Волт

Међународни знак за опасност високог напона

Волт (ознака: V) представља јединицу мере за разлику електричних потенцијала, односно електромоторну силу, тј. привлачну силу између позитивног и негативног наелектрисања.

Број волти је мерило јачине електричног извора, указујући на снагу потребну за постизање жељене јакости струје. Јединица волт носи име по Алессандру Волти (1745–1827), творцу галванског чланка, првог хемијског акумулатора.

Електрични напон изражен у волтима назива се волтажа.

Дефиниција

Чип с пољем Јосефсонових спојева развијен на НИСТ-у као стандард за волт

Волт се дефинира као разлика потенцијала на крајевима водича када струја од једног ампера дисипира снагу од једног вата. Односно, у СИ систему м²•кг•с^–3•А^–1, што се исто тако може записати и као џул енергије по кулону набоја, Ј/C.

$1\mathbf {V} =1W/A=1\mathbf {m^{2}\times kg\times s^{-3}\times A^{-1}}$

Од 1990. Волт је међународно дефиниран, за практична мерења, кориштењем Јосефсоновог ефекта, где је уобичајена вредност узета као Јосефсонова константа, дефинирана у 18. столећу као:

$K_{J-90}=\mathbf {0,4835979} kHz/V$

/К_Ј-90=0,4835979ГХз/μВ/

Објашњење

Разлику електричног потенцијала можемо замислити као способност помицања електричног набоја кроз отпор. У суштини, волт мери колико кинетичке енергије поседује поједини електрон. Број електрона се мери као набој, у кулонима. Стога волт помножен с током струје, мерна јединица ампер, што је кулон по секунди, даје укупну електричну снагу струје, у ватима. У време кад се у физици реч сила користила доста слободно, разлика потенцијала је названа као електромоторна сила или емс – појам који се и данас користи у поједином контексту.

Разлика електричног потенцијала (напон)

Између две тачке у електричном пољу, попут онога у електричном кругу, разлика потенцијала једнака је разлици њихових електричних потенцијала. Разлика је пропорционална електростатској сили која тежи потискивању електрона, или осталих носиоца набоја, из једне тачке у другу. Разлика потенцијала, електрични потенцијал и електромоторна сила мере се у волтима, водећи се обично према називу напон и симболом V (понекад се означава и словом ${\mathcal {E}}$).

Напон се може прибрајати на следећи начин: напон између А и C једнак је суми напона између А и Б и између Б и C. Двије тачке електричног круга које су спојене идеалним водичем, водичем без отпора и без присутности променљивог магнетског поља, имају разлику потенцијала једнаку нули. Међутим, други парови тачки могу исто тако имати разлику потенцијала једнаку нули. Ако такве двије тачке повежемо водичем кроз њега неће тећи струја. Различите напоне у струјном кругу можемо израчунати кориштењем Кирхофових закона.

Напон је својство електричног поља, а не поједниних електрона. Електрон који се гиба кроз разлику напона доживљава повећање енергије, често мерено у електронволтима. Овај ефект аналоган је падању масе с одређене висине у гравитацијском пољу.

Хидрауличка аналогија

Ако електрични круг проматрамо као аналогну мрежу цеви у којима циркулира вода, погоњена црпкама у простору у којем не делује гравитација, тада разлика потенцијала одговара разлици тлакова текућине између две тачке. Уколико постоји разлика тлакова између две тачке, тада вода тече из прве тачке према другој при чему може обављати рад, као на пример покретати турбину.

Ова хидрауличка аналогија је корисна метода за проучавање великог броја електричних појмова. У хидрауличком систему, рад потребан за покретање воде једнак је тлаку помноженом са волуменом помакнуте воде. Слично, у електричном кругу, рад потребан за помицање електрона или осталих носиоца набоја једнак је ’електричном тлаку’ (стари израз за напон) помноженом с количином премештеног електричног набоја. Напон је погодан начин квантифицирања способности обављања рада.

