Pinge — määratlus, elektripotentsiaal, volt ja mõõtmine
Pinge — selgus elektripotentsiaalist, volti tähendus ja praktilised mõõtmismeetodid. Lugege, kuidas volt ja pinge toimivad ning kuidas neid õigesti mõõta.
Pinge on see, mis paneb elektrilaengud liikuma. See on nagu "tõukejõud" või energiaühiku kohta langev töö, mis paneb laengud juhtmes või muus elektrijuhis liikuma. Kuigi pinge toimib laengute liikumise algatajana, ei ole pinge ise jõud jõud tinglikus mõttes — füüsikaliselt on tegemist elektrilise potentsiaalierinevusega, mis väljendab energiat laenguühiku kohta.
Elektriline potentsiaalierinevus on teaduslik termin, mida tavakeeles sageli nimetatakse lihtsalt pingeks. Mõnikord kasutatakse ka mõisteid "potentsiaali erinevus" või teatud olukordades "elektromotoorne jõud" (EMF), kui räägitakse pingest, mida tekitab patarei või generaator.
Pinge on kahe punkti vahelise elektrilise potentsiaali erinevus. Pinget mõõdetakse ühikuga volt. Volt on nime saanud Alessandro Volta järgi. Üks volt on ühe džauli jagatud ühe kuuliga (1 V = 1 J/C). Ühiku sümbol on suur täht V (näiteks 9 V). Vastavalt rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi reeglitele kirjutatakse ühikud, mis on tuletatud isikunimest, sümbolitena suurtähtedega.
Pange tähele, et volt ja pinge on erinevad asjad: volt on mõõtühik, millega pinget väljendatakse, pinge ise on füüsikaline suurus (elektriline potentsiaalierinevus). Elektrilise potentsiaali ja pinge mõõtühik on voltid; näiteks "9 volti" või "9 V". Kui pinget tähistatakse valemites, võib seda kirjutada kursiivselt kui V = 9 V V = 9 V {\displaystyle V=9\,{\text{V}} 
. Mõnikord kasutatakse väiksemaid tähiseid (nt v) või erimärke elektrotehnikas; Ohmi seaduse lihtsustatud kujul võib näha v = ir v = ir {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}}}. 
Elektrotehnikud kasutavad pinge tähistamiseks vahel ka tähte e {\displaystyle e}
, näiteks e = i r e = i r {\displaystyle e=ir} 
, et rõhutada pinget kui potentsiaalierinevust võrreldes üksnes mõõtühikuga.
Tehniliselt toimub pingemõõtmine alati kahe punkti vahel — näiteks patarei positiivse ja negatiivse klemmiga, juhtme ja maa vahel või vooluahela kahe erineva punktiga. Igapäevases elus on koduelektri pinge eri riikides erinev: USAs on tavaline nimipingeks umbes 120 V (juhtmest maanduseni mõõdetuna), samas paljudes Euroopa riikides on levinud 230 V (faasist nullini).
Pinge iseenesest ei kanna energiat — energia kandmiseks peab voolama ka elektrivool. Näiteks võib olla kõrge pinge takistusega juhtmel, mille korral ilma suletud vooluringita voolu ei teki ning seetõttu ei toimu ka võimsuse ülekanne. Seetõttu võivad linnud istuda kõrgepingeliinidel (nt 12 kV või 16 kV) ja jääda elusaks, kui nad ei ühenda kahte erinevat potentsiaali vahetult läbi oma kehaga, st voolu ei voola läbi linnu maa või teise juhtme suunas.
On kaks põhilist pingetüüpi: alalis- ja vahelduvpinge. Alalisvoolu pinge (DC) on aja jooksul konstantse polaarsusega (positiivne või negatiivne), nagu patareidel. Vahelduvvoolu pinge (AC) muutub aja jooksul: selle polaarsus ja väärtus vahelduvad perioodiliselt (Ameerikas 60 korda sekundis ehk 60 Hz, Euroopas tavaliselt 50 Hz). AC-pinge puhul kasutatakse tihti RMS‑(ruutkeskmise) väärtust, mis näitab püsiva alalisvooluga võrreldavat soojustoodangut; näiteks 230 V AC on tavaliselt 230 V RMS, mille tegelik tipu (peak) väärtus on umbes 325 V (230 × √2). Samuti võib AC-pinget iseloomustada tipu‑tipp (peak-to-peak) väärtusega või faasorienteeritud (phasor) esitusega keerukamatel analüüsidel.
