Volt

Međunarodni znak za opasnost od visokog napona

Volt (simbol: V) je mjerna jedinica SI sistema za napon, odnosno električku razliku potencijala.^[1][2] Broj volti je mjera jačine električnog izvora u smislu koliko je snage potrebno proizvesti za željenu jakost struje. Jedinica volt je ime dobila u čast Alessandra Volte (1745–1827), koji je izumio galvanski članak, prvu hemijsku bateriju.^[3]

Definicija

Čip s poljem Josephsonovih spojeva razvijen na NIST kao standard za volt.

Volt se definiše kao razlika potencijala na krajevima provodnika kada struja od jednog ampera disipira snagu od jednog vata. Odnosnu, u SI sistemu m² · kg · s⁻³ · A⁻¹, što se isto tako može zapisati i kao joul energije po kulonu napona, J/C.

1 V = 1 W/A = 1 m²•kg•s^–3•A^–1

Od 1990. Volt je međunarodno definisan, za praktična mjerenja, korištenjem Josephsonovog efekta, gdje je uobičajena vrijednost uzeta kao Josephsonova konstanta, definisana u 18-om vijeku kao

K_{J-90} = 0.4835979 GHz/µV.

Objašnjenje

Razliku električnog potencijala možemo zamisliti kao sposobnost pomicanja električnog naboja kroz otpor. U suštini, volt mjeri koliko kinetičke energije posjeduje pojedini elektron. Broj elektrona se mjeri kao napon, u kulonima. Stoga volt pomnožen s tokom struje, mjerna jedinica amper što je kulon po sekundi, daje ukupnu električnu snagu struje, u vatima. U vrijeme kad se u fizici riječ 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 dviju tačaka 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 se mjere u voltima, vodeći obično prema nazivu napon i simbolu V (ponekad se označava i s ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$).

Napon se može pribrajati na sljedeći 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 provodnikom, provodnikom bez otpora i bez prisutnosti promjenjivog magnetskog polja, imaju razliku potencijala jednaku nuli. Međutim drugi parovi tačaka mogu isto tako imati razliku potencijala jednaku nuli. Ako takve dvije tačke povežemo provodnikom kroz njega neće teći struja. Različite napone u strujnom krugu možemo izračunati korištenjem Kirchhoffovih zakona.

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

Hidraulička analogija

Ako električni krug promatramo kao analognu mrežu cijevi u kojima cirkuliše voda, pogonjena crpkama u prostoru u kojem ne djeluje gravitacija, tada razlika potencijala odgovara razlici pritisaka tekućine između dviju tačke. Ukoliko postoji razlika pritisaka između dvije tačke, tada voda teče iz prve tačke prema drugoj pri čemu može obavljati rad, kao na primjer pokretati turbinu.

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

Tehnička definicija

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

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

Korisne formule

Istosmjerni krugovi

${\displaystyle U={\sqrt {PR}}}$

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

${\displaystyle U=IR\!\ }$

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

Izmjenični krugovi

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

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

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

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

Izmjenično pretvaranje

${\displaystyle U_{avg}=.637U_{pk}\!\ }$

${\displaystyle U_{rms}=.707U_{pk}\!\ }$

${\displaystyle U_{ppk}=.354U_{rms}\!\ }$

${\displaystyle U_{avg}=3.142U_{ppk}\!\ }$

${\displaystyle U_{rms}=.9U_{avg}\!\ }$

${\displaystyle U_{pk}=.5U_{ppk}\!\ }$

Gdje 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)

Ukupan napon

Serijski spoj naponskih izvora:

${\displaystyle U_{T}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+...\!\ }$ ^[4]

Paralelni spoj naponskih izvora:

${\displaystyle U_{T}=U_{1}=U_{2}=U_{3}=...\!\ }$ ^[4]

Padovi napona

Na otporniku (otpornik n):

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

Na kondenzatoru (kondenzator n):

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

Na zavojnici (zavojnica n):

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

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

Primjeri

Naponski izvori

Simboličko predstavljanje naponskog izvora.

Uobičajeni izvori EMS su:

• baterija
• dinamo (razlika potencijala se generiše 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 volt C-članak baterija

Nominalni naponi poznatih izvora:

• Radni potencijal neuronske ćelije: 40 milivolti
• Jedan članak, jednokratne baterije (npr. AAA, AA, C i D članci): 1.5 volti ^[4]
• Električni sistem automobila: 12 volti ^[4]
• Domaćinstva: 120 volti Sjeverna Amerika, 230 volti Evropa ^[1]
• Visokonaponski dalekovod: 110 kilovolti ^[5] i više (1150 kV je rekord iz 2005)
• Munja: 100 megavolti

Mjerni instrumenti

Unimer komplet za mjerenje napona.

Instrumenti za mjerenje razlike potencijala obuhvaćaju voltmetar, potenciometar (kao mjerni sklop) i osciloskop. Voltmetar radi na principu mjerenja struje kroz stabilni otpornik, koja je prema Ohmovom 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.

Historija volta

Godine 1800., kao rezultat profesionalnog sukoba oko galvanske reakcije koju je zagovarao Luigi Galvani, Alessandro Volta razvija po njemu nazvan Voltin članak, preteču današnjih baterija, koje proizvode stabilnu električnu struju. Volta je utvrdio najdjelotvorniji par, cink i srebro, raznovrsnih metala koji proizvode elektricitet. U 1880-oj je Međunarodna elektrotehnička komisija (engl. International Electrotechnical Commission) IEC, potvrdila volt kao jedinicu za mjerenje elektromotorne sile. Volt je definiran kao razlika potencijala na provodniku kada kroz njega protiče struja od jednog ampera pri čemu se disipira snaga od jednog vata.

Prije otkrića Josephsonovog spoja kao etalona volta, volt se čuvao u nacionalnim laboratorijima u specijalno konstruiranim baterijskim člancima zvanima standardni članci. SAD su od 1905. do 1972. koristile Westonov članak.

Također pogledajte

• Prefiksi mjernih jedinica

Reference

1. Publikacija o međunarodnom sistemu jedinica objavljena 2007 godine na saveznoj instituciji fizike i tehnike, Njemačka Arhivirano 20. 3. 2015. na Wayback Machine njem. učitano 13.01.2013
2. BIPM, Mjerna jedinica volt na portalu Bureau International des Poids et Mesures. Organizacija BIPM usklađuje mjerne jedinice i održava konferencije sa oko 50 zemalja članica učitano 13.01.2014 eng. fr.
3. Alessandro Volta, Leksikon bibliografskog instituta Brockhaus AG, Njemačka Arhivirano 30. 4. 2013. na Wayback Machine učitano 13.01.2014 njem.
4. EUROPA-LEHRMITTEL, Tabellenbuch Elektrotechik, 2009, Haan-Gruiten, 23. Auflage ISBN 978-3-8085-3219-5 njem.
5. Karakteristike mreže u BiH na portalu Elektroprenosa BiH^{[mrtav link]} učitano 13.01.2014

Vanjski linkovi

• Historija električnih jedinica