Elektrické napětí

Co je to elektrické napětí?

Z předchozího oddílu víme, že volné nabité částice se dají do uspořádaného pohybu (a vznikne tím elektrický proud), když je budou okolní nabitá tělesa přitahovat, nebo odpuzovat. Čili příčinou elektrického proudu je elektrická síla působící na nositele náboje.

Tato úvaha platí, má však jednu celkem zásadní praktickou nevýhodu: elektrickou sílu působící na elektron nebo iont nelze jednoduše změřit. Abychom přesto dokázali předpovídat, kdy látkou poteče elektrický proud a jak bude velký, potřebovali bychom najít nějakou jinou veličinu, která bude stejně dobře popisovat příčiny proudu, a navíc bude snadno měřitelná. Touto veličinou je elektrické napětí.

Uvažujme částici s kladným nábojem q (v tuto chvíli není podstatné, že v kovech je elektrický proud tvořen záporně nabitými elektrony), která se pohybuje vlivem elektrické síly \(\Vec{F}_\mathrm{e}\) z bodu A do bodu B – viz obrázek 7.39. Může se jednat o částici někde v obvodu nebo taky o částici ve vzduchu mezi dvěma nabitými tělesy (přitahování mezi + a − funguje stejně).

Ze 6. kapitoly o energiích víme, že každá síla (tedy i elektrická \(F_\mathrm{e}\)) posouvající částici po dráze \(s=|AB|\) koná práci \(W=F_\mathrm{e}s\). Tuto práci využijeme k definici elektrického napětí U.

Poznámka na okraj: F_e je konzervativní síla

S využitím vyšší matematiky se dá dokázat, že při přesunu určitého náboje z A do B vykoná elektrická síla vždy stejnou práci, takže nezáleží na tom, jestli se náboj z A do B dostal nejkratší cestou po úsečce nebo po trajektorii tvaru obloučku nebo po nějaké ještě složitější křivce. Pohyb částic v elektrickém poli podrobněji prozkoumáme v kapitole 18.

Elektrické napětí se značí U. Jako pravý dolní index uvádíme, mezi kterými dvěma body napětí určujeme. Jednotkou napětí je volt, značka V. Ve schématech se napětí znázorňuje pomocí šipky, např. napětí \(U_{AB}\), šipka směřuje od A k B.

Poznámka na okraj: Alessandro Volta

Jednotka napětí je pojmenována po italském fyzikovi Alessandru Voltovi (1745–1827). Svět vděčí Voltovi za vynález zdroje stejnosměrného napětí – v roce 1800 sestrojil první elektrochemický článek, tzv. Voltův sloup.

Terminologická poznámka

Říkáme, že elektrický proud „teče“ nějakým místem v obvodu, zatímco elektrické napětí „je“, „existuje“ vždy mezi dvěma místy v obvodu.

Přestože se v elektrikářské profesní mluvě často říká zjednodušeně „napětí na zdroji“, „napětí na žárovce“, atd., nemůže zde dojít k omylu – jedná se vždy o napětí mezi (dvěma) póly zdroje, napětí mezi (dvěma) svorkami žárovky. Podobně je třeba rozumět i zápisu: například označení napětí na zdroji \(U_\mathrm{Z}\) znamená napětí mezi kladným (P) a záporným (N) pólem zdroje čili \(U_\mathrm{Z}=U_\mathrm{PN}\).

Jak se měří elektrické napětí?

Napětí měříme voltmetrem, který je obvykle součástí multifunkčního měřidla. Nastavíme funkci voltmetru, vybereme stejnosměrné, nebo střídavé napětí na přepínači AC/DC, začínáme na největším rozsahu, který případně snížíme. Při měření napětí \(U_{AB}\) mezi body A a B musí být červená svorka voltmetru připojena do bodu A, a tím pádem černá svorka (COM) do bodu B – viz galerie 7.42.

Měření napětí

Je napětí vždy kladné?

