Napięcie elektryczne

Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. Wyraża to wzór

$U_{AB}=\varphi_B - \varphi_A = {W_{A \longrightarrow B}\over q}$

przy czym zakłada się, że przenoszony ładunek jest na tyle mały, iż nie wpływa znacząco na zewnętrzne pole elektryczne.

W przypadku źródła napięcia (prądu) elektrycznego napięcie jest jego najważniejszym parametrem i określa zdolność źródła energii elektrycznej do wykonania pracy. Napięcie mierzone na zaciskach źródła napięcia jest mniejsze od siły elektromotorycznej źródła. Rożnica ta spowodowana jest spadkiem napięcia na oporze wewnętrznym źródła.

Zależność pomiędzy spadkami napięć i siłami elektromotorycznymi w obwodach elektrycznych opisuje drugie prawo Kirchhoffa.

Związek napięcia z natężeniem pola elektrycznego

Napięcie elektryczne można określić znając natężenie pola elektrycznego:

$U_{AB} = {W_{A \longrightarrow B}\over q} = \int\limits_A^B \vec{E} \cdot\;d\vec{l}$

Całkowanie odbywa się pomiędzy punktami A i B, przy czym wartość całki nie zależy od wyboru drogi. Wynika stąd, że napięcie między dwoma punktami może być dodatnie, ujemne, a w szczególnych przypadkach – równe zero.

Napięcie elektryczne otwartego źródła prądu

Napięcie elektryczne otwartego źródła prądu (bez poboru prądu) równe jest sile elektromotorycznej (SEM) tego źródła, co wynika z zależności:

$U=\varepsilon -IR_{w}$

gdzie:

U – napięcie na zaciskach źródła,

ε – siła elektromotoryczna,

R_w – opór wewnętrzny źródła,

I – natężenie prądu pobieranego ze źródła.

Dla otwartego źródła: $I=0$, zatem

$U = \varepsilon$

Jednostka napięcia

Jednostką napięcia jest wolt (V). Między dwoma punktami pola elektrycznego jest napięcie 1 V, jeżeli do przeniesienia między tymi punktami ładunku 1 C potrzebna jest praca 1 J

$1\operatorname{V}=\frac{1\operatorname{J}}{1\operatorname{C}}$

a wymiar wolta

$\operatorname{V}=\frac{\operatorname{kg} \cdot \operatorname{m}^{2}}{\operatorname{s}^{3}\cdot\operatorname{A}}$

Napięcie w obwodach prądu zmiennego

W obwodach prądu zmiennego napięcie może być opisane przy pomocy kilku pojęć, są to: wartość chwilowa, skuteczna, średnia i maksymalna.

Wartość skuteczną U_sk napięcia elektrycznego okresowego o okresie T określa się wzorem:

$U_{sk} = \sqrt {{1 \over T} \int\limits_0^T u^2 (t)\ dt}$

Wartością średnią U_śr napięcia określa się napięcie o wartości:

$U_{sr} = {1 \over T} \int\limits_0^T u(t)\ dt$

Dla napięcia przemiennego sinusoidalnego, którego przebieg można opisać wzorem:

$u(t) = U_{max} \sin (\omega \cdot t + \varphi)$

wartość skuteczna napięcia wynosi:

$U_{sk} = {1\over \sqrt 2}\ U_{max}$

gdzie:

u(t) - napięcie chwilowe w funkcji czasu t,

U_max – napięcie maksymalne, równe jego amplitudzie,

ω – pulsacja,

φ – faza początkowa.

W sieciach niskiego napięcia w Polsce napięcie skuteczne fazowe (mierzone między przewodem fazowym, czyli będącym pod napięciem, a ziemią) wynosi 230 V, zaś międzyfazowe (mierzone między przewodami dwóch faz) 400 V, co odpowiada amplitudom: U_max ≈ 325 V i 563 V. Pomiędzy napięciem fazowym U_f  a międzyfazowym U_mf sieci 3-fazowej zachodzi następująca zależność:

$U_{mf}=\sqrt 3 \,U_{f}$

Zobacz też

• elektryczność
• sieć wysokiego napięcia
• natężenie prądu
• opór elektryczny
• prawo Ohma
• drugie prawo Kirchoffa
• woltomierz
• spadek napięcia