Elektrické napätie: definícia, jednotka (volt) a typy (DC/AC)
Zrozumiteľný prehľad elektrického napätia: definícia, jednotka volt, rozdiel potenciálov a typy DC/AC. Vysvetlené jednoducho pre študentov aj domácich kutilov.
Čo je elektrické napätie
Napätie (presnejšie rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma bodmi) je fyzikálna veličina, ktorá udáva, koľko práce treba vykonať na presun jednotkového elektrického náboja z jedného miesta na druhé. Napätie vytvára elektrické pole, ktoré pôsobí na voľné náboje a pri uzavretom obvode ich môže uviesť do pohybu — tento pohyb nábojov nazývame prúd. V bežnom jazyku sa často povie, že napätie „tlačí“ náboje, avšak fyzikálne ide o rozdiel potenciálov a nie o silu v mechanickom zmysle.
Rozdiel potenciálov a elektromotorická sila (EMF)
Termín „rozdiel elektrických potenciálov“ je formálnejší názov pre to, čo voláme napätie. Neformálne sa používa aj pomenovanie „rozdiel potenciálov“. Zdroj napätia, napríklad batéria alebo generátor, môže mať elektromotorickú silu (EMF) — to je napätie generované zdrojom v otvorenom obvode. EMF je často zamieňaná s napätím na svorkách zdroja, pričom v prítomnosti vnútorného odporu zdroja sa tieto hodnoty môžu líšiť.
Jednotka napätia — volt
Jednotkou napätia je volt, pomenovaný po Alessandro Voltom. Jeden volt zodpovedá jednému joulu práce vykonanej pri prenose jedného coulomb náboja (1 V = 1 J/C). Symbol pre volt sa píše veľkým písmenom V (napr. 9 V), pretože ide o jednotku odvodenú od vlastného mena. Pri písaní premennej, ktorá označuje napätie vo vzorcoch, sa bežne používa kurzíva malé písmeno v (napr. v = i·r). V elektrotechnike sa tiež často používa symbol e pre napätie zdroja (napr. e = i r).
Upozornenie: volt je len jednotka merania, zatiaľ čo napätie je fyzikálna veličina, ktorú touto jednotkou meráme. V textoch sa preto stretávame s rozlíšením medzi veličinou (napätie) a jej jednotkou (V).
Meranie napätia a základné vlastnosti
Napätie sa vždy meria medzi dvoma bodmi — napríklad medzi kladným a záporným pólom batérie, medzi vodičom a zemou, alebo medzi dvoma bodmi v elektronickom obvode. Na meranie používame voltmeter (multimeter zapnutý na meranie napätia), ktorý sa zapája paralelne k meranému úseku obvodu. V praxi je dôležité rozlíšiť medzi okamžitým (okamihovým) napätím, priemerným napätím a účinným napätím (RMS) u striedavých priebehov.
V domácnostiach sa udáva sieťové napätie ako efektívna (RMS) hodnota. Napríklad v USA je bežné jednofázové napätie 120 V (RMS) medzi fázovým vodičom a zemou, zatiaľ čo v Európe a Veľkej Británii je to zvyčajne 230 V (RMS). Pri prenose energie sa často pracuje s vyššími hodnotami (kV) meranými buď fáza–fáza alebo fáza–zem.
Napätie, prúd a odpor — Ohmov zákon
Existný pevný vzťah medzi napätím, prúdom a odporom vyjadruje Ohmov zákon: napätie sa rovná prúdu krát odpor. V textoch sa toto píše rôzne, napr. napätie = prúd × odpor {\displaystyle {\text{napätie}}={\text{prúd}}\krát {\text{odpor}}} 
alebo kratšie v = ir {\displaystyle {\text{v}}={text{ir}}} 
. V označovaní jednotiek a premenných je bežné používať kurzívu pre veličiny (v, i, r), zatiaľ čo symbol jednotky volt je V (napr. V = 9 V V = 9 V {\displaystyle V=9\,{\text{V}}} 
).