Техничка дефиниција

Разлика електричног потенцијала се дефинира као износ рада по набоју који је потребан за помицање електричног набоја из друге тачке у прву, или равноправно, износ рада који јединица набоја при протоку из прве тачке према другој може произвести. Разлика потенцијала између две тачке а и б је линијски интеграл електричног поља Е:

$V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} =\int _{a}^{b}E\cos \phi dl$

Корисне формуле

Истосмерни кругови

$U={\sqrt {PR}}$

$U={\frac {P}{I}}$

$U=IR\!\$

Где је: У=напон, П=снага, Р=отпор, I=струја

Изменични кругови

$U={\frac {P}{IZ\cos \theta }}$

$U={\frac {\sqrt {PZ}}{\sqrt {\cos \theta }}}\!\$

$U={\frac {\sqrt {PR}}{\cos \theta }}$

Где је: У=напон, I=струја, Р=отпор, П=снага, З=импенданција, θ=фазни кут

Изменична претворба

$U_{avg}=0,637U_{pk}\!\$

$U_{rms}=0,707U_{pk}\!\$

$U_{ppk}=0,354U_{rms}\!\$

$U_{avg}=3,142U_{ppk}\!\$

$U_{rms}=0,9U_{avg}\!\$

$U_{pk}=0,5U_{ppk}\!\$

Где је:
Упк=вршни напон (енгл. Пеак Волтаге),
Уппк=напон од-врха-до-врха (енгл. Пеак-то-Пеак Волтаге),
Уавг=средњи напон (енгл. Авераге Волтаге),
Урмс=ефективни напон (енгл. Еффецтиве Волтаге / РМС Волтаге);
авг > авераге, пк > пеак, рмс > роот-меан-сqуаре, ппк > пеак-то-пеак

Укупан напон

Серијски спој напонских извора:

$U_{T}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+...\!\$

Паралелни спој напонских извора:

$U_{T}=U_{1}=U_{2}=U_{3}=...\!\$

Падови напона

На отпорнику (отпорник н):

$U_{n}=IR_{n}\!\$

На кондензатору (кондензатор н):

$U_{n}=IX_{n}\!\$

На завојници (завојница н):

$V_{n}=IX_{n}\!\$

Где је: У=напон, I=струја, Р=отпор, X=реактанција

Примери

Напонски извори

Симболичко представљање напонског извора

Уобичајени извори ЕМС су:

• батерија
• динамо (разлика потенцијала се генерира на крајевима електрички водљивог материјала који се гиба окомито на смјер магнетског поља
• електростатска индукција (када се два различита електрички изолирајућа материјала међусобно трљају ствара се електростатски избој)
• кондензатор (у ствари елемент за похрану енергије произведене на неком другом извору)

Уобичајени напони

1,5 волтна C-чланак батерија

Номинални напони познатих извора:

• Радни потенцијал неуронске станице: 40 миливолти (40 мВ)
• Један чланак, једнократне батерије (нпр. ААА, АА, C и D чланци): 1,5 волти (1,5 V)
• Електрични систем аутомобила (покретан акумулатором): 12 волти (12 V)
• Домаћинства: 120 волти Сјеверна Америка, 230 волти Еуропа^[1] или 220 волти (220 V) Еуропа и 230 волти (230 V) САД
• Високонапонски далековод: 110 киловолти (110 кВ) и више; 1150 киловолти (1150 кВ) је рекорд из 2005. године
• Муња: 100 мегаволти (100 MV)

Мерни инструменти

Унимер комплет за мјерење напона

Инструменти за мерење разлике потенцијала обухваћају волтметар, потенциометар (као мјерни склоп) и осцилоскоп. Волтметар ради на принципу мерења струје кроз стабилни отпорник, која је према Омовом закону, пропорционална разлици потенцијала на крајевима отпорника. Потенциометар ради на принципу уравнотежења непознатог напона насупрот познатом напону у мосном споју. Катодни осцилоскоп ради на принципу да појачава разлику потенцијала и користи је за отклањање електронског снопа (електронске зраке) из равне путање, па је тако настали отклон пропорционалан разлици потенцијала.

Историја волта

Године 1800. као резултат професионалног сукоба око галванске реакције коју је заговарао Луиђи Галвани, Алесандро Волта развија Волтин чланак, претечу данашњих батерија, које производе стабилну електричну струју. Волта је утврдио најдјелотворнији пар, цинк и сребро, разноврсних метала који производе електрицитет. 1880. је Интернационална електротехничка комисија / ИЕК (енгл. Интернатионал Елецтротецхницал Цоммиссион) – ИЕЦ, потврдила волт као јединицу за мјерење електромоторне силе. Волт је дефиниран као разлика потенцијала на водичу када кроз њега протјече струја од једног ампера при чему се дисипира снага од једног вата.

Прије открића Јосефсоновог споја као тзв. еталона волта, волт је био описиван стандардним чланцима; САД је од 1905. до 1972. користио Вестонов чланак.

Повезано

• Трафостаница