Перегляд вихідного коду сторінки Електрична напруга

{{Фізична величина
| назва= Електрична напруга
| зображення  = AA AAA AAAA A23 battery comparison-1.jpg
| підпис      = [[Батарея (електрика)|Батареї]] є джерелами електричної напруги у багатьох електричних колах
| символи = U
| SI = [[Вольт|вольт (В, V)]]
| СГС = 
| СГСЕ = [[Статвольт|статвольт (статВ, statV)]]
| СГСМ = 
| інші = 
| базовівеличини = 	[[Кілограм|кг]]⋅[[Метр|м]]<sup>2</sup>⋅[[Секунда|с]]<sup>−3</sup>⋅[[Ампер|A]]<sup>−1</sup>
| розмірність = L<sup>2</sup>MT<sup>-3</sup>I<sup>-1</sup>
| величина = 
| іншівеличини = 
| примітки = 
| nocat = 
}}
{{Електродинаміка}}
'''Електри́чна напру́га (U)''' на ділянці [[електричне коло|електричного кола]] ([[Електричне поле|поля]])&nbsp;— це [[Фізична величина|скалярна фізична величина]], яка чисельно дорівнює [[Робота (фізика)|роботі]], яку треба виконати для переміщення одиничного позитивного [[електричний заряд|заряду]] з однієї точки кола (поля) в іншу точку<ref>[https://leksika.com.ua/20000212/ure/napruga_elektrichna Напруга електрична] // {{УРЕ}}</ref>.

Символом величини зазвичай є латинська літера <math>U</math>. Напруга в [[Міжнародна система одиниць (SI)|системі SI]] вимірюється у [[вольт]]ах (позначення одиниці: ''B'', міжнародне: ''V'').

Напруга може бути визначена зі співвідношення:
:<math>U = \frac{W}{Q}</math>, 
де W&nbsp;— робота сторонніх і [[Закон Кулона|кулонівських]] сил з переміщення заряду, Q&nbsp;— величина електричного заряду.

Для потенціального поля напруга відповідає різниці [[електростатичний потенціал|потенціалів]] між двома точками [[електричне поле|електричного поля]]: U = φ<sub>1</sub>-φ<sub>2</sub>.

Із [[закон Ома|закону Ома]] для неповного кола: 
:<math>U = I\cdot R</math>,
де I&nbsp;— електричний струм, що проходить по провіднику, R&nbsp;— електричний опір провідника.

Для [[вимірювання]] напруги можуть використовувати [[прилад]]и, які називаються [[вольтметр]]ами, мілівольтметрами тощо.

Напруга може являти собою або джерело енергії ([[Електрорушійна сила|електрорушійну силу]]), або втрачену, використану чи збережену енергію ([[спад напруги]]).

== Схожість з гідравлікою ==
Простою подібністю для [[Електричне коло|електричного кола]] є [[вода]], яка тече в замкненому контурі трубопроводу, що керується механічним [[Гідронасос|насосом]]. Це можна назвати «водним колом». Різниця потенціалів між двома точками, відповідає різниці [[тиск]]ів між ними. Якщо насос створює різницю тисків між двома точками, то вода, котра тече з однієї точки до іншої, зможе виконувати роботу, наприклад, керувати [[Турбіна|турбіною]]. Так само, робота може бути виконана електричним струмом, який створюється різницею потенціалів, що скажімо забезпечується акумулятором. Наприклад, напруга, надана достатньо зарядженою [[Свинцево-кислотний акумулятор|автомобільною батареєю]], може «штовхати» великий [[Електричний струм|струм]] крізь [[Обвитка|обвитки]] стартерного [[Електродвигун постійного струму|двигуна]] автомобіля. Коли водяний насос не працює, він не виробляє різниці тисків, отже турбіна не обертається. Точно так само, якщо акумулятор автомобіля є дуже слабким або «мертвим», то він не зможе увімкнути [[Стартер (авто)|стартер]].

