Elektrické napětí

Elektrické napětí (zkratka U), je jedna ze základních veličin při studiu a využívání elektřiny. Napětí jako rozdíl potenciálů mezi dvěma body může způsobit elektrický proud a v analogii s kapalinou odpovídá rozdílu tlaků mezi dvěma body potrubí. Definuje se jako rozdíl potenciálů mezi dvěma body elektrického pole, to jest práce, potřebná k přenesení jednotkového náboje mezi těmito body. Měří se voltmetrem a vyjadřuje se v jednotkách volt. Vztah mezi napětím a intenzitou proudu v určitém vodiči s elektrickým odporem tohoto vodiče vyjadřuje Ohmův zákon, v nejjednodušší podobě U = I × R. Napětí U (volty) na vodiči s odporem R (ohmů), kterým prochází proud I (ampér), se rovná jejich součinu.

Pokud se polarita napětí mezi body určitého pole v čase nemění, takže lze rozlišit kladný a záporný pól, jedná se o stejnosměrné pole a stejnosměrné napětí U_ss nebo U=. Typickým příkladem může být elektrický článek, baterie článků nebo akumulátor, kde napětí vzniká elektrochemickým procesem. Pokud se polarita v čase pravidelně mění, jedná se o střídavé napětí U_st nebo U~, jehož okamžitá hodnota se označuje u. Typickým příkladem může být běžná elektrická síť se střídavým napětím 230 V a frekvencí 50 Hz (evropská norma[1]), kde napětí vzniká pohybem elektrického vodiče v elektromagnetickém poli generátoru v elektrárně. V technické praxi se napětí často vztahuje vůči zemi s potenciálem nula.

Značení a definice

Symbol veličiny: $U$ (v anglicky mluvících zemích také někdy $V$ – Voltage)
Odvozenou jednotkou soustavy SI je 1 Volt, značka V (1 V = 1 m²·kg·s⁻³·A⁻¹)

Napětí 1 V je takové napětí, které je mezi konci vodiče, do kterého konstantní proud 1 A dodává výkon 1 W (v takovém případě má vodič odpor 1 Ω).
- $U=R\cdot I$
Mezi dvěma body je napětí 1 V, pokud k přenesení náboje 1 C mezi nimi musíme vykonat práci 1 J.[2]
- $U={\frac {W}{Q}}$

Výpočet

Stacionární pole

Elektrické napětí mezi dvěma body s polohovými vektory $\mathbf {r} _{1}$ a $\mathbf {r} _{2}$ lze vyjádřit vztahem

U=\int _{\mathbf {r} _{1}}^{\mathbf {r} _{2}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {l} =\varphi (\mathbf {r} _{2})-\varphi (\mathbf {r} _{1})

,

kde $\mathbf {E}$ je intenzita elektrického pole a $\varphi$ je elektrický potenciál.

Pomocí předchozího vztahu lze práci vykonanou při přemísťování kladného náboje $Q$ vyjádřit jako

W=Q\cdot U\,

Nestacionární pole

Hodnota napětí indukovaného ve smyčce vodiče je rovna časové změně celkového magnetického toku, který smyčkou prochází (Faradayův zákon elektromagnetické indukce):

U_{\mathrm {i} }(t)=-{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}

,

kde $\Phi$ představuje celkový magnetický tok, který protéká smyčkou.

V integrálním tvaru:

U_{\mathrm {i} }(t)=\oint _{C}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {l} =-\ {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{S}\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S}

kde se integruje po uzavřené vodivé smyčce $C\,$ s plochou $S\,$ ; $\mathbf {B} \,$ je magnetická indukce.

Rozdělení napětí podle změn v čase

Stejnosměrné napětí je takové napětí, které nemění v čase svojí polaritu, velikost měnit může.
Střídavé napětí je napětí, které se v čase mění s určitou periodou, přičemž jeho střední hodnota nemusí být nulová. Časový průběh (tvar) napětí může být libovolný, nejčastěji se můžeme setkat se sinusovým průběhem. Dalšími průběhy mohou být pilovité, obdélníkové nebo libovolné jiné.

V praxi se mohou vyskytovat napětí, která mají jak střídavou, tak stejnosměrnou složku. Efektivní hodnota střídavého napětí je takové napětí stejnosměrného proudu, při kterém se ve stejném vodiči vytvoří stejné množství tepla.

Využití

Elektrické články, baterie

Běžně prodávané samostatné chemické elektrické články (monočlánky) poskytují stejnosměrné napětí podle své konstrukce, například zinko-uhlíkový článek nebo alkalický článek má jmenovité napětí 1,5 V (tzv. tužkové baterie), olověný akumulátor má články o napětí 2,1 V. Články bývají často sdružovány do baterií, v nichž se napětí jednotlivých článků zapojených sériově sčítá (například plochá baterie má 3 články po 1,5 V, což je celkem 4,5 V, 9 V baterie má 6 článků po 1,5 V, autobaterie mají 3, 6 nebo 12 článků s celkovým napětím 6, 12 nebo 24 V.

Elektrická síť

Pro distribuci elektrické energie se využívá téměř výhradně střídavé napětí o různých hodnotách. K dálkovému přenosu se využívá vysoké napětí, pro nižší ztráty, které je postupně pomocí transformátorů snižováno z důvodu bezpečnosti.[3]

Odkazy

Reference

BŘEZINOVÁ, Jana. Napětí v zásuvce u nás a ve světě: Proč Česko přešlo na 230 V? [online]. [cit. 2019-10-09]. Dostupné online.
VLČEK, Jiří. Jednoduchá elektrotechnika. [s.l.]: [s.n.], 2005. ISBN 999-00-001-7423-2.
JAROSLAV, Reichl; VŠETIČKA, Martin. Přenos elektrické energie [online]. [cit. 2022-05-08]. Dostupné online.

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu elektrické napětí na Wikimedia Commons

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] BŘEZINOVÁ, Jana. Napětí v zásuvce u nás a ve světě: Proč Česko přešlo na 230 V? [online]. [cit. 2019-10-09]. Dostupné online.

[2] VLČEK, Jiří. Jednoduchá elektrotechnika. [s.l.]: [s.n.], 2005. ISBN 999-00-001-7423-2.

[3] JAROSLAV, Reichl; VŠETIČKA, Martin. Přenos elektrické energie [online]. [cit. 2022-05-08]. Dostupné online.