеряемого . Сформированный таким образом сигнал длительностью (где — коэффициент преобразования) подается на вход 1 схемы логиче-ского умножения И, а на вход 2 поступает сигнал с генератора счетных импульсов (ГСИ). Импульсы следуют с частотой . Импульсный сигнал появляется тогда, когда на обоих входах есть импульсы, т.е. счетные импульсы проходят при наличии сигнала на выходе триггера.
 |
Рис. 3.13. Структурная схема (а) ивременное диаграммы (б) цифрового времяимпульсного вольтметра с ГЛИН
Счетчик импульсов подсчитывает количество прошедших импуль-сов (с учетом коэффициента преобразования). Результат измерения отображается на табло цифрового индикатора (ЦИ). Приве-денная формула не учитывает погрешность дискретности из-за несовпа-дения появления счетных импульсов с началом и концом интервала
Кроме того, большую погрешность вносит фактор нелинейности коэффициента преобразования . В результате цифровые время импульсные вольтметры с ГЛИН являются наименее точными среди цифровых вольтметров.
Цифровые вольтметры с двойным интегрированием отличаются от времяимпульсных вольтметров принципом работ Ы. В них в тече-ние времени цикла измерения формируются два временных интервала — и . В первом интервале обеспечивается интегрирование измеряемого напряжения , во втором — опорного напряжения. Вре-мя цикла измерения предварительно устанавливают кратным периоду действующей на входе помехи, что приводит к улучшению помехоустойчивости вольтметра.
На рисунке 3.14 приведены структурная схема цифрового вольтме-тра с двойным интегрированием и временные диаграммы, поясняющие его работу.
Рис. 3.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы (6) цифрового вольтметра с двойным интегрированием
При (в момент начала измерения) управляющее устройство вырабатывает калиброванный импульс с длительностью
, (3.21) переводит ключ в положение 2 и от источника образцового напряжения (ИОН) в интегратор подает-ся образцовое отрицательное напряжение становится равным нулю, устройство сравнения выдает сигнал, по-ступающий на триггер, и возвращает последний в исходное состояние. На выходе триггера сформированный импульс напряжения
; ; 
(3.25)
Из полученных соотношений следует, что погрешность результата измерения зависит только от уровня образцового напряжения, а не от нескольких параметров (как в кодоимпульсном вольт метре), но здесь также имеет место погрешность дискретности.
Преимуществами вольтметра с двойным интегрированием являются высокая помехозащищенность и более высокий класс точ-ности (0,005-0,02%) по сравнению с вольтметрами с ГЛИН.
Цифровые вольтметры со встроенным микропроцессором являются комбинированными и относятся к вольтметрам наивысшего класса точности. Принцип их работы основан на методах поразрядного уравновешивания и времяимпульсного интегрирующего преобразования.
Микропроцессор и дополнительные преобразователи, включенные в схему такого вольтметра, расширяют возможности при-бора, делая его универсальным в части измерения большого числа параметров. Такие вольтметры измеряют напряжение постоянного и переменного тока, силу тока, сопротивление резисторов, часто-ту колебаний и другие параметры. При использовании совместное с осциллографом могут измерять временные параметры: период, длительность импульсов и т.д. Наличие в схеме вольтметра микропроцессора позволяет осуществлять автоматическую коррекциям погрешности измерений, диагностику отказов, автоматическую калибровку.
На рисунке 3.15 приведена структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором.
 |
Рис. 3.15. Структурная схема цифрового вольтметра со встроенным микропроцессором
С помощью соответствующих преобразователей блок нормали-зации сигналов приводит входные измеряемые параметры (97 стр) к унифицированному сигналу , поступающему на вход АЦП, ко-торый выполняет преобразование методом двойного интегрирования. Выбор режима работы вольтметра для заданного вида измерений осу-ществляет блок управления АЦП с дисплеем. Этот же блок обеспечи-вает нужную конфигурацию системы измерения.
Микропроцессор является основой блока управления и связан с другими блоками через сдвигающие регистры. С помощью клавиа-туры, находящейся на панели управления, обеспечивается управление микропроцессором. Управление может осуществляться также и через стандартный интерфейс подключаемого канала связи. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранится программа работы микро-процессора, которая реализуется с помощью оперативного запомина-ющего устройства (ОЗУ).
