Elektrinė įtampa

Kasdienybėje dažnai girdime žodį „įtampa“: elektrinė įtampa, psichologinė įtampa, bendravimo įtampa. Jau mokėtės apie elektros srovės šaltinius. Elektrinė įtampa yra svarbi elektros srovės šaltinių charakteristika. Todėl ją matome nurodytą ant elektros srovės šaltinių korpuso, pavyzdžiui, 1,5 V (2.5.1 pav.). Belieka išsiaiškinti, kas yra elektrinė įtampa, kur ir kaip ji atsiranda.

Atlikime mintinį bandymą remdamiesi panaša su vandeniu. Tarkime, turime du ežerus viename aukštyje jūros lygio atžvilgiu (2.5.2 pav., a). Vandens lygis ir jo potencinė energija ežeruose yra vienoda. Vanduo ežerus jungiančiu vamzdžiu neteka.

Dabar įsivaizduokime du ežerus, kuriuos skiria kalnas. Vieno ežero vandens lygis yra aukščiau nei kito (2.5.2 pav., b). Vadinasi, vandens potencinė energija pirmame ežere yra didesnė nei antrame. Sujungus ežerus kanalu vanduo tekės iš pirmo ežero į antrą. Žemyn kanalu judantis vanduo gali atlikti darbą – sukti turbiną. Mechaninę turbinos energiją galima paversti elektros energija (2.5.2 pav., b). Kanalu tekančio vandens atliekamas darbas priklauso nuo vandens potencinės energijos abiejuose ežeruose skirtumo. Kuo didesnis potencinės energijos skirtumas, tuo didesnį darbą gali atlikti tekantis vanduo (2.5.2 pav., b).

Elektros grandinėje įtampa yra vandens potencinės energijos skirtumo atitikmuo. Kuo didesnė įtampa tarp srovės šaltinio gnybtų, tuo ryškiau šviečia elektros lemputė (2.5.3 pav., a). Praktikoje naudojami elektros srovės šaltiniai sukuria nevienodą įtampą (žr. 2.2 lentelę).

Jau žinome, kad elektros srovė yra kryptingas elektringųjų dalelių judėjimas (2.1.6 pav., c). Elektringąsias daleles priverčia judėti elektros srovės šaltinio sukurtas elektrinis laukas. Elektrinis laukas, priversdamas judėti elektringąsias daleles, atlieka darbą. Elektrinio lauko darbą priimta vadinti elektros srovės darbu. Jis žymimas raide A.

Elektros srovės darbas skirtinguose elektros grandinės taškuose gali būti nevienodas, tačiau išlieka proporcingas elektros krūviui (q):

A ~ q.

Fizikinis dydis, rodantis, kokį darbą atlieka 1 C elektros krūvis tekėdamas grandinės dalimi, vadinamas elektrine įtampa (arba įtampa).

Tarkime, kad pratekėjus 2 C elektros krūviui buvo atliktas 10 J darbas. Pratekėjus 1 C elektros krūviui būtų atliktas perpus mažesnis darbas (5 J). Taigi, norint apskaičiuoti įtampą (ji žymima raide U) grandinės dalyje reikia elektros srovės darbą padalyti iš krūvio, pratekėjusio ta grandinės dalimi. Vadinasi, įtampa (U) yra lygi elektros srovės darbo (A) ir grandine pratekėjusio elektros krūvio (q) santykiui:

Įtampos matavimo vienetas (kaip ir elektrinio lauko potencialo) buvo pavadintas voltu.

Elektrinė įtampa lygi 1 V, kai grandinės dalimi pratekėjęs 1 C elektros krūvis atlieka 1 J darbą:

\left[U\right]=\frac{1\ \mathrm{J}}{1\ \mathrm{C}}=1\ \mathrm{V.}

Tarkime, kad įtampa grandinės dalyje lygi 10 V. Vadinasi, 1 C elektros krūvis tekėdamas šia grandinės dalimi atlieka 10 J darbą.

Be pagrindinio įtampos matavimo vieneto – volto, vartojami ir kiti matavimo vienetai:

1 kV = 1 000 V;

1 mV = 0,001 V.

Elektrinę įtampą šaltinio gnybtuose, grandinėje arba grandinės dalyje galima išmatuoti voltmetru. Voltmetrai gali būti įvairios konstrukcijos ir formos (2.5.4 pav.).

Elektrinėse schemose voltmetras žymimas simboliu . Voltmetras jungiamas į grandinę dviem gnybtais, pažymėtais pliuso (+) ir minuso (−) ženklais. Voltmetras į grandinę jungiamas lygiagrečiai (2.5.5 pav., a). Pliusu pažymėtas voltmetro gnybtas jungiamas su laidu, einančiu iš teigiamojo šaltinio poliaus. Minusu pažymėtas voltmetro gnybtas jungiamas su laidu, einančiu iš neigiamojo šaltinio poliaus (2.5.5 pav., b).

Lygiagretųjį voltmetro jungimo būdą galima imituoti žaidimu. Tarkime, vienas vaikas atitinka elektros prietaisą (pavyzdžiui, varžą). Kitas vaikas (voltmetro analogas) atsistoja priešais jį ištiestų rankų atstumu ir ant pečių uždeda rankas. Vaikai yra lygiagrečioje padėtyje, ištiestos rankos atitinka laidus, kuriais voltmetras jungiamas prie elektrinio prietaiso.

Elektrinę įtampą galima matuoti ir multimetru (2.5.6 pav.).

Matuojant nuolatinę įtampą multimetrą reikia perjungti į DCV režimą. Geriausiai pradėti nuo didžiausios įtampos vertės ir palaipsniui mažinti įtampos diapazoną, kol bus gautas reikiamas rodmuo.

Matuojant įtampą elektros grandinėje reikia atsižvelgti į jungiklį (2.5.7 pav.):

• kai jungiklis išjungtas, elektros grandinė yra atvira. Tuomet multimetras matuoja įtampą tik tarp šaltinio polių (2.5.7 pav., a);