Elektrické napětí

Elektrické napětí (zkratka U), 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, to jest práce, potřebná k přenesení jednotkového náboje mezi těmito body. Měří se voltmetrem a vyjadřuje se v jednotkách volt. Vztah mezi napětím a intenzitou proudu v určitém vodiči s elektrickým odporem tohoto vodiče vyjadřuje Ohmův zákon, v nejjednodušší podobě U = I × R. Napětí U (volty) na vodiči s odporem R (ohmů), kterým prochází proud I (ampér), se rovná jejich součinu.

Pokud se polarita napětí mezi body určitého pole v čase nemění, takže lze rozlišit kladný a záporný pól, jedná se o stejnosměrné pole a stejnosměrné napětí U_ss 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 U_st nebo U~, jehož okamžitá hodnota se označuje u. Typickým příkladem může být běžná elektrická síť se střídavým napětím 230 V a frekvencí 50 Hz (evropská norma), kde napětí vzniká pohybem elektrického vodiče v elektromagnetickém poli generátoru v elektrárně. V technické praxi se napětí často vztahuje vůči zemi s potenciálem nula.

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

$U=R\cdot I$

Stacionární pole

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

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

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

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

• 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.

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 chemické elektrické články (monočlánky) poskytují stejnosměrné napětí podle své konstrukce, například zinko-uhlíkový článek nebo alkalický článek má jmenovité napětí 1,5 V (tzv. tužkové baterie), olověný akumulátor má články o napětí 2,1 V. Články bývají často sdružovány do baterií, v nichž se napětí jednotlivých článků zapojených sériově sčítá (například plochá baterie má 3 články po 1,5 V, což je celkem 4,5 V, 9 V baterie má 6 článků po 1,5 V, autobaterie mají 3, 6 nebo 12 článků s celkovým napětím 6, 12 nebo 24 V.

Střídavá elektrická síť

Na tuto kapitolu jsou přesměrována hesla elektrická síť a střídavá elektrická síť.

Efektivní fázové a sdružené napětí v třífázové soustavě.

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). Udávané napětí třífázové soustavy je efektivní napětí mezi jejími každými dvěma fázemi, tzv. sdružené napětí. V evropské soustavě nn je sdružené napětí definováno na 400 V. Každá fáze přitom má efektivní napětí vůči střednímu vodiči (tzv. fázové napětí) symetricky zhruba 231 V (přes 1,77, druhou odmocninu ze 3, podle úhlů v rovnostranném trojúhelníku).

Standardní hodnoty sítě

V Evropě je normalizován kmitočet 50 Hz a 3x 400 V (dříve byla definice založena na jednofázovém napětí 220 V; i tak historicky existují výjimky, například některé domy ve Starém Městě v Praze mají ještě historické rozvody 120 V). Ve Spojených státech, Kanadě, Mexiku, Brazílii a v několika dalších zemích se používá v rozvodné soustavě kmitočet 60 Hz, ve Spojených státech napětí (120 V).

Historie hodnot sítí

Historicky se v kontinentální části Evropy používalo střídavé napětí o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V, zatímco ve Spojeném království se používala frekvence 50 Hz a napětí 240 V. Z technických i politických důvodů nebylo možné, aby se napětí v síti UK snížilo a na kontinentě zvýšilo. Při takzvané harmonizaci byla proto redefinována tolerance napětí v síti tak, že jmenovité napětí je nyní jednotně 230 V, aniž by došlo k jakékoliv faktické změně v rozvodných soustavách. Nové výrobky mají normované napájení 230 V a jsou schopny v rámci své povinné tolerance k provozu v obou soustavách. Používání starších výrobků pro soustavu 220 nebo 240 V může způsobit při převozu do druhé oblasti problémy (napájení bude nižší nebo vyšší, než na jaké byl spotřebič navržen/schválen).

Napěťové stupně

Na tuto kapitolu jsou přesměrována hesla napěťové stupně, nízké napětí a malé napětí.

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 – distribuční soustava (odpovídá 400 V sdruženému, což je 230 V fázově)
• 6, 10, 22, 35 kV – distribuční soustava
• 110 kV – distribuční soustava, přenosová soustava
• 220 kV – přenosová soustava
• 400 kV – přenosová soustava

Historicky existují na části našeho území i jiné soustavy:

• vysokého napětí – 3 kV, 6 kV, 10 kV
  • v průmyslu se používají i různá jiná napětí: 5,25 kV (Králodvorské železárny), 5,5 kV (Poldi Kladno), 6 kV, 6,3 kV
• nízkého napětí: 950 V, 690 V, 500 V

Změna elektrického napětí

Střídavé napětí principiálně umožňuje relativně snadné (v porovnání se ss. napětím) přechody mezi jednotlivými napěťovými hladinami, a to pomocí transformátorů v transformovnách a trafostanicích.

Přetížení sítě a stabilita

U citlivějších spotřebičů (např. praček a sušiček), které jsou citlivé na přesnost sítě a hlídají si kvalitu napájení, úroveň napětí a jeho kmitočet, může být nutno použít ve slabých koncových sítích frekvenční měnič, protože transformátory převádí pouze napětí, nikoli kmitočet.

Nicméně česká síť je plně propojena do evropské, parametry se dnes již přísně dodržují (zejména kmitočet) a to i z důvodu vzájemné svázanosti (přifázovanosti) všech elektráren a jejich generátorů. Pokud by některý měl běžet pomaleji, projevilo by se to na velkých vyrovnávacích proudech, kdy by se pro ostatní generátory v síti jevil jako zátěž, celou sítí by tento přetížený stroj byl roztáčen, běžel by jako motor: Motorická zátěž obecně má za účinek snižování napětí v přetížené síti a zpomalování kmitočtu. Energetici mají za úkol toto regulovat na stabilní hodnoty, a to jak přepínáním odboček transformátorů, tak i přes přitápění v kotlích elektráren, až po odpojováním zbytných zátěží.

Odkazy

Související články

• Volt
• Elektromotorické napětí
• Elektřina a magnetismus
• Elektrický proud

Autoritní data	NKC: ph119852 PSH: 2475 GND: 4056001-6 PLWABN: 9810664358405606