Встроенные высокостабильные и точные резистивные делители опорного напряжения, дифференциальный усилитель (ДУ) и ряд внеш-них элементов (аттенюатор, устройство выбора режима, блок опорного напряжения ) выполняют непосредственно измерения. Все блоки синхронизируются сигналами от генератора тактовых импульсов.
Включение в схему вольтметра микропроцессора и ряда дополнительных преобразователей позволяет выполнять автоматическую коррекцию погрешностей, автоматическую калибровку и диагностику отказов.
Основными параметрами цифровых вольтметров являются точность преобразования, время преобразования, пределы изменения входной величины, чувствительность.
Точность преобразования определяется погрешностью квантова-ния по уровню, характеризуемой числом разрядов в выходном коде.
Погрешность цифрового вольтметра имеет две составляющие. Пер-вая составляющая (мультипликативная) зависит от измеряемой вели-чины, вторая составляющая (аддитивная) не зависит от измеряемой величины.
Такое представление связано с дискретным принципом измерения аналоговой величины, так как в процессе квантования возникает абсо-лютная погрешность, обусловленная конечным числом уровней квантования. Абсолютная погрешность измерения напряжения выражается как
знаков) или ( знаков), (3.27)
где — действительная относительная погрешность измерения;
— значение измеряемого напряжения;
— конечное значение на выбранном пределе измерения;
т знаков — значение, определяемое единицей младшего разряда ЦИ (аддитивная погрешность дискретности). Основную действительную относительную погрешность измере-ния можно представить и в другом виде:
(3.2)
Где a, b — постоянные числа, характеризующие класс точности прибора.
Первое слагаемое погрешности (а) не зависит от показаний при-бора, а второе (b) увеличивается при уменьшении .
Время преобразования — это время, затрачиваемое на выполнение одного преобразования аналоговой величины в цифровой код.
Пределы изменения входной величины — это диапазоны преобразования входной величины, которые полностью определяются числом разрядов и «весом» наименьшего разряда.
Чувствительность (разрешающая способность) — это наименьшее различимое преобразователем изменение значения входной величины.
К основным метрологическим характеристикам вольтметров, которые необходимо знать для правильного выбора прибора, относятся следующие характеристики:
Параметр измеряемого напряжения (среднеквадратичное, ампли-тудное);
Диапазон измерения напряжения;
Частотный диапазон;
Допустимая погрешность измерений;
Входной импеданс ().
Эти характеристики приводятся в техническом описании и паспор-те прибора.
Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.
Напряжение
Условно напряжение обозначается буквой «U» . Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.
Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10 18 электронов.
Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.
- Постоянное напряжение . Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
- Переменное напряжение
. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
— амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
— мгновенное напряжение , которое выражается в определенный момент времени;
— действующее напряжение , определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
— средневыпрямленное напряжение , определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.
При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением , а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением . Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.
Электрический ток
Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I ». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.
Условно считается, что ток в течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.
Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.
Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.
Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться . На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.
Ток и напряжение подчиняются правилам:
- Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
- В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
- Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I . Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.
Характеристика электрического тока
Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.
По такому принципу действуют все в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.
В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, и других частей, проводящих ток.
Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:
- Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
- Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
- , вследствие движения носителей заряда.
Условия возникновения электрического тока:
- Нагревание проводников (не сверхпроводников).
- Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
- Химическая реакция с выделением новых веществ.
- Воздействие магнитного поля на проводник.
Формы сигнала тока
- Прямая линия.
- Переменная синусоида гармоники.
- Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
- Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.
Виды работы электрического тока
- Световое излучение, создающееся приборами освещения.
- Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
- Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
- Создание электромагнитного излучения.
Отрицательные явления, вызываемые электрическим током
- Перегрев контактов и токоведущих частей.
- Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
- Электромагнитные излучения во внешнюю среду.
Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.
Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.
Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.
Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:
- Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
- Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.
Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.
Электрический ток в металлах
Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.
В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.
При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.
Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.
Основной единицей измерения электрического напряжения является вольт. В зависимости от величины напряжение может измеряться в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 1000 В), милливольтах (1 мВ = 0,001 В), микровольтах (1 мкВ = 0,001мВ = 0,000001 В). На практике, чаще всего, приходится сталкиваться с вольтами и милливольтами.
Существует два основных вида напряжений – постоянное и переменное . Источником постоянного напряжения служат батареи, аккумуляторы. Источником переменного напряжения может служить, например, напряжение в электрической сети квартиры или дома.
