Napięcie elektryczne (różnica potencjałów) — definicja i jednostka Volt
Poznaj definicję napięcia elektrycznego, różnicę potencjałów i jednostkę Volt — prosto, z przykładami, wzorami i praktycznymi wyjaśnieniami dla początkujących i zaawansowanych.
Napięcie elektryczne to różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami. Może ono powodować ruch ładunków elektrycznych — to właśnie „pchnięcie”, które sprawia, że ładunki przemieszczają się w przewodzie elektrycznym lub innym przewodniku. Napięcie nie jest siłą w sensie klasycznej mechaniki, lecz jest wielkością energetyczną: gdy istnieje różnica potencjałów, ładunki mogą wykonywać pracę przy przepływie. Ruch ładunków to prąd, więc napięcie może wywołać przepływ prądu, o ile obwód jest zamknięty.
Definicja i wzory
Różnica potencjałów elektrycznych (ang. Electric Potential Difference) to ilość pracy wykonywanej na jednostkowym ładunku przy przemieszczaniu go między dwoma punktami pola elektrycznego. Można to zapisać wzorem:
- V = W / q, gdzie V to napięcie, W — wykonana praca (energia), a q — ładunek.
W praktyce spotyka się także zapis zależności między napięciem, prądem i oporem znany jako prawo Ohma:
voltage = current × rezystancja
W formie symbolicznej: v = ir 
(gdzie i to prąd, r to opór). Inżynierowie elektrycy czasem używają symbolu e 
dla napięcia, np. e = i r 
.
Jednostka — Volt
Jednostką napięcia jest Volt (skrót: V). Jeden wolt odpowiada jednemu dżulowi pracy na jednostkę ładunku, czyli:
- 1 V = 1 J / C (kulomb)
Nazwa jednostki upamiętnia Alessandro Voltę. Zgodnie z zasadami Międzynarodowego Systemu Jednostek, symbol jednostki pochodzącej od nazwiska pisze się wielką literą (V). Natomiast zmienne fizyczne, takie jak napięcie używane we wzorach, zwykle zapisuje się kursywą (np. V = 9 V). Jeśli stosuje się jednoliterowy symbol wielkości, często używa się małej litery (v), np. v = i r.
W tekście spotyka się niekiedy rozróżnienie między nazwą wielkości a jednostką: napięcie (w sensie wielkości) i volt (jednostka). Symbol napięcia w zapisie matematycznym jest kursywą, natomiast symbol jednostki (V) jest prostą wielką literą.
W tekście matematycznym pierwotnie umieszczone są ilustracje zapisu, zachowano je poniżej:
V = 9 V {\i1}, {\i1} 
Gdzie i jak mierzymy napięcie
Technicznie napięcie jest zawsze mierzone pomiędzy dwoma punktami — na przykład pomiędzy dodatnim i ujemnym biegunem akumulatora, pomiędzy przewodem a masą (uziomem) lub między dwoma punktami w obwodzie. Do pomiaru stosuje się woltomierz, który podłączany jest równolegle do elementu, którego napięcie chcemy zmierzyć.
W codziennym użytkowaniu energii elektrycznej podaje się napięcia w wartościach skutecznych (RMS) dla prądu zmiennego. Przykładowo:
- w USA nominalne napięcie sieci jednofazowej wynosi około 120 V RMS (między przewodem fazowym a neutralnym); w instalacjach domowych występuje też układ split-phase dający 240 V między dwoma fazami;
- w większości krajów europejskich napięcie sieciowe to około 230 V RMS między fazą a neutralnym.
Warto pamiętać, że wartość skuteczna (RMS) jest mniejsza niż wartość maksymalna sygnału sinusoidalnego: Vmax = √2 · Vrms.
Różne pojęcia: potencjał, napięcie, siła elektromotoryczna (EMF)
Warto rozróżnić kilka terminów:
- Potencjał elektryczny — energia przypadająca na jednostkowy ładunek w danym punkcie pola elektrycznego (względem wybranego punktu odniesienia).
- Różnica potencjałów — napięcie między dwoma punktami (to, co najczęściej nazywamy napięciem).
- Siła elektromotoryczna (EMF) — źródłowa różnica potencjałów w elementach takich jak bateria czy generator (może istnieć przy otwartym obwodzie), często oznaczana jako EMF, a w obwodach jako e.
EMF to pierwotne źródło energii powodujące rozdzielenie ładunków (np. w baterii), natomiast napięcie odczytane na zaciskach może różnić się od nominalnego EMF ze względu na wewnętrzną rezystancję źródła i obciążenie zewnętrzne.