Порівняння з [[Гідравліка|гідравлікою]], є корисним способом розуміння багатьох електричних тверджень. У такій системі робота, проведена для пересування води, дорівнює тиску, помноженому на обсяг переміщеної води. Подібно-й в електричній схемі робота, проведена для переміщення [[електрон]]ів або інших [[Носії заряду|носіїв заряду]], дорівнює «електричному тиску», помноженому на кількість електричних зарядів, котрі пересуваються. Що стосується «потоку», то чим більш «відмінний напір» між двома точками (різниця потенціалів або різниця тисків води), тим більший потік виникає між ними (електричний струм або течія води).[[Файл:Electronic-hydraulic_analogy.svg|альт=|міні|450x450px|Гідравлічний контур (ліворуч) і електричне коло (праворуч): різниця електричних потенціалів між двома точками А і В електричного кола подібна різниці тисків між двома точками А і В відповідного водного контуру. На малюнку також показано наступні пристрої, подібні один одному: 1&nbsp;— водяний насос / джерело напруги; 2&nbsp;— турбіна / [[Електрична лампа|лампочка]]; 3&nbsp;— клапан регулювання / резистор; 4&nbsp;— запірний клапан / вимикач.|центр]]

== Зв'язок між напругою та напруженістю електричного поля ==
Електричну напругу можна визначити, знаючи напруженість електричного поля:

: <math>U_{AB} = \frac{W_{A \longrightarrow B}}{q} = \int\limits_A^B \vec{E} \cdot\; d\vec{l}.</math>

Інтегрування відбувається між точками A і B, і значення інтеграла не залежить від вибору шляху. Звідси випливає, що напруга між двома точками може бути додатною (+), від'ємною (-), а в окремих випадках дорівнювати нулю.

== Напруга розімкненого джерела струму ==
Електрична напруга [[Холостий хід|ялового]] джерела струму (без навантаження) дорівнює електрорушійній силі (ЕРС) цього джерела, що випливає зі співвідношення:

: <math>U = \varepsilon - IR_w,</math>

де:

: <math>U</math>&nbsp;— напруга на виводах джерела,
: <math>\varepsilon</math>&nbsp;— електрорушійна сила,
: <math>R_w</math>&nbsp;— [[внутрішній опір]] джерела,
: <math>I</math>&nbsp;— струм, отриманий від джерела.

Для холостого ходу: <math>I=0,</math> отже

: <math>U = \varepsilon.</math>

== Одиниця вимірювання ==
Вольт (символ: [[Українська мова|укр]]. '''В''', англ. '''V''')&nbsp;— похідна одиниця для електричного потенціалу, електричної різниці потенціалів та електрорушійної сили. Назву Вольт прийнято на честь [[Італія|італійського]] фізика [[Алессандро Вольта]] (1745—1827), який винайшов «вольтову купу», а можливо, й першу хімічну батарею.

Між двома точками електричного поля існує напруга 1 В, якщо для переміщення заряду 1 [[Кулон (одиниця)|Кл]] між цими точками потрібна робота 1 [[Джоуль|Дж]].

: <math>\mathrm{1V = \frac{1J}{1C}},</math>

і розмірність вольта

: <math>\mathrm {V = \frac{kg \cdot m^2}{s^3 \cdot A}}.</math>

== Напруга в колах змінного струму ==
У колах змінного струму напруга може бути означена декількома термінами, а саме: миттєва, середньоквадратична, середня та максимальна (найбільша).

Середньоквадратичне значення <math>U_{sk}</math> (електротехнічні найменування: чинна, ефективна напруга що визначається за весь період коливань) періодичної електричної напруги з періодом <math>T</math> визначається як:

: <math>U_{sk} = \sqrt{\frac{1}{T} \int\limits_0^T u^2 (t)\ dt}.</math>

Середнє значення напруги <math>U_{sr}</math> визначається як:

: <math>U_{sr} = \frac{1}{T} \int\limits_0^T u(t)\ dt.</math>

Для [[синусоїда]]льної змінної напруги, хвилю якої можна означити вираженням:

: <math>u(t) = U_{max} \sin (\omega \cdot t + \varphi),</math>

середньоквадратичне значення напруги:

: <math>U_{sk} = \frac{1}{\sqrt 2}\ U_{max}</math>

середнє значення дорівнює 0, а середня величина&nbsp; абсолютного значення:

: <math>U_{sr} = \frac{2}{\pi}\ U_{max} \approx 0{,}637 U_{max},</math>

де:

: <math>U(t)</math>&nbsp;— миттєва залежність напруги від часу <math>t,</math>
: <math>U_{max}</math>&nbsp;— найбільша напруга, що дорівнює її амплітуді,
: <math>U_{sk}</math>&nbsp;— середньоквадратична напруга,
: <math>U_{sr}</math>&nbsp;— середня напруга,
: <math>\omega</math>&nbsp;— пульсація,
: <math>\varphi</math>&nbsp;— початкова фаза.

У мережах низької напруги [[Україна|України]], фазна середньоквадратична напруга (виміряна між фазним провідником, тобто тим, що знаходиться під напругою, і нулем/землею) становить 230 В, а міжфазна напруга (виміряна між двома фазними провідниками) дорівнює 400 В, що відповідає таким амплітудам: <math>U_{max}</math> ≈ 325&nbsp;В i 563&nbsp;В. Між фазною напругою <math>U_f</math> та лінійною (міжфазною) напругою <math>U_p</math> у [[Трифазний струм|трифазній]] симетричній зіркоподібній системі, наявне таке співвідношення<ref>{{cytuj książkę|autor=Bolkowski Stanisław|autor link=Stanisław Bolkowski|tytuł=Elektrotechnika teoretyczna. Tom 1: Teoria obwodów elektrycznych|wydawca=Wydawnictwa Naukowo-Techniczne|miejsce=Warszawa|rok=1986|strony=207|isbn=83-204-0733-8}}</ref>:

: <math>U_p = \sqrt 3\, U_f,</math> тобто лінійна напруга в 1,73 рази більша за фазну.

== Рівні напруги ==
У різних напрямках діяльності [[Людина розумна|людини]] використовують відмінні [[стандарт]]ні рівні напруги. Часто це визначається узвичаєним для даної [[галузь|галузі]] значенням, як, наприклад, 12 В для звичайного [[автомобіль]]ного [[Свинцево-кислотний акумулятор|акумулятора]] або використання в [[побут]]овій електромережі. В Україні побутова [[Електрична мережа|електромережа]] має напругу 220…230 В [[змінний струм|змінного струму]].

=== Високовольтні електричні мережі ===
[[Файл:High_voltage_warning.svg|міні|Попереджувальний знак «Висока напруга»|альт=|170x170пкс|ліворуч]][[Потужність електричного струму|Потужність]] електричної енергії, насамперед, дорівнює напрузі помноженій на [[Електричний струм|струм]], тож чим вище електрична напруга в мережі, тим менший потрібен струм (отже нижчі втрати електроенергії), досить тонших дротів [[Лінія електропередачі|ЛЕП]] або жил кабелю (заощадження кольорових металів), для передавання певної електричної потужності на великі відстані.

Стандартними для України є&nbsp;— 6, 10, 35, 110, 150<ref name="stand">Мережі вказаних напруг мають обмежене використання. Мережі напругою 150 кВ&nbsp;— поблизу Дніпровської ГЕС; 220 кВ&nbsp;— Кримська та Західна енергосистеми; 400 кВ&nbsp;— зв'язок ОЕС України з електричними мережами Європи; 500 кВ&nbsp;— зв'язок ОЕС України з ЕЕС Росії.</ref>, 220<ref name="stand" />, 330, 400<ref name="stand" />, 500<ref name="stand" />, 750 кВ змінної напруги та 800 кВ [[постійна напруга|постійної напруги]] (± 400 кВ).

У [[Європа|Європі]]&nbsp;— 33, 132, 150, 220, 300—330, 380—400, 500, 750 кВ [[Змінний струм|змінної напруги]]. В деяких [[країна]]х використовують нестандартні рівні, наприклад 275 кВ у [[Велика Британія|Великій Британії]] або 450 кВ для міждержавних ліній, що пов'язують [[скандинавія|скандинавські країни]] з континентальною [[Європа|Європою]].