Для измерения напряжения используют вольтметр . Вольтметры бывают стрелочные (аналоговые) и цифровые .
На сегодняшний день стрелочные вольтметры уступают пальму первенства цифровым, так как вторые более удобны в эксплуатации. Если при измерении стрелочным вольтметром показания напряжения приходится вычислять по шкале, то у цифрового результат измерения сразу высвечивается на индикаторе. Да и по габаритам стрелочный прибор проигрывает цифровому.
Но это не значит, что стрелочные приборы совсем не применяются. Есть некоторые процессы, которые цифровым прибором увидеть нельзя, поэтому стрелочные больше применяются на промышленных предприятиях, лабораториях, ремонтных мастерских и т.п.
На электрических принципиальных схемах вольтметр обозначается кружком с заглавной латинской буквой «V » внутри. Рядом с условным обозначением вольтметра указывается его буквенное обозначение «PU » и порядковый номер в схеме. Например. Если вольтметров в схеме будет два, то около первого пишут «PU 1 », а около второго «PU 2 ».
При измерении постоянного напряжения на схеме указывается полярность подключения вольтметра, если же измеряется переменное напряжение, то полярность подключения не указывается.
Напряжение измеряют между двумя точками схемы: в электронных схемах между плюсовым и минусовым полюсами, в электрических схемах между фазой и нулем . Вольтметр подключают параллельно источнику напряжения или параллельно участку цепи — резистору, лампе или другой нагрузке, на которой необходимо измерить напряжение:
Рассмотрим подключение вольтметра: на верхней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и одновременно на источнике питания GB1 . На нижней схеме напряжение измеряется на лампе HL1 и резисторе R1 .
Перед тем, как измерить напряжение, определяют его вид и приблизительную величину . Дело в том, что у вольтметров измерительная часть рассчитана только для одного вида напряжения, и от этого результаты измерений получаются разными. Вольтметр для измерения постоянного напряжения не видит переменное, а вольтметр для переменного напряжения наоборот, постоянное напряжение измерить сможет, но его показания будут не точными.
Знать приблизительную величину измеряемого напряжения также необходимо, так как вольтметры работают в строго определенном диапазоне напряжений, и если ошибиться с выбором диапазона или величиной, прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения вольтметра составляет 0…100 Вольт, значит, напряжение можно измерять только в этих пределах, так как при измерении напряжения выше 100 Вольт прибор выйдет из строя.
Помимо приборов, измеряющих только один параметр (напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота), существуют многофункциональные, в которых заложено измерение всех этих параметров в одном приборе. Такой прибор называется тестер (в основном это стрелочные измерительные приборы) или цифровой мультиметр .
На тестере останавливаться не будем, это тема другой статьи, а сразу перейдем к цифровому мультиметру. В основной своей массе мультиметры могут измерять два вида напряжения в пределах 0…1000 Вольт. Для удобства измерения оба напряжения разделены на два сектора, а в секторах на поддиапазоны: у постоянного напряжения поддиапазонов пять, у переменного — два.
У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 200m , 2V , 20V , 200V , 600V . Например. На пределе «200V» измеряется напряжение, находящееся в диапазоне 0…200 Вольт.
Теперь сам процесс измерения .
1. Измерение постоянного напряжения.
Вначале определяемся с видом измеряемого напряжения (постоянное или переменное) и переводим переключатель в нужный сектор. Для примера возьмем пальчиковую батарейку, постоянное напряжение которой составляет 1,5 Вольта. Выбираем сектор постоянного напряжения, а в нем предел измерения «2V», диапазон измерения которого составляет 0…2 Вольта.
Измерительные щупы должны быть вставлены в гнезда, как показано на нижнем рисунке:
красный
щуп принято называть плюсовым
, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный
щуп называют минусовым
или общим
и вставляется он в гнездо, напротив которого стоит значок «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.
Плюсовым щупом касаемся положительного полюса батарейки, а минусовым — отрицательного. Результат измерения 1,59 Вольта сразу виден на индикаторе мультиметра. Как видите, все очень просто.
Теперь еще нюанс. Если на батарейке щупы поменять местами, то перед единицей появится знак минуса, сигнализирующий, что перепутана полярность подключения мультиметра. Знак минуса бывает очень удобен в процессе наладке электронных схем, когда на плате нужно определить плюсовую или минусовую шины.