DC i AC — napięcie stałe i zmienne
Istnieją dwa podstawowe rodzaje napięcia:
- Napięcie stałe (DC) — ma stałą polaryzację (dodatnią/ujemną), przykładem jest napięcie z akumulatora.
- Napięcie zmienne (AC) — zmienia kierunek i wartość w czasie; w sieciach energetycznych przyjmuje się zwykle sinusoidę o częstotliwości 50 Hz (Europa) lub 60 Hz (USA), czyli polaryzacja zmienia się odpowiednio 100/120 razy na sekundę (przejścia przez zero) i pełne cykle następują 50/60 razy na sekundę.
Prąd stały jest powszechnie używany w elektronice, akumulatorach i urządzeniach przenośnych, natomiast prąd zmienny jest wygodny do przesyłania energii na duże odległości i zasilania urządzeń domowych. W praktyce wiele urządzeń elektronicznych wewnętrznie korzysta z zasilania DC mimo, że są podłączone do sieci AC (stosuje się zasilacze i prostowniki).
Przekazywanie mocy i bezpieczeństwo
Dla przekazywania mocy elektrycznej potrzebne są zarówno napięcie, jak i prąd. Samo istnienie wysokiego napięcia nie powoduje przepływu energii, jeśli obwód nie jest zamknięty. Dlatego ptaki mogą siadać na linii wysokiego napięcia (np. 12 kV, 16 kV) i nie ginąć — między ich stopami nie występuje istotna różnica potencjałów, zatem przez ich ciało nie płynie znaczny prąd. Gdy jednak ptak dotknie jednocześnie przewodu i innego punktu o innej potencjale (np. masy lub innego przewodu), powstaje droga dla prądu i może dojść do porażenia.
To zjawisko pokazuje, że to natężenie prądu płynącego przez ciało decyduje o szkodliwości, a nie samo napięcie. Małe prądy (rzędu miliamperów) mogą być niebezpieczne, a większe — śmiertelne. Dla bezpieczeństwa projektuje się izolacje, uziemienia i zabezpieczenia, a w pracy z instalacjami stosuje się odpowiednie procedury i środki ochrony.
Poznanie napięcia w praktyce
Przy obliczeniach i analizie obwodów użytkowane są pojęcia takie jak napięcie źródła, spadek napięcia na rezystorze, napięcie między punktami referencyjnymi (np. masa/uziemienie). Przydatne są także przyrządy pomiarowe: woltomierz, multimetr, oscyloskop (do pomiaru przebiegów zmiennych) oraz analizatory sygnałów.
Podsumowanie
- Napięcie = różnica potencjałów między dwoma punktami; może powodować przepływ prądu, ale samo w sobie nie jest siłą.
- Jednostka napięcia to Volt (V), 1 V = 1 J / C.
- Napięcie mierzy się zawsze między dwoma punktami; w sieciach domowych używa się wartości RMS dla AC.
- Do przekazywania energii niezbędne są jednocześnie napięcie i prąd — dlatego nawet wysokie napięcie nie powoduje skutków, gdy prąd nie płynie.
- Wyróżniamy napięcie stałe (DC) i zmienne (AC); każde ma swoje zastosowania i reguły bezpieczeństwa.
Podłączanie kabla wysokiego napięcia
Definicja
Napięcie jest to zmiana potencjału elektrycznego pomiędzy dwoma miejscami
lub zmiana energii potencjalnej na kulę ziemską pomiędzy dwoma miejscami.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\i1}-(EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}} 
Where V=Voltage, EPE=Electric Potential Energy, q=charge, ∆=difference in.
Napięcie doziemne
Napięcie jest zawsze mierzone pomiędzy dwoma punktami, a jeden z nich jest często nazywany "masą", lub punktem zerowym napięcia (0V). W większości instalacji elektrycznych prądu przemiennego istnieje połączenie z masą. Połączenie z rzeczywistym gruntem wykonuje się za pomocą rury wodociągowej, pręta uziemiającego zakopanego lub wbitego w ziemię, lub za pomocą wygodnego metalowego przewodu (nie gazowego) zakopanego pod ziemią. Połączenie to wykonuje się w miejscu wejścia instalacji elektrycznej do budynku, na każdym biegunie, na którym znajduje się transformator przy ulicy (często na biegunie elektrycznym), oraz w innych miejscach instalacji. Cała planeta Ziemia jest wykorzystywana jako punkt odniesienia do pomiaru napięcia. W budynku ziemia ta jest przenoszona do każdego urządzenia elektrycznego na dwóch przewodach. Jeden z nich to "przewód uziemiający" (zielony lub goły) i służy jako uziemienie zabezpieczające do połączenia metalowych części urządzeń z ziemią. Drugi jest stosowany jako jeden z przewodów elektrycznych w obwodach systemu i jest nazywany "przewodem zerowym". Przewód ten, znajdujący się w potencjale uziemienia, uzupełnia wszystkie obwody, przenosząc prąd z dowolnego sprzętu elektrycznego z powrotem do punktu wejścia do systemu do budynków, a następnie do transformatora zwykle na ulicy. W wielu miejscach na zewnątrz budynków niepotrzebne staje się posiadanie przewodnika, który dopełnia obwody i przenosi prąd z budynków do generatorów. Drogą powrotną, która przenosi cały prąd z powrotem, jest sama ziemia.
