Volt

Međunarodni znak za opasnost visokog napona

Volt (oznaka: V) predstavlja jedinicu mere za razliku električnih potencijala, odnosno elektromotornu silu, tj. privlačnu silu između pozitivnog i negativnog naelektrisanja.

Broj volti je merilo jačine električnog izvora, ukazujući na snagu potrebnu za postizanje željene jakosti struje. Jedinica volt nosi ime po Alessandru Volti (1745–1827), tvorcu galvanskog članka, prvog hemijskog akumulatora.

Električni napon izražen u voltima naziva se voltaža.

Definicija

Čip s poljem Josefsonovih spojeva razvijen na NIST-u kao standard za volt

Volt se definira kao razlika potencijala na krajevima vodiča kada struja od jednog ampera disipira snagu od jednog vata. Odnosno, u SI sistemu m²•kg•s^–3•A^–1, što se isto tako može zapisati i kao džul energije po kulonu naboja, J/C.

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

Od 1990. Volt je međunarodno definiran, za praktična merenja, korištenjem Josefsonovog efekta, gde je uobičajena vrednost uzeta kao Josefsonova konstanta, definirana u 18. stoleću kao:

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

/K_J-90=0,4835979GHz/μV/

Objašnjenje

Razliku električnog potencijala možemo zamisliti kao sposobnost pomicanja električnog naboja kroz otpor. U suštini, volt meri koliko kinetičke energije poseduje pojedini elektron. Broj elektrona se meri kao naboj, u kulonima. Stoga volt pomnožen s tokom struje, merna jedinica amper, što je kulon po sekundi, daje ukupnu električnu snagu struje, u vatima. U vreme kad se u fizici reč sila koristila dosta slobodno, razlika potencijala je nazvana kao elektromotorna sila ili ems – pojam koji se i danas koristi u pojedinom kontekstu.

Razlika električnog potencijala (napon)

Između dve tačke u električnom polju, poput onoga u električnom krugu, razlika potencijala jednaka je razlici njihovih električnih potencijala. Razlika je proporcionalna elektrostatskoj sili koja teži potiskivanju elektrona, ili ostalih nosioca naboja, iz jedne tačke u drugu. Razlika potencijala, električni potencijal i elektromotorna sila mere se u voltima, vodeći se obično prema nazivu napon i simbolom V (ponekad se označava i slovom ${\mathcal {E}}$).

Napon se može pribrajati na sledeći način: napon između A i C jednak je sumi napona između A i B i između B i C. Dvije tačke električnog kruga koje su spojene idealnim vodičem, vodičem bez otpora i bez prisutnosti promenljivog magnetskog polja, imaju razliku potencijala jednaku nuli. Međutim, drugi parovi tački mogu isto tako imati razliku potencijala jednaku nuli. Ako takve dvije tačke povežemo vodičem kroz njega neće teći struja. Različite napone u strujnom krugu možemo izračunati korištenjem Kirhofovih zakona.

Napon je svojstvo električnog polja, a ne pojedninih elektrona. Elektron koji se giba kroz razliku napona doživljava povećanje energije, često mereno u elektronvoltima. Ovaj efekt analogan je padanju mase s određene visine u gravitacijskom polju.

Hidraulička analogija

Ako električni krug promatramo kao analognu mrežu cevi u kojima cirkulira voda, pogonjena crpkama u prostoru u kojem ne deluje gravitacija, tada razlika potencijala odgovara razlici tlakova tekućine između dve tačke. Ukoliko postoji razlika tlakova između dve tačke, tada voda teče iz prve tačke prema drugoj pri čemu može obavljati rad, kao na primer pokretati turbinu.

Ova hidraulička analogija je korisna metoda za proučavanje velikog broja električnih pojmova. U hidrauličkom sistemu, rad potreban za pokretanje vode jednak je tlaku pomnoženom sa volumenom pomaknute vode. Slično, u električnom krugu, rad potreban za pomicanje elektrona ili ostalih nosioca naboja jednak je ’električnom tlaku’ (stari izraz za napon) pomnoženom s količinom premeštenog električnog naboja. Napon je pogodan način kvantificiranja sposobnosti obavljanja rada.