Ну а теперь рассмотрим вариант, когда величина напряжения неизвестна. В качестве источника напряжения оставим пальчиковую батарейку.
Допустим, мы не знаем напряжение батарейки, и чтобы не сжечь прибор измерение начинаем с самого максимального предела «600V», что соответствует диапазону измерения 0…600 Вольт. Щупами мультиметра касаемся полюсов батарейки и на индикаторе видим результат измерения, равный «001 ». Эти цифры говорят о том, что напряжения нет или его величина слишком мала, или выбран слишком большой диапазон измерения.
Опускаемся ниже. Переключатель переводим в положение «200V», что соответствует диапазону 0…200 Вольт, и щупами касаемся полюсов батарейки. На индикаторе появились показания равные «01,5 ». В принципе этих показаний уже достаточно, чтобы сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,5 Вольта.
Однако нолик, стоящий впереди, предлагает снизиться еще на предел ниже и точнее измерить напряжение. Снижаемся на предел «20V», что соответствует диапазону 0…20 Вольт, и снова производим измерение. На индикаторе высветились показания «1,58 ». Теперь можно с точностью сказать, что напряжение пальчиковой батарейки составляет 1,58 Вольта.
Вот таким образом, не зная величину напряжения, находят ее, постепенно снижаясь от высокого предела измерения к низкому.
Также бывают ситуации, когда при измерении в левом углу индикатора высвечивается единица «1 ». Единица сигнализирует о том, что измеряемое напряжение или ток выше выбранного предела измерения. Например. Если на пределе «2V» измерить напряжение равное 3 Вольта, то на индикаторе появится единица, так как диапазон измерения этого предела всего 0…2 Вольта.
Остался еще один предел «200m» с диапазоном измерения 0…200 mV. Этот предел предназначен для измерения совсем маленьких напряжений (милливольт), с которыми иногда приходится сталкиваться при наладке какой-нибудь радиолюбительской конструкции.
2. Измерение переменного напряжения.
Процесс измерения переменного напряжения ни чем не отличается от измерения постоянного. Отличие состоит лишь в том, что для переменного напряжения соблюдать полярность щупов не требуется.
Сектор переменного напряжения разбит на два поддиапазона 200V
и 600V
.
На пределе «200V» можно измерять, например, выходное напряжение вторичных обмоток понижающих трансформаторов, либо любое другое находящееся в диапазоне 0…200 Вольт. На пределе «600V» можно измерять напряжения 220 В, 380 В, 440 В или любое другое находящееся в диапазоне 0…600 Вольт.
В качестве примера измерим напряжение домашней сети 220 Вольт.
Переводим переключатель в положение «600V» и щупы мультиметра вставляем в розетку. На индикаторе сразу появился результат измерения 229 Вольт. Как видите, все очень просто.
И еще один момент.
Перед измерением высоких напряжений ВСЕГДА лишний раз убеждайтесь в исправности изоляции щупов и проводов вольтметра или мультиметра
, а также дополнительно проверяйте выбранный предел измерения
. И только после всех этих операций производите измерения
. Этим Вы убережете себя и прибор от неожиданных сюрпризов.
А если что осталось не понятно, то посмотрите видеоролик, где показано измерение напряжения и силы тока с помощью мультиметра.
Большинство людей в быту могут оперировать таким понятием как электрическое напряжение. Практически все знают, что бытовая розетка находится под напряжением 220В, а пальчиковая батарейка выдает напряжение всего в 1.5В. При этом далеко не каждый человек, окончивший среднюю школу или даже технический ВУЗ в состоянии ответить, что же все-таки означает термин электрическое напряжение. В этом материале мы постараемся ответить на этот вопрос, по возможности не прибегая к сложной математике.
Определение электрического напряжения
В учебниках по физике и электротехнике можно встретить разные определения электрического напряжения. Одно из них звучит следующим образом: электрическое напряжение между двумя точками пространства равно разности потенциалов электрического поля в этих точках. Математически это записывается так:
U=φ_a-φ_b (1).
Где U – электрическое напряжение, а φ_a и φ_b потенциалы электрического поля в точках A и B соответственно.