Prečo napätie samo o sebe nestačí
Na prenos výkonu (energie) cez obvod musia byť prítomné aj napätie aj prúd. Samotné vysoké napätie bez cesty pre prúd neprenáša výkon. Príkladom sú vtáky sediace na vysokonapäťových vodičoch — vták môže byť v kontakte s vedením s napätím 12 kV alebo 16 kV, ale ak medzi jeho nohami nie je významný potenciálový rozdiel, prúd ním nepreteká a vták nie je zrazený. Nebezpečenstvo nastane, ak vták (alebo človek) súčasne dotkne vodiča a zemného bodu alebo iného vodiča s iným potenciálom — vtedy vznikne prúdová cesta a môže dôjsť k úrazu.
Typy napätia: jednosmerné (DC) a striedavé (AC)
Existujú dva základné typy napätia:
- Rovnosmerné (DC, jednosmerné) napätie: má stály smer a polaritu (kladnú alebo zápornú), typickým príkladom sú batérie alebo DC zdroje v elektronike. DC sa často používa v elektronických obvodoch, batériách, solárnych článkoch a pri napájaní citlivej elektroniky.
- Striedavé (AC, striedavé) napätie: mení smer a polaritu periodicky. V domácej sieti sa mení polarita sinusoide približne 50-krát za sekundu (50 Hz) v Európe alebo 60-krát za sekundu (60 Hz) v USA. Pre AC sú dôležité pojmy ako amplitúda (peak), efektívna hodnota (RMS) a frekvencia. AC napätie sa často používa pre prenos energie a v napájacích sieťach pre svoj výhodný prenos pomocou transformátorov.
Zdroje napätia a bezpečnosť
Typické zdroje napätia sú batérie (DC), fotočlánky, palivové články, generátory, alternátory a sieťové transformátory (AC). Pri práci s elektrickým napätím je zásadná bezpečnosť: dôležité je vedieť, ktoré miery napätia sú potenciálne nebezpečné, používať izoláciu, uzemnenie, poistky a ističe a pri meraní napätí používať vhodné meracie prístroje s primeranou kategóriou a rozsahom.
Zhrnutie
Napätie je rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma bodmi, merané vo voltoch (V). Vytvára elektrické pole, ktoré môže spôsobiť pohyb nábojov (prúd) pri uzavretom obvode. Existujú DC a AC napätia, pričom AC má periodickú zmenu polarity (50/60 Hz) a jej hodnoty sa často udávajú ako efektívne (RMS). Na meranie napätia sa používa voltmeter a pre praktické použitie a bezpečnosť je potrebné dbať na správne zapojenie, izoláciu a ochranné prostriedky.
Pripojenie vysokonapäťového kábla
Definícia
Napätie je zmena elektrického potenciálu medzi dvoma miestami
alebo zmena elektrickej potenciálnej energie na coulomb medzi dvoma miestami.
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}} 
Kde V = napätie, EPE = elektrická potenciálna energia, q = náboj, ∆ = rozdiel v.
Napätie na zemi
Napätie sa vždy meria medzi dvoma bodmi, pričom jeden z nich sa často nazýva "zem" alebo nulový bod (0 V). Vo väčšine elektrických inštalácií na striedavý prúd je pripojenie k zemi. Spojenie so skutočnou zemou sa uskutočňuje prostredníctvom vodovodného potrubia, zemniacej tyče zakopanej alebo zatĺkanej do zeme alebo vhodného kovového vodiča (nie plynového potrubia) zakopaného pod zemou. Toto spojenie sa vytvára v mieste vstupu elektrickej sústavy do budovy, na každom stĺpe, kde je transformátor na ulici (často na elektrickom stĺpe), a na ďalších miestach sústavy. Ako referenčný bod na meranie napätia sa používa celá planéta Zem. V budove je táto zem vedená ku každému elektrickému zariadeniu na dvoch vodičoch. Jeden z nich je "uzemňovací vodič" (zelený alebo holý vodič) a používa sa ako bezpečnostné uzemnenie na pripojenie kovových častí zariadenia k zemi. Druhý sa používa ako jeden z elektrických vodičov v obvodoch systému a nazýva sa "nulový vodič". Tento vodič, ktorý je na potenciáli zeme, dopĺňa všetky obvody tým, že odvádza prúd z akéhokoľvek elektrického zariadenia späť do miesta vstupu systému do budov a potom do transformátora zvyčajne na ulici. Na mnohých miestach mimo budov je zbytočné mať vodič na dokončenie obvodov a vedenie prúdu z budov do generátorov. Spiatočnou cestou, ktorá prenáša všetok prúd späť, je samotná zem.
