Elektrické napětí

Elektrické napětí (mezi dvěma body prostoru) je definováno jako rozdíl elektrických potenciálů (v těchto bodech). Číselně je rovno rozdílu potenciální energie jednotkového náboje v elektrostatickém a stacionárním elektromagnetickém poli.

V proměnném elektromagnetickém poli může elektrické napětí vznikat i elektromagnetickou indukcí, tedy jako důsledek změn magnetického pole. Elektrická složka elektromagnetického pole není obecně polem potenciálovým.

Značení

• Symbol veličiny: $U$ (v anglicky mluvících zemích také někdy $V$ - Voltage)
• Odvozenou jednotkou soustavy SI je 1 volt, značka V (1 V = 1 m²·kg·s⁻³·A⁻¹)

Definice

Napětí 1 V je takové napětí, které je mezi konci vodiče, do kterého konstantní proud 1 A dodává výkon 1 W. (V takovém případě má vodič odpor 1 Ω.)

Výpočet

Stacionární pole

Elektrické napětí mezi dvěma body s polohovými vektory $\mathbf {r} _{1}$ a $\mathbf {r} _{2}$ lze vyjádřit vztahem

$U=\int _{\mathbf {r} _{1}}^{\mathbf {r} _{2}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {l} =\varphi (\mathbf {r} _{1})-\varphi (\mathbf {r} _{2})$,

kde $\mathbf {E}$ je intenzita elektrického pole a $\varphi$ je elektrický potenciál.

Pomocí předchozího vztahu lze práci vykonanou při přemísťování kladného náboje $Q$ vyjádřit jako

$W=Q\cdot U\,$

Nestacionární pole

Hodnota napětí indukovaného ve smyčce vodiče je rovna časové změně celkového magnetického toku, který smyčkou prochází (Faradayův zákon elektromagnetické indukce):

$U_{\mathrm {i} }(t)=-{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}$,

kde $\Phi$ představuje celkový magnetický tok, který protéká smyčkou.

V integrálním tvaru:

$U_{\mathrm {i} }(t)=\oint _{C}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} \mathbf {l} =-\ {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{S}\mathbf {B} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S}$

kde se integruje po uzavřené vodivé smyčce $C\,$ s plochou $S\,$; $\mathbf {B} \,$ je magnetická indukce.

Rozdělení napětí podle změn polarity

• Stejnosměrné napětí je takové napětí, které nemění v čase svojí polaritu, velikost měnit může.
• Střídavé napětí je napětí, které se v čase mění s určitou periodou, přičemž jeho střední hodnota nemusí být nulová. Časový průběh (tvar) napětí může být libovolný, nejčastěji se můžeme setkat se sinusovým průběhem. Dalšími průběhy mohou být pilovité, obdélníkové nebo libovolné jiné.

V praxi se mohou vyskytovat napětí, která mají jak střídavou, tak stejnosměrnou složku.

Efektivní hodnota střídavého napětí je takové napětí stejnosměrného proudu, při kterém se ve stejném vodiči vytvoří stejné množství tepla.

Využití

Elektrické články, baterie

Běžně prodávané samostatné elektrické články (monočlánky) poskytují stejnosměrné napětí přibližně 1,5 V. Olověné články v autobateriích mají napětí přibližně 2 V. Články bývají často sdružovány do baterií, v nichž se napětí jednotlivých článků, zapojených sériově, sčítá. Lze koupit baterie o napětí 3 V, 4,5 V nebo 9 V. Autobaterie obvykle složené ze 6 nebo 12 olověných článků mají napětí 12 nebo 24 V.

Elektrická síť v České republice a ve světě

V české elektrické síti nízkého napětí nalezneme střídavé napětí o frekvenci 50 Hz a efektivním napětím 230 V. Maximální napětí (amplituda) během periody trvající 0,02 s je asi 325 V. Tato napětí jsou vztažena vůči zemi (pracovnímu vodiči).

Efektivní fázové a sdružené napětí v třífázové soustavě.

Udávané napětí třífázové soustavy je efektivní napětí mezi jejími každými dvěma fázemi, tzv. sdružené napětí. Např. běžná soustava nn má sdružené napětí 400 V. Každá fáze přitom má efektivní napětí vůči střednímu vodiči (tzv. fázové napětí) právě 230 V.

V Evropě je normalizován kmitočet 50 Hz, ve Spojených státech, Kanadě, Mexiku, Brazílii a v několika dalších zemích se používá v rozvodné soustavě kmitočet 60 Hz. Navíc je napětí v domácnostech např. ve Spojených státech zhruba poloviční (120 V) oproti Evropě (230 V).

Elektrotechnické normy a předpisy dělí elektrické napětí podle velikosti do následujících napěťových stupňů:

• Malé napětí, značka mn, do 50 V
• Nízké napětí, značka nn, 50 V až 1000 V
• Vysoké napětí, vn, 1000 V až 52 kV
• Velmi vysoké napětí, vvn 52 kV až 300 kV
• Zvláště vysoké napětí, zvn 300 kV až 800 kV
• Ultra vysoké napětí, uvn více než 800 kV

Z uvedených rozsahů se v ČR používají napětí v rozvodných soustavách:

• 0,4 kV - DS (to je 400 V sdružené a odpovídající 230 V fázové)
• 22, 35 kV - DS
• 110 kV - DS, PS
• 220 kV - PS
• 400 kV - PS,

kde

• DS je distribuční soustava,
• PS je přenosová soustava.

Historicky existují na části našeho území různé soustavy 3 kV, 6 kV, 10 kV atd. V průmyslu se používají i jiná napětí (5,25 kV, 6kV, 6,3 kV, 950 V, 690 V, 500 V).

Změna elektrického napětí

Střídavé napětí při přechodu mezi jednotlivými napěťovými hladinami se obvykle mění transformací v transformátorech.

Související články

• Volt
• Napětí
• Elektřina a magnetismus
• Elektrický proud