Если мы не знаем что такое потенциал электрического поля в точке, то приведенное выше определение мало проясняет вопрос, что же такое электрическое напряжение. Под потенциалом электрического поля в точке понимают работу, по перемещению единичного заряда совершаемую электрическим полем из данной точки в точку с нулевым потенциалом. На первый взгляд определение электрического потенциала кажется довольно сложным. Например, не совсем понятно, где находится точка с нулевым потенциалом.
Для начала нужно запомнить, что электрический потенциал это работа по переносу единичного заряда. Если обратиться к формуле (1) то станет ясно, что электрическое напряжение не что иное, как разность двух работ. То есть электрическое напряжение, тоже есть работа. Отсюда мы приходим ко второму определению. Электрическое напряжение численно равно работе по переносу единичного электрического заряда из точки А в точку В. При этом φ_a и φ_b это потенциальная энергия которой обладает единичный заряд в точках А и В соответственно.
Для лучшего понимания изложенного выше можно привести следующую аналогию. Любое тело, находящееся на некотором расстоянии от Земли обладает потенциальной энергией. Для того чтобы поднять тело выше придется выполнить некоторую работу. Величина этой работы будет равна разности потенциальных энергий, которыми обладает тело на разной высоте. Похожую картину мы наблюдаем, когда мы имеем дело с электрическим полем.
Что касается точки пространства, в которой электрический заряд обладает нулевым электрическим потенциалом, то в теории электричества эту точку можно выбрать произвольно. Связанно это с тем, что электрическое поле «потенциально». Чтобы прояснить этот термин придется прибегнуть к высшей математике, а мы решили этого избежать. На практике специалисты в области электротехники в качестве точек с нулевым потенциалом часто выбирают поверхность Земли. И многие измерения выполняют относительно нее.
Электрические поля могут быть постоянными (неизменными во времени) и переменными. Переменные электрические поля могут изменяться по различным математическим законам. В технике чаще всего используются переменные электрические поля, которые изменяются по закону синуса. В случае переменного электрического поля мгновенное значение разности потенциалов между двумя точками можно вычислить по следующей формуле:
u(t)=U_m sin〖(ωt)〗 (2).
Здесь u – мгновенное значение напряжения; U m – максимальное значение напряжения; ω – частота, t – время.
Измерение электрического напряжения
Электрическое напряжение измеряют с помощью вольтметров. Для измерения напряжения (разности потенциалов) на участке электрической цепи щупы вольтметра подключают к концам этого участка и по шкале считывают показания прибора.
Существует множество типов вольтметров. Мы остановимся на аналоговых вольтметрах с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. Эти механизмы довольно часто применяют в щитовых вольтметрах и многофункциональных измерительных приборах – мультиметрах. Магнитоэлектрический электрический механизм представляет собой проволочную катушку, размещенную между полюсами магнита. Катушка подвешивается на спиральных пружинах обеспечивающих высокую чувствительность прибора. С катушкой связана указательная стрелка, с помощью которой осуществляется отсчет показаний на шкале прибора. Ниже на рисунке показано устройство магнитоэлектрического механизма.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы имеют высокую чувствительность. С их помощью можно измерить напряжения составляющие сотые доли вольта. Для расширения пределов измерения последовательно с измерительным механизмом включают добавочные сопротивления. Схема простейшего вольтметра постоянного тока показана на рисунке.
Одним из важнейших параметром вольтметра является его внутреннее сопротивление. Чем больше значение внутреннего сопротивления вольтметра, тем меньшую погрешность можно получить в процессе измерения. Для аналоговых вольтметров внутреннее сопротивление обычно составляет 20кОм на вольт. Если необходимо получить большее значение сопротивления для измерений применяют электронные вольтметры, цифровые или аналоговые.
Для измерения переменного напряжения в конструкцию вольтметров включают выпрямители, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное. Шкалы вольтметров для измерения переменного напряжения обычно градуируют в действующих (эффективных) значениях напряжения. Действующее значение переменного тока связано с максимальным следующим соотношением.
U=1/√2 U_m=0,707U_m (3)
Действующее значение удобно применять при вычислении мощности электрической цепи. Когда мы говорим, что в электрической розетке присутствует напряжение 220В, речь идет именно о действующем значении напряжения.
В коротком материале трудно рассказать обо всех нюансах связанных с электрическим напряжением и способах его измерения. Но мы надеемся, что текст окажется полезен читателю.