V obvodoch jednosmerného prúdu sa záporný koniec generátora alebo batérie často nazýva "zem" alebo bod s nulovým napätím (0 V), aj keď môže, ale nemusí byť spojený so zemou. Na tej istej doske plošných spojov (PCB) môže byť niekoľko uzemnení, napríklad pri citlivých analógových obvodoch môže táto časť obvodu používať "analógovú zem" a digitálna časť mať " digitálnu zem".
V elektrických zariadeniach môže byť bodom 0 V kovové šasi nazývané uzemnenie šasi alebo spojenie so skutočnou zemou nazývané uzemnenie, pričom každý z týchto bodov má svoj vlastný symbol používaný v elektrických schematických výkresoch (výkresoch obvodov).
Meracie nástroje
Medzi nástroje na meranie napätia patria voltmeter a osciloskop.
Voltmeter meria napätie medzi dvoma bodmi a možno ho nastaviť na režim jednosmerného alebo striedavého prúdu. Voltmeter môže merať napríklad jednosmerné napätie batérie (zvyčajne 1,5 V alebo 9 V) alebo striedavé napätie zo zásuvky na stene (zvyčajne 120 V).
V prípade zložitejších signálov možno na meranie jednosmerného a/alebo striedavého napätia použiť osciloskop, napríklad na meranie napätia na reproduktore.
Rozdiel potenciálov
Napätie alebo rozdiel potenciálov z bodu a do bodu b je množstvo energie v jouloch (v dôsledku elektrického poľa) potrebné na presun 1 coulombu kladného náboja z bodu a do bodu b. Záporné napätie medzi bodmi a a b je také, pri ktorom je potrebný 1 coulomb energie na presun záporného náboja z bodu a do bodu b. Ak je okolo nabitého objektu rovnomerné elektrické pole, záporne nabité objekty budú priťahované k vyšším napätiam a kladne nabité objekty budú priťahované k nižším napätiam. Rozdiel potenciálov/napätie medzi dvoma bodmi nezávisí od cesty, ktorou sa dostanú z bodu a do bodu b. Napätie z bodu a do bodu b + napätie z bodu b do bodu c sa teda vždy bude rovnať napätiu z bodu a do bodu c.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to napätie?
Odpoveď: Napätie je rozdiel elektrických potenciálov, rozdiel elektrických potenciálov medzi dvoma miestami. Možno si ho predstaviť ako silu, ktorá núti náboje pohybovať sa v drôte alebo inom elektrickom vodiči.
Otázka: Aká jednotka sa používa na meranie napätia?
Odpoveď: Jednotkou na meranie napätia je volt. Symbol tejto jednotky sa píše s veľkým písmenom V (9 V).
Otázka: Ako napätie spôsobuje prúd?
Odpoveď: Napätie môže spôsobiť pohyb nábojov, a keďže pohybujúce sa náboje vytvárajú prúd, napätie môže spôsobiť prúd.
Otázka: Kto bol Alessandro Volta a prečo bol po ňom pomenovaný volt?
Odpoveď: Alessandro Volta bol taliansky fyzik, ktorý v roku 1800 vynašiel prvú batériu. Volt bol po ňom pomenovaný na počesť jeho prínosu pre vedu.
Otázka: Sú volty a napätie dve rôzne veci?
Odpoveď: Áno, volty sú jednotky, ktorými niečo meriame, zatiaľ čo napätie sa vzťahuje na to, čo pomocou týchto jednotiek meriame.
Otázka: Aké sú dva druhy napätia?
Odpoveď: Existujú dva druhy napätia - jednosmerné (jednosmerný prúd) a striedavé (striedavý prúd). Jednosmerný prúd má vždy rovnakú polaritu, zatiaľ čo striedavý prúd strieda kladnú a zápornú polaritu.
Otázka: Je možné, aby vtáky pristáli na vedeniach vysokého napätia bez toho, aby sa im niečo stalo?
Odpoveď: Áno, vtáky môžu pristáť na vysokonapäťových vedeniach, ako sú 12 kV a 16 kV, bez toho, aby zahynuli, pretože na to, aby sa cez ne prenášala energia, musí byť prítomné napätie aj prúd - ak je prítomný len jeden prvok, nič sa nestane.
Prehľadať