Kuidas pinget mõõdetakse
Pinge mõõtmiseks kasutatakse voltmeetrit või multimeetrit, mis ühendatakse mõõdetava kahe punkti vahele (pinget mõõdetakse paralleelselt mõõdetava elemendiga). Oluline on, et mõõteriista sisetakistus oleks piisavalt suur, et see ei mõjutaks mõõdetavat ahelat märkimisväärselt (eelkõige elektroonikaseadmetes). Koos ajas muutuva (AC) pinge uurimiseks kasutatakse ostsilloskoope, mis kuvavad pingelainekuju ja võimaldavad mõõta amplituudi, sagedust ning faasinihet.
Mõned praktilised näpunäited mõõtmisel:
- Kalkuleerige, kas mõõtmiseks vajalik on DC- või AC‑režiim.
- Pinge mõõdetakse alati kahe punkti vahel — sageli on üks neist "maa" (GND) või nulljuhe.
- Avatud ahela (ilma koormuseta) all on allika avastarduspinge (open‑circuit), aga kui allikale ühendatakse koormus, võib pinget mõjutada sisetakistus ja pinge langeda.
- Elektriohutuse tagamiseks kasutage sobiva pingetihendi ja isoleeritud mõõtevahendeid ning järgige ohutusjuhiseid, eriti kõrgepinge korral.
Seosed voolu ja takistusega
Üks lihtsamaid seoseid on Ohmi seadus: v = ir v = ir {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}}}. See seos kehtib lineaarse takistuse korral ning näitab, et antud takistuse korral tekitab vool i pinge v. Patarei või muu pingeallika sisetakistus võib põhjustada seda, et koormuse all on pingelang pingeallikale väiksem kui avatud ahela pinge.
Vooluahela ehituses kehtivad järgmised põhimõtted:
- Seeriakaitsel (jadamises) liidetakse pinged: kahe allika järjest ühendamisel liituvad nende pinged.
- Rõngasühenduses (paralleelselt) on pinged ühised ja vool jaguneb takistuste vahel.
Mõned täiendavad mõisted
EMF (elektromotoorne jõud) – pingeallika, näiteks patarei või generaatori, pinge avatud ahela tingimustes. Praktikas tähendab see allika maksimaalset potentsiaalierinevust enne koormust.
RMS‑väärtus – AC‑pingete puhul kasutatakse sageli ruutkeskmist (root mean square), et väljendada pinget, mis tekitaks samasuguse soojusmõju takistuses nagu võrdne DC‑pinge. Näiteks 230 V RMS vastab ~325 V tipuväärtusele.
Ohutus
Pinge võib olla ohtlik, eriti kui tegemist on kõrge pingega või kui on olemas teekond voolu läbimiseks läbi inimkeha. Mõned üldised ohutuspõhimõtted:
- Ärge puutu lahtisi elektrijuhtmeid ega komponente pingelise vooluahela juures ilma sobiva isikukaitseta.
- Kasutage tööriistu ja mõõteriistu, mis on ettenähtud konkreetse pingetaseme jaoks.
- Maandus ja kaitseõlised (kaitsmed, MCB, RCD) aitavad vähendada ohtu elektrilöögist ja õnnetustest.
Kui teil on huvi spetsiifiliste näidete või mõõtmiste kohta (nt kuidas mõõta patareid, kuidas lugeda osciloskoobi näitu, RMS vs amplitude või kuidas käsitleda sisetakistust), võin lisada samm‑sammulised juhised ja praktilised soovitused.
Kõrgepingekaabli ühendamine
Määratlus
Pinge on elektrilise potentsiaali muutus kahe koha vahel
või elektrilise potentsiaali energia muutus ühe kuulibiga kahe koha
vahel.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\displaystyle V=\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}} 
Kus V=pinge, EPE=elektriline potentsiaalne energia, q=laeng, ∆=erinevus.
Maanduspinge
Pinge mõõdetakse alati kahe punkti vahel ja ühte neist nimetatakse sageli "maanduseks" või nullvoldi (0V) punktiks. Enamikus vahelduvvoolu elektripaigaldistes on ühendus maaga. Ühendus tegeliku maaga toimub veetoru, maa sisse maetud või aetud maandusvarda või maa alla maetud sobiva metalljuhtme (mitte gaasitoru) kaudu. See ühendus tehakse elektrisüsteemi sisenemiskohas hoonesse, iga posti juures, kus on trafo tänava ääres (sageli elektripostil), ja muudes kohtades süsteemis. Pinge mõõtmisel kasutatakse võrdluspunktina kogu planeeti Maa. Hoones viiakse see maa iga elektriseadmesse kahe juhtmega. Üks neist on "maandusjuhe" (roheline või paljas juhe) ja seda kasutatakse ohutusmaandusena, et ühendada seadmete metallosad maaga. Teist kasutatakse süsteemi vooluahelate ühe elektrijuhina ja seda nimetatakse "neutraalseks juhiks". See maanduspotentsiaalil olev juhe ühendab kõik vooluahelad, juhtides voolu mis tahes elektriseadmetest tagasi süsteemi sisenemispunkti hoonetes ja seejärel tavaliselt tänaval asuvasse trafosse. Paljudes kohtades väljaspool hooneid ei ole vaja juhtmeid, mis lõpetavad vooluahelaid ja kannavad voolu hoonetest generaatoritesse. Tagasitee, mis kannab kogu voolu tagasi, on maa ise.
