Napetost (električna potencialna razlika): definicija, volt, enosmerna/izmenična

Električni naboji se premikajo zaradi napetosti. Napetost je neke vrste "potisk" ali razliko v električnem potencialu, ki povzroči, da se naboji premikajo v žici ali drugem električnem vodniku. Bolj natančno je napetost razlika električne potencialne energije na enoto naboja: povzroči spremembo potencialne energije, ko se naboj premakne med dvema točkama. Napetost ni sila v mehaničnem pomenu (to ni newtonska sila), ampak lahko deluje kot vzrok, zaradi katerega tok teče — če je na voljo tudi pot za tok.

Pojmi: električni potencial, napetost, elektromotorična sila (EMF)

Izraz električna potencialna razlika je strogo znanstven izraz in se v vsakdanjem jeziku pogosto imenuje preprosto napetost. Neformalno se včasih uporabi tudi kratka fraza "potencialna razlika". Napetost, ki jo povzroča vir (npr. baterija ali generator), se v elektrotehniki včasih imenuje tudi elektromotorična sila (EMF), čeprav EMF tehnično opisuje vir, ki ustvarja razliko potencialov (vključno z notranjimi procesi, kot je kemija v bateriji ali elektromagnetna indukcija v generatorju).

Enota napetosti: volt

Napetost ali razlika električnih potencialov se meri v enotah volt. Volt je poimenovan po Alessandru Volti. En volt je enak enemu joulu na coulomb (1 V = 1 J/C). Simbol za enoto volt se zapiše z veliko črko V (npr. 9 V). V skladu s pravili mednarodnega sistema enot se simbol za enoto, ki izhaja iz lastnega imena, piše z veliko začetnico.

Upoštevajte razliko: volt je enota, medtem ko je napetost fizikalna količina, ki jo merimo s to enoto. Električni potencial in napetost sta količini, volt pa je enota za merjenje obeh. Simbol za enoto volt zapišemo V (npr. 9 V). V formulah se napetost pogosto zapiše poševno ali z malo začetnico kot v:

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

V elektrotehniki se pogosto uporablja tudi simbol v ali črka e {\displaystyle e} $e$ za napetost vira. Pri zapisovanju osnovnega Ohmovega zakona se pogosto srečamo z zapisom:

napetost = tok × upornost {\displaystyle {\text{napetost}}={\text{tok}}}krat {\text{odpornost}}} ${\text{voltage}}={\text{current}}\times {\text{resistance}}$ ali kražje

v = ir {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}} ${\text{v}}={\text{ir}}$ $e=ir$ .

Meri napetosti in referenčne točke

Tehnično je napetost vedno razlika električnega potenciala med dvema točkama. Napetost torej vedno merimo med dvema točkama, npr. med pozitivnim in negativnim koncem baterije, med živo žico in zemljo ali med dvema vozliščema v vezju. Pri uporabi v gospodinjstvu v ZDA je običajna vrednost približno 120 V (to je RMS vrednost izmenične napetosti do tal), v Evropi in Združenem kraljestvu pa je standardna omrežna napetost okoli 230 V (RMS). Omrežna frekvenca je v ZDA 60 Hz, v Evropi in večini sveta pa 50 Hz.

V praksi je pomembno vedeti, da z visoko napetostjo sama po sebi še ni zagotovljena moč ali škoda — za prenos moči potrebujemo tudi tok. Na primer, na žici, ki je izolirano in ni vzpostavljena pot do zemlje ali drugega vodnika, lahko obstaja visoka napetost brez pretoka toka skozi ptico, ki na žici sedi. Ptice običajno sedijo na eni sami žici in zato med njihovima stopaloma ni velike razlike potencialov; tok skozi njih zato ne teče. Če pa žival ali oseba hkrati dotakne dve točki z različno napetostjo (npr. dve žici ali žico in zemljo), se lahko skozi telo sproži nevaren tok.