У [[Сполучені Штати Америки|США]]&nbsp;— 33, 115, 138, 161, 230, 345, 500 кВ змінної напруги

У так званій російській федерації, стандартними є високовольтні напруги&nbsp;— 6, 10, 20, 35, 110, 150, 230, 330, 500, 750, 1150 кВ змінної напруги та 400 і 800 кВ [[постійна напруга|постійної напруги]].

Загалом, головною причиною відмінних стандартних рівнів напруги в окремих країнах, є різний ступінь її збільшення, з розвитком [[Електротехніка|електротехніки]] під час початкової ізольованості [[енергосистема|енергетичних систем]]. Слід зазначити, що зважаючи на сумісну дію багатьох електричних систем та досить великий час їх роботи, можливе використання у певних регіонах класів напруги притаманних сусіднім системам. Як приклади, в Україні, можна навести [[Донецька область|Донецьку]] та [[Закарпатська область|Закарпатську]] області.

=== Побутова розподільна мережа ===
[[Файл:World Map of Mains Voltages and Frequencies, Detailed.svg|thumb|310px|Побутові рівні напруги та частоти у світі]]Найбільш поширеною побутовою напругою у Світі (зокрема і в Україні) є 230 В. Водночас, у [[Північна Америка|Північній Америці]], [[Тайвань|Тайвані]] та північних частинах [[Південна Америка|Південної Америки]], використовують напругу 120 В або міжфазну 210 В на відміну від нашої&nbsp;— 400 вольт.

=== Автомобільні системи ===
В усіх легкових автомобілях цивільного призначення використовують акумулятори з номінальною [[Постійна напруга|постійною напругою]] 12 В. Для військових модифікацій автомобілів та [[Вантажний автомобіль|вантажівок]], деяких [[Літальний апарат|літальних апаратів]], номінальною є напруга 24 В, якої досягають послідовним з'єднанням двох звичайних акумуляторів. Характерним прикладом, є автомобіль [[Hummer|Хаммер]] H1 у якого дві 12-вольтові батареї, приєднано до бортової мережі паралельно, для отримання більшої ємності, на відміну від військового HMMWV, де дві батареї з'єднані послідовно, для забезпечення подвоєної напруги&nbsp;— 24 вольти.{{джерело}}

Однією з можливих причин використання 12-вольтової мережі, є досліди з першими автомобільними акумуляторами, які показали, що у разі застосування кислотних акумуляторів, економічно найбільш вигідно використання акумуляторів напругою 12 В з 6 банками, залитими [[Кислоти|кислотним]] [[Електроліти|електролітом]].{{джерело}}

=== Літаки ===
На більшості сучасних великих [[літак]]ів для основного живлення використовують трифазні [[Генератор змінного струму|генератори змінного струму]] з [[обвитка]]ми розташованими так, що кожна фаза зміщена відносно іншої на 120 градусів. Виводи генератора з'єднані так званим способом зірки, коли початки трьох фазних обвиток обвитки об'єднані докупи, щоб утворити нейтральну точку яка заземлена. За допомогою такого з'єднання можна отримати два показники напруги&nbsp;— фазну та лінійну. Отже у літаку мережева напруга становить 200 вольт, фазна напруга&nbsp;— приблизно 115 вольт, а частота&nbsp;— 400 Гц.<ref>{{Cite web|title=Which Airlines Offer Employment Via Graduate Schemes?|url=https://simpleflying.com/which-airlines-have-graduate-schemes/|website=Simple Flying|date=2022-12-29|accessdate=2023-01-03|language=en|first=Nicole|last=Kylie}}</ref>

