Электрическое напряжение

Электрическое напряжениеЭлектрическое напряжение — энергетическая характеристика, относящаяся к двум точкам пространства (эти точки могут находиться, например, на проводниках). Можно сказать, что это величина, для которой задана процедура вычисления или процедура измерения.

Предварительные сведения: На заряженные частицы, находящиеся в пространстве, действуют самые разные силы. Выделим среди них электрические силы, пропорциональные по величине заряду частицы и обладающие свойством консервативности. Указанное свойство означает, что работа таких сил при перемещении заряда, на который они действуют, из одной точки пространства А в другую точку пространства В не зависит от траектории, по которой двигался заряд, а определяется только положением этих точек. Эти силы еще называют потенциальными силами. Кроме них (выделенных по указанному признаку сил) на заряженные чатицы могут действовать и другие силы, не обладающие свойством консервативности.

Электрическое напряжение между фиксированными (покоящимися) точками пространства А и В равно работе консервативных электрических сил, совершаемой ими при перемещении заряда (пробного) из точки А в точку В, отнесенной к величине этого заряда.

Если в пространстве создано только электростатическое поле, то есть никакие заряды не перемещаются, то электрическое напряжение по определению совпадает с разностью потенциалов этих же двух точек пространства.


Комментарий: Точки А и В при вычислении (или измерении) напряжения должны покоиться в выбранной инерциальной системе отсчета. Если в условии задачи даются две движущиеся с одинаковыми скоростями точки (относительная скорость равна нулю), то для вычисления электрического напряжения нужно перейти в такую инерциальную систему отсчета, где эти точки покоятся. Если в условии задачи идет речь о двух точках, которые движутся с разными скоростями, то для таких точек нельзя говорить об электрическом напряжении. Это связано с определением процедуры вычисления или измерения напряжения. Электромагнитное поле имеет электрическую и магнитную составляющие. При переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую инерциальную систему отсчета, которая движется относительно первой, компоненты электромагнитного поля преобразуются по определенным правилам. Поэтому напряженность электрического поля (вектор) и электрическое напряжение (скаляр) для двух точек пространства зависят от выбора системы отсчета.

Чтобы измерить напряжение между двумя точками, и при этом не исказить имеющееся в пространстве распределение электрических токов и зарядов, нужно подключить к ним вольтметр, близкий по свойствам к идеальному. (Через идеальный вольтметр не течет ток и на его электродах не накапливаются заряды). Условием правильного измерения является прокладка неподвижных тонких (чтобы электрическая емкость была мала) соединительных проводов по таким участким пространства, в которых на неподвижные заряженные частицы вдоль соединительных проводов действуют только консервативные электрические силы. Отметим, что указанное условие не всегда выполнимо. Это означает только, что вычислить электрическое напряжение между точками пространства можно всегда, а измерить с помощью вольтметра удается не всегда.

Если провода прокладываются в тех местах, где на покоящиеся электрические заряды вдоль проводов действуют сторонние силы, то показание вольтметра не соответствует напряжению между выбранными точками, а соответствует напряжению между клеммами вольтметра (если считать, что внутри него сторонние силы не действуют). Идеальный вольтметр, подключенный между двумя точками, может показывать разные величины в зависимости от того, как именно проложены в пространстве провода, соединяющие его выводы с этими двумя точками.

Пример, когда электрическое поле в пространстве не является потенциальным: электрическое поле вокруг трансформатора (на фотографии), работающего на переменном токе. Показания вольтметра, подключенного к расположенным рядом друг с другом выводам одной из катушек, могут быть разными, если провода, соединяющие выводы вольтметра с выводами катушки, сами оборачиваются вокруг сердечника трансформатора. Обычно такие экзотические способы прокладки соединительных проводов не применяют, но приведенный пример характерен, поэтому мы о нём и вспомнили.