Tehnička definicija

Razlika električnog potencijala se definira kao iznos rada po naboju koji je potreban za pomicanje električnog naboja iz druge tačke u prvu, ili ravnopravno, iznos rada koji jedinica naboja pri protoku iz prve tačke prema drugoj može proizvesti. Razlika potencijala između dve tačke a i b je linijski integral električnog polja E:

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

Korisne formule

Istosmerni krugovi

$U={\sqrt {PR}}$

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

$U=IR\!\$

Gde je: U=napon, P=snaga, R=otpor, I=struja

Izmenični krugovi

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

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

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

Gde je: U=napon, I=struja, R=otpor, P=snaga, Z=impendancija, θ=fazni kut

Izmenična pretvorba

$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}\!\$

Gde je:
Upk=vršni napon (engl. Peak Voltage),
Uppk=napon od-vrha-do-vrha (engl. Peak-to-Peak Voltage),
Uavg=srednji napon (engl. Average Voltage),
Urms=efektivni napon (engl. Effective Voltage / RMS Voltage);
avg > average, pk > peak, rms > root-mean-square, ppk > peak-to-peak

Ukupan napon

Serijski spoj naponskih izvora:

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

Paralelni spoj naponskih izvora:

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

Padovi napona

Na otporniku (otpornik n):

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

Na kondenzatoru (kondenzator n):

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

Na zavojnici (zavojnica n):

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

Gde je: U=napon, I=struja, R=otpor, X=reaktancija

Primeri

Naponski izvori

Simboličko predstavljanje naponskog izvora

Uobičajeni izvori EMS su:

• baterija
• dinamo (razlika potencijala se generira na krajevima električki vodljivog materijala koji se giba okomito na smjer magnetskog polja
• elektrostatska indukcija (kada se dva različita električki izolirajuća materijala međusobno trljaju stvara se elektrostatski izboj)
• kondenzator (u stvari element za pohranu energije proizvedene na nekom drugom izvoru)

Uobičajeni naponi

1,5 voltna C-članak baterija

Nominalni naponi poznatih izvora:

• Radni potencijal neuronske stanice: 40 milivolti (40 mV)
• Jedan članak, jednokratne baterije (npr. AAA, AA, C i D članci): 1,5 volti (1,5 V)
• Električni sistem automobila (pokretan akumulatorom): 12 volti (12 V)
• Domaćinstva: 120 volti Sjeverna Amerika, 230 volti Europa^[1] ili 220 volti (220 V) Europa i 230 volti (230 V) SAD
• Visokonaponski dalekovod: 110 kilovolti (110 kV) i više; 1150 kilovolti (1150 kV) je rekord iz 2005. godine
• Munja: 100 megavolti (100 MV)

Merni instrumenti

Unimer komplet za mjerenje napona

Instrumenti za merenje razlike potencijala obuhvaćaju voltmetar, potenciometar (kao mjerni sklop) i osciloskop. Voltmetar radi na principu merenja struje kroz stabilni otpornik, koja je prema Omovom zakonu, proporcionalna razlici potencijala na krajevima otpornika. Potenciometar radi na principu uravnoteženja nepoznatog napona nasuprot poznatom naponu u mosnom spoju. Katodni osciloskop radi na principu da pojačava razliku potencijala i koristi je za otklanjanje elektronskog snopa (elektronske zrake) iz ravne putanje, pa je tako nastali otklon proporcionalan razlici potencijala.

Istorija volta

Godine 1800. kao rezultat profesionalnog sukoba oko galvanske reakcije koju je zagovarao Luiđi Galvani, Alesandro Volta razvija Voltin članak, preteču današnjih baterija, koje proizvode stabilnu električnu struju. Volta je utvrdio najdjelotvorniji par, cink i srebro, raznovrsnih metala koji proizvode elektricitet. 1880. je Internacionalna elektrotehnička komisija / IEK (engl. International Electrotechnical Commission) – IEC, potvrdila volt kao jedinicu za mjerenje elektromotorne sile. Volt je definiran kao razlika potencijala na vodiču kada kroz njega protječe struja od jednog ampera pri čemu se disipira snaga od jednog vata.

Prije otkrića Josefsonovog spoja kao tzv. etalona volta, volt je bio opisivan standardnim člancima; SAD je od 1905. do 1972. koristio Vestonov članak.

Povezano

• Trafostanica