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, značkaElektrické napětí, U
Hlavní jednotka SIvolt
Značka hlavní jednotky SIV
Rozměrový symbol SIU
Dle transformace složekskalární
Zařazení v soustavě SIzákladní

Napětí v elektrických rozvodech může být stejnosměrné (značí se ss, symbol =) nebo střídavé (značí se st, symbol ~), 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 (evropská norma[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).[2] Jednotkou elektrického napětí v soustavě SI je volt, značí se .

Elektrické napětí se měří voltmetrem, který se zapojuje do obvodu paralelně.

DefiniceEditovat

Stacionární poleEditovat

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 poleEditovat

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 napětíEditovat

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

Střídavé napětíEditovat

Napěťové stupně
podle ČSN IEC 449[3]
Značka Rozsahy
střídavého napětí
Rozsahy
stejnosměrného napětí
Malé napětí mn do 50 V do 120 V
Nízké napětí nn 50 V až 1 kV 120 V až 1,5 kV
Vysoké napětí vn 1 kV až 52 kV 1,5 kV až 52 kV
Velmi vysoké napětí vvn 52 kV až 300 kV 52 kV až 300 kV
Zvláště vysoké napětí zvn 300 kV až 800 kV 300 kV až 800 kV
Ultra vysoké napětí uvn nad 800 kV nad 800 kV

Střídavé napětí je takové elektrické napětí, které v čase mění svou polaritu, kterou mění s určitou periodou. Časový průběh napětí je nejčastěji sinusový (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 napětí definujeme následovně:

 .

Efektivní hodnotu 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 se standardně používá 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.

OdkazyEditovat

ReferenceEditovat

  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. Rozdělení elektrických zařízení podle napětí [online]. Ostrava: VŠB, Katedra elektroenergetiky, 2008-03-11 [cit. 2022-05-19]. Dostupné online. 

LiteraturaEditovat

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

Související článkyEditovat

Externí odkazyEditovat