W obwodach prądu stałego ujemny koniec generatora lub akumulatora jest często nazywany "masą" lub punktem zerowym napięcia (0V), mimo że może istnieć lub nie połączenie z masą. Na tej samej płytce drukowanej (PCB) może znajdować się kilka mas, na przykład w czułych obwodach analogowych, ta część obwodu może używać "uziemienia analogowego", a część cyfrowa ma "uziemienie cyfrowe".
W urządzeniach elektrycznych punktem 0 V może być metalowa obudowa zwana uziemieniem obudowy lub połączenie z rzeczywistym uziemieniem zwane uziemieniem, każde z ich własnym symbolem używanym na schematach elektrycznych (rysunkach obwodów).
Narzędzia pomiarowe
Niektóre z narzędzi do pomiaru napięcia to woltomierz i oscyloskop.
Woltomierz mierzy napięcie pomiędzy dwoma punktami i może być ustawiony na tryb DC lub AC. Woltomierz może mierzyć np. napięcie stałe akumulatora (zazwyczaj 1,5V lub 9V) lub napięcie AC z gniazda zasilania w ścianie (zazwyczaj 120V).
Dla bardziej złożonych sygnałów, oscyloskop może być użyty do pomiaru napięcia stałego i/lub zmiennego, na przykład do pomiaru napięcia w głośniku.
Potencjalna różnica
Napięcie lub różnica potencjałów od punktu a do punktu b jest ilością energii w dżulach (w wyniku działania pola elektrycznego) potrzebną do przeniesienia 1 kulminacyjnego ładunku dodatniego z punktu a do punktu b. Ujemne napięcie pomiędzy punktami a i b to takie, w którym 1 kulminacyjny ładunek energii jest potrzebny do przeniesienia ujemnego ładunku z punktu a do punktu b. Jeżeli wokół naładowanego obiektu występuje jednorodne pole elektryczne, obiekty naładowane ujemnie zostaną pociągnięte w kierunku wyższych napięć, a obiekty naładowane dodatnio w kierunku niższych napięć. Różnica potencjałów/napięć pomiędzy dwoma punktami jest niezależna od drogi przebytej od punktu a do b. Tak więc, napięcie od a do b + napięcie od b do c będzie zawsze równe napięciu od a do c.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest napięcie?
O: Napięcie to różnica potencjałów elektrycznych, różnica potencjałów elektrycznych między dwoma miejscami. Można o nim myśleć jako o sile, która popycha ładunki do ruchu w przewodzie lub innym przewodniku elektrycznym.
P: Jaką jednostkę stosuje się do pomiaru napięcia?
O: Jednostką miary napięcia jest wolt. Symbol tej jednostki zapisuje się wielką literą V (9V).
P: W jaki sposób napięcie wywołuje prąd?
O: Napięcie może powodować ruch ładunków, a ponieważ poruszające się ładunki wytwarzają prąd, napięcie może powodować prąd.
P: Kim był Alessandro Volta i dlaczego wolt został nazwany jego imieniem?
O: Alessandro Volta był włoskim fizykiem, który w 1800 roku wynalazł pierwszą baterię. Wolt został nazwany jego imieniem, aby uhonorować jego wkład w naukę.
P: Czy wolty i napięcie to dwie różne rzeczy?
O: Tak, wolty to jednostki, za pomocą których coś mierzymy, natomiast napięcie odnosi się do tego, co mierzymy za pomocą tych jednostek.
P: Jakie są dwa rodzaje napięcia?
O: Istnieją dwa rodzaje napięcia - DC (prąd stały) i AC (prąd zmienny). Prąd stały ma zawsze tę samą polaryzację, natomiast prąd zmienny ma na przemian polaryzację dodatnią i ujemną.
P: Czy ptaki mogą bez szkody lądować na liniach wysokiego napięcia?
O: Tak, ptaki mogą lądować na liniach wysokiego napięcia, takich jak 12kV i 16kV, nie ginąc, ponieważ aby moc (energia) mogła się przez nie przenieść, musi być obecne zarówno napięcie, jak i prąd - jeżeli obecny jest tylko jeden element, nic się nie stanie.
Przeszukaj encyklopedię