AC in DC: vrste napetosti

Poznamo dve osnovni vrsti napetosti:

Enosmerna napetost (DC): ima stalno polariteto (konstantna vrednost ali enosmerna usmerjena), kot denimo napetost baterije. Uporablja se predvsem v elektroniki, komunikacijskih napravah, v avtomobilih, za napajanje vezij ipd.
Izmenična napetost (AC): polariteta se izmenjuje v času (npr. sinusni signal), vrednost pa oscilira med pozitivno in negativno. Omrežna napetost je izmenična; frekvenca (število ciklov na sekundo) je pogosto 50 Hz ali 60 Hz. Pri sinusni izmenični napetosti je uporabna količina RMS (root mean square), ki pove ekvivalentno enosmerno napetost z enako toplotno močjo. Za sinusno obliko je V_peak = sqrt(2) × V_RMS, peak-to-peak pa je 2 × V_peak.

Viri napetosti, merjenje in praktične formule

Napetost ustvarijo različni viri: kemične reakcije v baterijah, fotonika v sončnih celicah, elektromagnetna indukcija v generatorjih, transformatorji, napajalniki itd. Pri praktičnem delu z vezji se napetost meri z voltmetrom, ki ima visoko notranjo upornost, da ne spremeni merjenega sistema. Voltmeter vedno priključimo med točkama, med katerima želimo poznati razliko potencialov.

Nekatere koristne osnovne formule:

Ohmov zakon: V = I · R (napetost = tok × upornost)
Električna moč: P = V · I (ali P = I^2 · R = V^2 / R)

Varnost in praktični nasveti

Visoka napetost pomeni večje tveganje, vendar je nevarnost odvisna tudi od poti toka, trajanja stika in toka samega. Tudi napetosti, ki same po sebi ne povzročijo toka skozi telo (kot pri pticah na eni žici), lahko ob drugačnem stiku ali v primeru poškodb izolacije povzročijo tok in smrtno nevarnost. Električni lok (iskrenje) lahko nastane, če električno polje preseže dielektrično trdnost zraka ali izolacije — zato so visokonapetostne naprave nevarne tudi na varnostni razdalji.

Pri delu z elektriko uporabite ustrezno zaščito, merilno opremo in postopke. Pri merjenju napetosti v omrežju vedno upoštevajte, da je voltmeter priključen med dvema točkama; marsikdo zaradi napačne uporabe naredi kratki stik ali opazi le del napetosti. V primeru dvoma ali pri delu z visoko napetostjo se posvetujte s pooblaščenim strokovnjakom.

Dodatne opombe

- Napetost se lahko izrazi tudi kot funkcija časa (v(t)) v pulznih ali prehodnih procesih.
- Pri izmenični napetosti so pomembne tudi harmonike, oblikovanje signala in impedanca, ki vplivajo na prenos energije.
- Pri povezovanju virov napetosti (serijsko/ vzporedno) upoštevajte polariteto in nazivno napetost, da ne pride do poškodb.

Priključitev visokonapetostnega kabla

Opredelitev

Napetost je sprememba električnega potenciala med dvema krajema
ali sprememba električne potencialne energije na coulomb med dvema krajema.

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}} $V=\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}$

Kjer V=napetost, EPE=električna potencialna energija, q=naboj, ∆=razlika v.

Napetost tal

Napetost vedno merimo med dvema točkama, pri čemer eno od njiju pogosto imenujemo "zemlja" ali točka nič voltov (0V). V večini električnih napeljav za izmenični tok je povezava z zemljo. Povezava s pravo zemljo je izvedena prek vodovodne cevi, ozemljitvene palice, zakopane ali zabite v zemljo, ali primernega kovinskega vodnika (ne plinske cevi), zakopanega pod zemljo. Ta povezava je narejena na mestu vstopa električnega sistema v stavbo, na vsakem drogu, kjer je transformator na ulici (pogosto na električnem drogu), in na drugih mestih v sistemu. Kot referenčna točka za merjenje napetosti se uporablja celoten planet Zemlja. V stavbi je ta zemlja speljana do vsake električne naprave po dveh žicah. Eden je "ozemljitveni vodnik" (zelena ali gola žica) in se uporablja kot varnostna ozemljitev za povezavo kovinskih delov opreme z zemljo. Drugi se uporablja kot eden od električnih vodnikov v tokokrogih sistema in se imenuje "nevtralni vodnik". Ta žica, ki je na potencialu zemlje, zaključuje vse tokokroge tako, da prenaša tok iz katere koli električne opreme nazaj do vstopne točke sistema v stavbah in nato do transformatorja, ki je običajno na ulici. Na številnih mestih zunaj stavb ni treba imeti žice, ki zaključuje tokokroge in prenaša tok iz stavb do generatorjev. Povratna pot, ki prenaša ves tok nazaj, je zemlja.
V enosmernih tokokrogih se negativni konec generatorja ali baterije pogosto imenuje "zemlja" ali točka nič voltov (0V), čeprav je povezava z zemljo lahko ali pa tudi ne. Na isti plošči tiskanega vezja (PCB) je lahko več ozemljitev, na primer pri občutljivih analognih vezjih lahko ta del vezja uporablja "analogno ozemljitev", digitalni del pa ima "digitalno ozemljitev".
V električni opremi je lahko točka 0 voltov kovinsko ohišje, ki se imenuje ozemljitev ohišja, ali povezava z dejansko zemljo, ki se imenuje ozemljitev, vsaka s svojim simbolom, ki se uporablja na električnih shematskih risbah (risbe vezij).

