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{\displaystyle {\text{voltage}}={\text{current}}\times {\text{resistance}}}

W formie symbolicznej: v = ir {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}} (gdzie i to prąd, r to opór). Inżynierowie elektrycy czasem używają symbolu e {\displaystyle e} dla napięcia, np. e = i r {\displaystyle e=ir}.

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} {\displaystyle V=9\,{\text{V}}}

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.