Elektrické napětí

fyzikální veličina

Elektrické napětí 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, tj. práce, potřebná k přenesení jednotkového náboje mezi těmito body. Vztah mezi napětím a proudem ve vodiči s elektrickým odporem vyjadřuje Ohmův zákon.

Elektrické napětí
Název veličiny
a její značka
Elektrické napětí
U
Hlavní jednotka SI
a její značka
volt
V
Rozměrový symbol SIU
Dle transformace složekskalární
Zařazení jednotky v soustavě SIzákladní

Napětí v elektrických rozvodech může být stejnosměrné (značí se ss nebo symbolem =, např. Uss, resp. U=) nebo střídavé (značí se st nebo symbolem ~, např. Ust, resp. U~), jehož směr toku i okamžitá velikost se v čase periodicky mění, příkladem může být elektrická síť se střídavým napětím 230 V a frekvencí 50 Hz[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.

Značka elektrického napětí je velké (většinou efektivní hodnota) resp. malé (většinou okamžitá hodnota, viz nestacionární pole).[2] Jednotkou elektrického napětí v soustavě SI je volt, značí se . Elektrické napětí se měří voltmetrem, který se zapojuje do obvodu paralelně.

Kategorizace napětí podle velikosti[3][4]
Kategorie Napěťová hladina Značka Střídavé napětí (efektivní hodnota) Stejnosměrné napětí
Uzeměná síť Izolovaná síť
fáze-zem fáze-fáze fáze-fáze
I malé napětí mn do 50 V včetně do 120 V včetně
II nízké napětí nn nad 50 V až

do 600 V včetně

nad 50 V až

do 1 kV včetně

nad 120 V až

do 1 500 V včetně

A vysoké napětí vn nad 0,6 kV až

do 30 kV včetně

nad 1 kV až

do 52 kV včetně

nad 1,5 kV až

do 52 kV včetně

B velmi vysoké napětí vvn nad 30 kV až

do 171 kV včetně

nad 52 kV až

do 300 kV včetně

C zvláště vysoké napětí zvn nad 300 kV až

do 800 kV včetně

nad 300 kV až

do 800 kV včetně

D ultra vysoké napětí uvn nad 800 kV nad 800 kV

Definice editovat

Stacionární pole editovat

Elektrické napětí mezi dvěma body s polohovými vektory   a   lze vyjádřit vztahem:

 ,

kde   je intenzita elektrického pole a   je elektrický potenciál.

Práci   vykonanou při přemísťování kladného náboje   při napětí   lze vyjádřit vztahem:

 

Nestacionární pole editovat

Elektrické napětí indukované ve smyčce vodiče je rovno časové změně celkového magnetického toku, který smyčkou prochází (Faradayův zákon elektromagnetické indukce):

 ,

kde   je magnetický tok,

a v integrálním tvaru kde se integruje po uzavřené vodivé smyčce   s plochou  :

 ,

kde   je magnetická indukce.

Pokud se polarita napětí mezi body určitého pole v čase nemění, takže lze rozlišit kladný a záporný pól, jedná se o stejnosměrné napětí Uss 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 Ust nebo U~.

Stejnosměrné napětí editovat

Stejnosměrné napětí je takové elektrické napětí, které v čase nemění svou polaritu. Jako zdroje stejnosměrného napětí se užívají:

Střídavé napětí editovat

Střídavé napětí je takové elektrické napětí, které v čase mění svou polaritu s určitou periodou. Časový průběh napětí je obvykle harmonický:

 

kde   je amplituda střídavého napětí,   je úhlová frekvence a   je fázový posuv mezi napětím a proudem.

Neharmonické průběhy mohou mít různé tvary:

  • obdélník, např. jak výstup z TTL bez stejnosměrné složky nebo výstup obvodu s operačním zesilovačem, který cykluje mezi svými saturačními hodnotami.
  • pila
    • skoky s jednostranným sklonem
    • skoky s oboustranným sklonem, např. jako neustálá integrace přírůstku s proměnlivým znaménkem (obdélníků)
  • harmonický sinus částečně posunutý (vertikálně) o stejnosměrnou složku
  • nesymetrickým střídavým průběhem může být jakýkoli tvar za kondenzátorem, který blokuje stejnosměrnou složku
    • průběh usměrněných půlvln za diodovým můstkem (oblouky proti špičkám)
    • cyklický průběh impulsů přechodového jevu (vysoké špičky proti mělkým úrovním ustálení)

Velikost harmonického střídavého napětí je obtížné vyjádřit jediným číslem, protože jeho hodnota se neustále mění v čase. Proto definujeme následující hodnoty:

 
Efektivní fázové a sdružené napětí v třífázové soustavě.

Střední hodnotu harmonického napětí definujeme následovně:

 .

Efektivní hodnotu harmonického napětí definujeme následovně:

  tj.  .

Vztah mezi hodnotou sdruženého napětí   (napětí mezi fázemi) a fázového napětí   (napětí mezi fází a nulou) se určí následovně:

 .
  • V Evropě je standardem trojfázový rozvod se sdruženým efektivním napětím 400 V s frekvencí 50 Hz, tedy s fázovým efektivním napětím 230 V.
  • V USA je standardem trojfázový rozvod se sdruženým efektivním napětím 220 V s frekvencí 60 Hz, tedy s fázovým efektivním napětím 120 V.

Odkazy editovat

Reference editovat

  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. ČSN ISO 31-5 Veličiny a jednotky: Elektřina a magnetismus, Český normalizační institut, Praha 1994
  3. ŠUSTA, Richard. POUČENÍ KE ZKOUŠCE Z VYHLÁŠKY č. 50/1978 Sb.. susta.cz [online]. [cit. 2023-01-15]. Dostupné online. 
  4. MEDUNA, Vladimír; KOUDELKA, Ctirad. DRUHY ROZVODNÝCH SÍTÍ. S. 13. fei1.vsb.cz [online]. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO, 2006-03 [cit. 2023-01-15]. S. 13. Dostupné online. 

Literatura editovat

  • SEDLÁK, Bedřich; ŠTOLL, Ivan. Elektřina a magnetismus. 3. vyd. Praha: Karolinum, 2012. 595 s. ISBN 978-80-246-2198-2. 

Související články editovat

Externí odkazy editovat