Merilna orodja

Nekatera orodja za merjenje napetosti so voltmeter in osciloskop.

Voltmeter meri napetost med dvema točkama in ga lahko nastavite na enosmerni ali izmenični način. Voltmeter lahko na primer meri enosmerno napetost baterije (običajno 1,5 V ali 9 V) ali izmenično napetost iz vtičnice na steni (običajno 120 V).

Pri bolj zapletenih signalih lahko z osciloskopom izmerite enosmerno in/ali izmenično napetost, na primer za merjenje napetosti na zvočniku.

Potencialna razlika

Napetost ali potencialna razlika med točkama a in b je količina energije v joulih (kot posledica električnega polja), ki je potrebna za premik 1 coulomba pozitivnega naboja iz točke a v točko b. Negativna napetost med točkama a in b je napetost, pri kateri je potreben 1 coulomb energije za premik negativnega naboja iz točke a v točko b. Če je okoli nabitega objekta enakomerno električno polje, bodo negativno nabiti objekti potegnjeni proti višjim napetostim, pozitivno nabiti objekti pa proti nižjim napetostim. Potencialna razlika/napetost med dvema točkama je neodvisna od poti iz točke a v točko b. Tako je napetost iz točke a v točko b + napetost iz točke b v točko c vedno enaka napetosti iz točke a v točko c.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je napetost?

O: Napetost je električna potencialna razlika, razlika v električnem potencialu med dvema krajema. Lahko si jo predstavljamo kot silo, ki sili naboje, da se premikajo v žici ali drugem električnem vodniku.

V: Katera enota se uporablja za merjenje napetosti?

O: Enota za merjenje napetosti je volt. Simbol za to enoto je zapisan z veliko črko V (9V).

V: Kako napetost povzroča tok?

O: Napetost lahko povzroči premikanje nabojev, in ker premikanje nabojev povzroča tok, lahko napetost povzroči tok.

V: Kdo je bil Alessandro Volta in zakaj je volt dobil ime po njem?

O: Alessandro Volta je bil italijanski fizik, ki je leta 1800 izumil prvo baterijo. Volt je bil po njem poimenovan kot priznanje za njegov prispevek k znanosti.

V: Ali sta volt in napetost dve različni stvari?

O: Da, volti so enote, s katerimi nekaj merimo, medtem ko se napetost nanaša na to, kaj merimo s temi enotami.

V: Kakšni sta dve vrsti napetosti?

O: Obstajata dve vrsti napetosti: enosmerni (enosmerni tok) in izmenični (izmenični tok). Enosmerni tok ima vedno enako polariteto, medtem ko izmenični tok izmenično spreminja pozitivno in negativno polariteto.

V: Ali lahko ptice pristanejo na visokonapetostnih vodih, ne da bi se poškodovale?

O: Da, ptice lahko pristanejo na visokonapetostnih vodih, kot sta 12 kV in 16 kV, ne da bi se poškodovale, saj morata biti prisotna tako napetost kot tok, da se moč (energija) prenaša po njih - če je prisoten samo en element, se ne zgodi nič.