Odpověď zní nikoliv. Napětí \(U_{AB}\) je kladné, když bod A je blíže ke kladnému tělesu (ke kladnému pólu zdroje v obvodu) než bod B. Voltmetr ukáže kladnou hodnotu, jestliže červená svorka je zapojena v obvodu blíže ke kladnému pólu zdroje než svorka černá.

Poznámka na okraj: Zdůvodnění

Je-li bod A blíže ke kladnému tělesu, toto těleso odpuzuje testovací náboj \(q=+1\ \mathrm{C}\) směrem k bodu B. Čili elektrická síla působí ve směru posouvání náboje \(q\), a tedy koná kladnou práci. Proto je \(U_{AB}\) kladné.

Kontrolní otázka

Znaménka napětí v obvodu.

Zatrhněte políčko, pokud je napětí kladné.

U_PD
U_CD
U_CA
U_PN
U_NB

Odeslat  

Napětí jako příčina proudu

Existuje-li mezi A a B kladné napětí \(U_{AB}\), pak elektrická síla působí na všechny kladné náboje ve směru od A k B, a vyvolává tak elektrický proud tímto směrem.

Kladné elektrické napětí \(U_{AB}\) vyvolává elektrický proud ve směru od A k B.

Pochopení, co vlastně znamená „napětí“, je asi to nejtěžší, s čím se v těchto kapitolách fyziky setkáte. Pojďme se na ně podívat ještě z jiné perspektivy.

Napětí jsme definovali pomocí práce elektrické síly. Z kapitoly o energiích víme, že práce je způsob, jak se dá zvětšovat, nebo zmenšovat (potenciální či kinetická) energie tělesa. Když elektrická síla koná práci, mění tím energii náboje v elektrickém poli okolních těles. Takže napětí \(U_{AB}\), definované pomocí práce, nám vlastně říká, o kolik se změní potenciální energie náboje o velikosti +1 C, když se tento náboj posune z A do B.

Ještě jeden názorný pohled: Elektrický proud v obvodu trochu připomíná proudění vody v řece. Příčinou proudění vody je spád čili rozdíl nadmořských výšek – voda teče shora dolů. Elektrické napětí je příčinou proudu, představuje pro náboje totéž, co spád pro obyčejnou vodu. Proud teče po spádu, čím větší spád, tím větší proud.

Vlastnosti elektrického napětí

Poznatky zmíněné v tomto odstavci můžete nezávisle znovuobjevit během laboratorního cvičení Měření elektrického napětí.

1) Napětí \(U_{AB}\) a \(U_{BA}\) mají stejnou hodnotu, ale opačné znaménko: \(U_{AB}=-U_{BA}\)

Zapojíte-li voltmetr naopak, ukáže vám opačnou hodnotu.

2) Sčítání napětí \(U_{AC}=U_{AB}+U_{BC}\)

Platí pro libovolné tři body v obvodu (bod B nemusí nutně ležet mezi A a C).

3) V sériovém obvodu je napětí na zdroji rovno součtu napětí na spotřebičích.

4) Napětí mezi konci ideálního vodiče je nulové.

Ideální vodič neklade průchodu proudu žádný odpor, napětí mezi jeho konci je nulové.

Kontrolní otázka

Vypočítejte napětí v obvodu na obrázku.

Do okénka napište číselnou hodnotu napětí ve voltech (V), nezapomeňte na znaménko.

\(U_{BC}\) =

\(U_{AP}\) =

\(U_{DN}\) =

\(U_{CD}\) =

\(U_{NB}\) =

Odeslat

Zdůvodnění

1. \(U_{BC}=U_{AC}-U_{AB}\) (přímým dosazením do vlastnosti 2)
2. \(U_{AP}=0\) (ideální vodič, vlastnost 4)
3. \(U_{DN}=0\) (sepnutý vypínač se chová jako vodič)
4. \(U_{CD}=U_{CA}+U_{AD}=-U_{AC}+(U_{AP}+U_{PD})=-U_{AC}+0+U_{PD}\) (vlastnosti 1, 2 a 4)
5. \(U_{NB}=U_{ND}+U_{DC}+U_{CB}=0-U_{CD}-U_{BC}\) (vlastnosti 2 a 1)