Что такое вольт?

Вольт — это одна из единиц измерения электричества, закрепленная в Международной системе СИ. С его помощью измеряют сразу 3 физические величины:

• электрический потенциал;
• разность потенциалов (напряжение);
• электродвижущую силу.

Термин получил название в честь итальянского физика Алессандро Вольты, который вошел в историю как изобретатель гальванической батареи, ставшей прототипом для современных аккумуляторов. В этом материале мы познакомимся с понятием «вольт» и величинами, которые можно измерить с его помощью. Кроме того, вы узнаете об областях применения понятия вольта и его значении в современной науке и технике.

Определение вольта

Вольт — это разность электрических потенциалов между двумя концами проводника при силе тока один ампер и мощности один ватт. Электрический потенциал — это количество энергии, необходимое для перемещения заряда между двумя точками в рамках электрического поля. При этом начальная (контрольная) точка по определению имеет нулевой потенциал.

Разность потенциалов также называют напряжением поля. Благодаря ему заряженные частицы начинают двигаться в определенном направлении. Для понимания сути термина часто используют аналогию с резервуарами и водопроводными трубами. В полностью заполненном резервуаре масса воды, а соответственно и создаваемое ею давление, будет больше, нежели в частично заполненной емкости. Разница между давлением внутри трубы и снаружи (контрольная точка с нулевым потенциалом) будет влиять на интенсивность потока воды.

Еще одно определение вольта многие читатели могут помнить по школьной программе. Согласно Закону Ома, при силе тока один ампер и сопротивлении проводника один ом напряжение в сети будет составлять один вольт. Из этого следует, что с возрастанием напряжения возрастает и сила тока, а с возрастанием сопротивления при том же напряжении сила тока падает.

В начале статьи мы упомянули, что вольт используют для измерения электродвижущей силы. Она характеризует источник тока и создается вследствие преобразования различных форм энергии в электрическую энергию. При электродвижущей силе в один вольт каждый преобразованный джоуль энергии дает заряд, равный одному кулону. В современной науке этот термин используется в качестве составной части таких понятий, как разность потенциалов или напряжение.

На основании описанных выше закономерностей можно вывести следующие формулы:

Кто и как открыл понятие «вольт»?

Алессандро Вольта, в честь которого названа единица измерения, отмечен в истории науки разными достижениями. Именно он изобрел электроскоп, разработал конструкцию громоотвода и открыл газ метан. Однако вершиной научной деятельности итальянского ученого считают «вольтов столб» - гальваническую батарею, представленную им в 1800 году. Вольта поместил чередующиеся цинковые и медные пластины в емкость с серной кислотой, вследствие чего протекающие окислительные процессы привели к созданию электрического тока. Способность разных металлов к генерации электричества было названо электрической силой двигателя или электродвижущей силой.

С подачи приверженцев стандартизации теории электричества Латимера Кларка и Чарльза Брайта в 1861 году вольт стал единицей измерения сопротивления. Однако спустя 20 лет Международный электрический конгресс, учитывая особенности деятельности Алессандро Вольты, утвердил вольт как единицу измерения электродвижущей силы.

Эффект Джозефсона и его связь с вольтом

В 1962 году британский физик Брайан Джозефсон предположил, что между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким диэлектриком, будет протекать электрический ток. Сначала разберемся, что означают термины из данной гипотезы:

• сверхпроводник — материал, который при охлаждении до определенной температуры обладает нулевым электрическим сопротивлением (сверхпроводимостью). Вместе с тем из материала полностью вытесняется магнитное поле;
• диэлектрик — материал, препятствующий прохождению электрических зарядов. При помещении диэлектрика в электрическое поле возникает эффект поляризации, когда положительные и отрицательные заряды начинают перемещаться в противоположных направлениях;

Согласно расчетам Джозефсона, когда между изолированными проводниками с определенной частотой переходит электрический ток, создаются области постоянного напряжения. Позднее эти расчеты были подтверждены экспериментально, а открытие перехода Джозефсона оказало влияние на определение эталонного вольта.