Alalisvooluahelates nimetatakse generaatori või aku negatiivset otsa sageli "maanduseks" või nullvoldi (0V) punktiks, kuigi ühendus maaga võib olla või mitte olla. Samal trükkplaadil (PCB) võib olla mitu maandust, näiteks tundlike analoogahelate puhul võib see osa vooluahelast kasutada "analoogmaandust" ja digitaalne osa, millel on " digitaalne maa".
Elektriseadmetes võib 0-voldine punkt olla metallkere, mida nimetatakse šassiimaanduseks, või ühendus tegeliku maaga, mida nimetatakse maandusmaanduseks, mõlemal neist on oma sümbol, mida kasutatakse elektriskeemijoonistel (vooluahela joonistel).
Mõõtmisvahendid
Mõned pinge mõõtmise vahendid on voltmeeter ja ostsilloskoop.
Voltmeeter mõõdab kahe punkti vahelist pinget ja seda saab seadistada alalisvoolu või vahelduvvoolu režiimile. Voltmeeter võib mõõta näiteks patarei alalispinget (tavaliselt 1,5 V või 9 V) või vahelduvpinget seinapistikupesast (tavaliselt 120 V).
Keerulisemate signaalide puhul võib kasutada ostsilloskoopi alalis- ja/või vahelduvpinge mõõtmiseks, näiteks kõlari pinge mõõtmiseks.
Potentsiaalvahe
Pinge ehk potentsiaalierinevus punktist a punkti b on energiakogus džaulides (elektrivälja tulemusena), mis on vajalik, et liigutada 1 kuulib positiivset laengut punktist a punkti b. Negatiivne pinge punktide a ja b vahel on pinge, mille puhul on vaja 1 kuulib energiat, et liigutada negatiivset laengut punktist a punkti b. Kui laetud objekti ümber on ühtlane elektriväli, tõmbuvad negatiivselt laetud objektid suurema pinge poole ja positiivselt laetud objektid madalama pinge poole. Kahe punkti vaheline potentsiaalierinevus/pinge ei sõltu teekonnast punktist a punkti b. Seega on pinge punktist a punkti b + pinge punktist b punkti c alati võrdne pingega punktist a punkti c. Seega on pinge punktist a punkti c alati võrdne pingega.
Küsimused ja vastused
K: Mis on pinge?
V: Pinge on elektriline potentsiaalierinevus, elektrilise potentsiaali erinevus kahe koha vahel. Seda võib pidada jõuks, mis sunnib laenguid juhtmes või muus elektrijuhis liikuma.
K: Millist ühikut kasutatakse pinge mõõtmiseks?
V: Pinge mõõtmise ühik on volt. Selle ühiku sümbol kirjutatakse suure V-ga (9V).
K: Kuidas tekitab pinge voolu?
V: Pinge võib põhjustada laengute liikumist ja kuna liikuvad laengud tekitavad voolu, võib pinge põhjustada voolu.
K: Kes oli Alessandro Volta ja miks nimetati volt tema järgi?
V: Alessandro Volta oli Itaalia füüsik, kes leiutas 1800. aastal esimese patarei. Volt sai tema järgi nime, et avaldada austust tema panuse eest teaduses.
K: Kas volt ja pinge on kaks erinevat asja?
V: Jah, volti on mõõtühikud, millega me midagi mõõdame, samas kui pinge viitab sellele, mida me nende mõõtühikute abil mõõdame.
K: Millised on kaks tüüpi pingeid?
V: Pinge on kahte liiki - alalisvool (alalisvool) ja vahelduvvool (vahelduvvool). Alalisvoolul on alati sama polaarsus, samas kui vahelduvvoolul vahelduvad positiivsed ja negatiivsed polaarsused.
K: Kas lindudel on võimalik maanduda kõrgepingeliinidele, ilma et nad kannataksid?
V: Jah, linnud võivad maanduda kõrgepingeliinidele, näiteks 12kV ja 16kV, ilma, et nad sureksid, sest seal peab olema nii pinge kui ka vool, et võimsus (energia) saaks läbi nende üle kanduda - kui on olemas ainult üks element, siis ei juhtu midagi.
Otsige