=== Міжнародна космічна станція ===
Напруга від американських [[Сонячна батарея|сонячних батарей]] становить близько 160 вольт [[Постійний струм|постійного струму]] (що більше напруга, то вища потужність). Коробка на [[Міжнародна космічна станція|МКС]] під назвою DDCU (блок [[DC-DC перетворювач|перетворювача]] постійного струму) знижує напругу до 124 вольт для використання в сегменті США. За потреби напругу знову зменшують для застосування в модулях міжнародних партнерів. [[Японія|Японські]] модулі мають [[Електрична мережа|мережу]] 50 вольт, а російські працюють на 28 вольтах. Для окремих частин обладнання, може знадобитися додаткове зниження напруги.<ref>{{Cite web|title=What voltage does the ISS run on?|url=https://www.quora.com/What-voltage-does-the-ISS-run-on|website=Quora|accessdate=2023-01-21|language=en}}</ref>

== Висока напруга ==
[[Файл:US_Navy_110315-N-0278E-002_High-voltage_electricians_from_Naval_Facilities_Engineering_Command_(NAVFAC)_Hawaii_reconfigure_electrical_circuitry_and.jpg|альт=|міні|225x225пкс|Робота на високовольтній ЛЕП]]
Міжнародна електротехнічна комісія та низка національних і міжнародних стандартів (IET, IEEE, VDE тощо) визначають високу напругу, як ту що є вище 1000 В для змінного струму, і принаймні 1500 В для постійного струму, і відрізняють її від низької напруги (50-1000 В змінного струму або 120—1500 В постійного) і занизької напруги (<50 В змінного струму або <120 В постійного). Цей поділ використовують задля створення нормативних документів стосовно [[Електропроводка|проводки]] і [[Електробезпека|безпеки]] [[електрообладнання]].

Розгінна напруга для застарілих [[Телевізор|телевізійних]] [[Електронно-променева трубка|електронно-променевих трубок]] або осцилографів (цей рівень напруги лежить у межах від > 5 кВ до 27 кВ), може бути визначена за IEC 60038, як середня (1&nbsp;— 35 кВ) напруга ({{lang-en|medium voltage}}), порівняно з іншими напругами живлення (висока напруга, ({{lang-en|high voltage}}) 35&nbsp;— 230 кВ, надвисока напруга ({{lang-en|extra-high voltage}}) 245—1200 кВ).

== Додатки ==
Різниця електричних потенціалів між точками, може бути отримана накопиченням електричного заряду (скажімо, [[Електричний конденсатор|конденсатором]]) та електрорушійною силою (наприклад, [[Електромагнітна індукція|електромагнітною індукцією]] в генераторі,
[[Файл:Seriovy_rezonancni_obvod.png|ліворуч|міні|215x215пкс|Напруги в колі [[Коливальний контур|RLC]]: U, U<sub>R</sub>, U<sub>L</sub> і U<sub>C</sub> ([[Послідовне і паралельне з'єднання провідників|послідовне з'єднання]]).]]
[[Котушка індуктивності|котушках індуктивності]] чи трансформаторах).<ref>{{Cite news|title=Quantum theory of matter, Second Edition, John C. Slater, Mcgraw-Hill, New York(1968)|url=http://dx.doi.org/10.1002/aic.690150102|work=AIChE Journal|date=1969-01|accessdate=2022-09-23|issn=0001-1541|doi=10.1002/aic.690150102|pages=3–3|volume=15|issue=1|first=Joseph O.|last=Hirschfelder}}</ref><ref>{{Cite book
|url=http://dx.doi.org/10.1016/b978-0-08-032584-2.50006-5
|title=The Principles of Electromagnetism
|last=HAMMOND
|first=P.
|date=1986
|series=Electromagnetism for Engineers
|publisher=Elsevier
|pages=1–7
}}</ref> У макроскопічному вимірі різниця потенціалів може бути викликана електрохімічними процесами (наприклад, в елементах та [[Батарея (електрика)|батареях]]), [[П'єзоефект|п'єзоелектричним ефектом]], спричиненим тиском, та [[Термопара|термоелектричним ефектом]].<ref>{{Cite book
|url=http://worldcat.org/oclc/977432694
|title=Basic electromagnetic theory [by] Demetrius T. Paris [and] F. Kenneth Hurd.
|last=1928-
|first=Paris, Demetrius T.,
|date=1969
|publisher=McGraw-Hill
|oclc=977432694
}}</ref>

Якщо між двома точками є електрична напруга, завжди існує електричне поле, яке впливає на носії заряду. Якщо точки розташовано на електропровідному матеріалі, в якому носії заряду є рухомими, напруга викликає їх спрямований рух, і електричний струм тече.