В 1990 году для повышения точности измерения вольта была введена константа Джозефсона, равная отношению двух элементарных зарядов к постоянной Планка. Так вольты удалось связать с частотой колебаний атомов цезия, которые являются основной для атомных часов, позволяющих измерить эталонные секунды. В 2019 году было выведено точное значение константы Джозефсона — K_j = 0,4835979 ГГц/мкВ.

Практическое применение вольта в электрических схемах

Основным способом применения вольта в электрических схемах является закон Ома, определяющий напряжение как силу тока, умноженную на сопротивление. Для конструирования замкнутых электрических цепей эту формулу используют с некоторыми поправками, а именно складывают внутренне сопротивление источника электродвижущей силы с сопротивлением проводников, а также учитывают воздействие температуры.

Описанная выше взаимосвязь актуальна для сетей постоянного тока. В случае с переменным током используется производная от Закона Ома формула — P = U * I, где P означает мощность сети, U — напряжение, а I — силу тока.

Кроме того, закон Ома может быть использован в дифференциальной форме. Он применяется в том случае, когда разные элементы цепи имеют разную удельную электрическую проводимость (способность пропускать электрический ток). Тогда физики используют формулу j = σ * E, где j — плотность тока, σ — удельная проводимость, а E — напряженность электрического поля.

Благодаря различным вариантам закона Ома инженеры могут проводить сложные расчеты, обеспечивающие работоспособность множества окружающих нас устройств, в том числе:

• осветительных и тепловых приборов;
• радио- и видеоаппаратуры;
• кабелей связи;
• электрических двигателей;
• генераторов электроэнергии;
• линий электропередачи.

Вопрос-ответ

Что такое вольт?

Вольт — это общепринятая единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов и электродвижущей силы.

Как был открыт вольт?

Первоначально была открыта электродвижущая сила, описывающая способность металлических элементов в гальванической батарее генерировать электричество. Позднее это понятие было расширено до разности электрических потенциалов с единицей измерения вольт.

В чем измеряется напряжение?

Напряжение измеряется в вольтах — амперах, умноженных на омы.

Как в физике записываются вольты?

В русском языке вольты обозначаются прописной буквой В. В иностранной науке используют латинскую букву V.

Что такое В·А в физике?

В физике В·А означает вольт-амперы. Это альтернативное обозначение мощности, которое используют в России наравне с ваттами. Один вольт-ампер показывает мощность цепи переменного тока при силе один ампер и напряжении один вольт.

Что такое вольт в системе СИ?

В базовых единицах СИ один вольт равен:

Что такое W_m в физике?

W_m — это плотность магнитного поля, которая выражается в энергии магнитного поля на единицу его объема. W_m измеряется в джоулях на кубический метр.

Что такое W_k в физике?

W_k — это кинетическая энергия, то есть та энергия, которая выделяется в процессе движения объектов, в зависимости от их массы и скорости. Кинетическая энергия считается по формуле:

В теории электричества используется внесистемная единица кинетической энергии — электрон-вольт, равный ~1,6 * 10¹⁹ джоулей.

Что такое W_p в физике?

W_p — это потенциальная энергия, возникающая в результате взаимодействия объектов. Она называется потенциальной, так как не проявляется в момент наблюдения, но описывает возможные последствия. Например, поднятый предмет может упасть под воздействием гравитации, а сжатая пружина — вернуться в исходное положение под воздействием силы упругости. В теории электричества перемещение заряда между двумя точками сопровождается изменением потенциальной энергии.

Важность понятия вольта в современной физике

Понятие вольта играет важную роль как в научных исследованиях, так и в сфере высоких технологий. Благодаря вольту мы можем с высокой степенью точности измерять электрические процессы в бытовых приборах и промышленном оборудовании. Кроме того, вольты помогают ученым изучать состав и структуру Вселенной с помощью радиоастрономии, а также описывать поведение высокоэнергетических частиц.

Изображение на обложке: Freepik