Зазвичай, термін «напруга» використовують для опису спаду напруги на електричному пристрої (наприклад як [[резистор]]). Спад напруги на пристрої можна визначити як різницю між вимірами на кожному виводі цього пристрою, відносно загальної опорної точки (або землі). Спад напруги&nbsp;— це різниця між двома показаннями. Дві точки в електричному колі, які з'єднано зразковим провідником без опору і котрі не перебувають всередині змінного магнітного поля, матимуть нульову напругу. Будь-які дві точки з однаковим потенціалом може бути з'єднано [[провідник]]ом, і між ними не протікатиме струм. Коли йдеться про змінний струм (AC), існує різниця між миттєвою напругою і середнім значенням напруги.[[Файл:9VBatteryWithMeter.jpg|міні|[[Мультиметр]] налаштований на вимірювання постійної напруги DC]]

В електричному колі, що живиться від зразкового генератора напруги, різниця електричних потенціалів між двома полюсами генератора, дорівнює електрорушійній силі. Якщо розглядати звичайний [[Електричний генератор|генератор]], напруга на його виводах буде нижчою, через спад напруги на [[Внутрішній опір|внутрішньому опорі]] генератора.

=== Вимірювальні прилади ===
Приладами для вимірювання напруги, є: [[вольтметр]], потенціометр і осцилограф. Відповідно до закону Ома, вольтметр працює завдяки вимірюванню [[Спад напруги|спаду напруги]] на одиниці опору. Потенціометр діє за способом порівняння у мостовому колі, невідомої (вимірюваної) напруги з відомою (зразковою) напругою. Катодно-променевий [[осцилограф]] вимірює завдяки посиленню напруги і використанню її для відхилення електронного променя від прямої лінії, тобто відхилення променя пропорційне вимірюваній напрузі.

Стосовно змінного струму, прилади показують чинне значення напруги. Чинне значення, виявляє енергетичні властивості сигналу на відміну від миттєвого значення, яке визначає його показові (інформаційні) ознаки.

== Див. також ==

* [[Електрика]]
* [[Спад напруги]]
* [[Подільник напруги]]
* [[Зсув фаз]]
* [[Електротехніка]]
* [[Змінний струм]]
* [[Джерело напруги]]
* [[Електрохімічний потенціал]]
* [[Електростатичний потенціал]]
* [[Електромагнітний потенціал]]
* [[Крокова напруга]]
* [[Перенапруга]]
* [[Електротравма]]
* [[Побутова електрична мережа]]
* [[Фантомне живлення]]
* [[Електричний струм]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Джерела ==
* {{публікація|книга
|автор=Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П.
|назва=Загальний курс фізики
|інфо = навч. посібник у 3-х т
|том назва = Електрика і магнетизм
|том=2
|рік=2006
|видавництво=Техніка
|місце=Київ
}}
* {{Публікація|книга
|автор=Сивухин&nbsp;Л.&nbsp;В.
|назва=Общий курс физики. Том&nbsp;III. Электричество
|рік=1977
|видавництво=Наука
|місце=Москва
}}
* ''Будіщев М.&nbsp;С.'' Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. Підручник.&nbsp;— Львів&nbsp;: Афіша, 2001.&nbsp;— 424 с.
* ДСТУ 2843-94. Електротехніка. Основні поняття. Терміни та визначення. Чинний від 1995-01-01.&nbsp;— Київ&nbsp;: Держспоживстандарт України, 1995.&nbsp;— 65 с.

{{electric-stub}}
{{physics-stub}}
{{Електротехніка}}

[[Категорія:Електричні величини]]
[[Категорія:Електротехніка]]
[[Категорія:Електроніка]]
[[Категорія:Теоретичні основи електротехніки]]
[[Категорія:Базові поняття фізики]]
[[Категорія:Електрика]]