Elektromos feszültség: jele, mértékegysége és képlete

Az elektromos feszültség jele U, mértékegysége a volt (V). Mindig két pont közötti potenciálkülönbséget jelent: például egy elem két kapcsa, vagy egy ellenállás két vége között. A feszültségből önmagában nem derül ki, mennyi áram folyik, mekkora teljesítmény áll rendelkezésre vagy mennyi energiát tárol egy akkumulátor. A fogalom akkor válik használhatóvá, ha a képleteknél a pontokat, az irányt és az alkalmazási feltételeket is megadjuk.

Az elektromos feszültség fogalma és képlete

Elektrosztatikus térben legyen U_AB = φ_A − φ_B. Ha egy q töltés A-ból B-be mozdul, és a villamos tér W_AB munkát végez rajta, akkor:

U_AB = W_AB/q, illetve W_AB = qU_AB.

Itt a töltés és a munka előjeles mennyiség. A töltés helyzeti energiájának változása a tér munkájának ellentettje. Ha csak nagyságokkal számolunk, ezt külön jelezni kell. 1 V = 1 J/C: egy volt feszültségkülönbséghez coulombonként egy joule energia tartozik. A volt elnevezés Alessandro Volta nevét őrzi.

Saját számpélda: ha a tér 0,5 C pozitív töltés A-ból B-be mozgatásakor 6 J munkát végez, akkor U_AB = 6/0,5 = 12 V. Ugyanezen két pont között 1 C töltéshez 12 J munka tartozna; a feszültség ettől továbbra is 12 V.

Mikor használható az U = E·d képlet?

A |U| = E·d egyszerű alak akkor alkalmazható, ha a tér homogén, és a két pont közötti d távolságot a térerősséggel párhuzamos irányban mérjük. Más irányú elmozdulásnál csak a tér megfelelő irányú összetevője számít. Általánosan a potenciál a villamos tér irányában csökken.

Saját példa: 200 V/m nagyságú homogén térben a tér irányában egymástól 0,03 m-re levő két pont potenciálkülönbségének nagysága 200 × 0,03 = 6 V. Ugyanekkora, de a térre merőleges elmozdulás esetén a potenciálkülönbség nulla. Tehát önmagában az, hogy erő hat egy töltésre, még nem jelenti, hogy minden elmozdulás során munkát is végez rajta.

Az elektronok és a hagyományos áramirány

Egy egyenáramú forrásra kapcsolt fémes fogyasztóban a hagyományos áramirány a pozitív kapocs felől a negatív felé mutat. A negatív töltésű elektronok rendezett mozgása ezzel ellentétes. A kapcsolási rajz hagyományos áramirányt mutató nyila ezért nem az elektronok haladási irányát jelöli.

Online Marketing és Pszichológia című könyv

Ha a kapcsoló nyitva van, a forrás két kapcsa között továbbra is lehet feszültség, miközben a fogyasztón nem folyik tartós áram. Egy használaton kívüli, de csatlakoztatott berendezés ezért nem tekinthető pusztán a kikapcsolt állapotából feszültségmentesnek.

Táblázat a legfontosabb mennyiségekről

Mit jelentenek a hétköznapi feszültségadatok?

• Elemek, akkumulátorok: az 1,5 V vagy 3,7 V jellemzően névleges adat. A tényleges kapocsfeszültség az állapottal és a terheléssel is változhat; a felirat nem azonos a tárolt energia megadásával.
• 230/400 V-os hálózat: a 230 V a fázis és a nullavezető közötti, a 400 V két különböző fázis közötti névleges feszültség. Ezek váltakozó feszültségre megadott effektív értékek. Nem általában „egy vezeték és a föld” közötti feszültségről van szó.
• Járművek és tápegységek: nagyobb feszültségnél ugyanaz a teljesítmény kisebb árammal is átvihető. Ettől még a rendszer teljesítményét a forrás, az átalakítók, a vezetékek és a fogyasztó tervezett működése együtt korlátozza.

Feszültség, áramerősség és ellenállás – rövid kitekintés

Az áramerősség, I, az időegység alatt átjutó töltés; az ellenállás jele R. Állandó ellenállású, ohmos elemnél az összefüggés:

U = R · I

Az U = R·I állandó R-rel olyan tartományban használható, ahol az elem ohmosan viselkedik. LED-re vagy jelentősen felmelegedő izzószálra nem szabad automatikusan állandó ellenállást feltételezni. Saját példa: egy 120 Ω-os ideális ellenálláson 12 V mellett 0,1 A folyna. A fogyasztó megváltoztatása az áramot is megváltoztatja, még azonos feszültség mellett is.

Napelem és szélturbina: nem ugyanaz az átalakítás

A napelemmodul egyenáramot szolgáltat, amelyet hálózati csatlakozáskor inverter alakít át megfelelő váltakozó árammá. A szélturbinák generátora viszont nem általánosan egyenáramú forrás: változó fordulatszám mellett változó frekvenciájú váltakozó feszültséget is adhat, amelyet teljesítményelektronika illeszt a hálózathoz. Egy közbenső egyenáramú kör jelenléte nem jelenti azt, hogy maga a generátor egyenáramot termel.

Hogyan tanulható meg felesleges kockázat nélkül?

A fenti számpéldák papíron vagy áramköri szimulációban is végigkövethetők. Gyakorlati bemutatóhoz a rendeltetésének megfelelő, kis energiájú, elemes oktatókészletet és annak útmutatóját érdemes használni. A különböző típusú elemek összekötése, a LED közvetlen túlterhelése vagy egy kondenzátor rövidre zárása nem szükséges a feszültség megértéséhez. Az Energizer külön is figyelmeztet az eltérő elemek keverésére és a rövidzár okozta melegedésre.

Eszközválasztásnál három kérdést tegyél fel: mekkora feszültség kell, AC vagy DC szükséges, és mekkora áramot igényel a készülék? DC-csatlakozónál a polaritás, minden tápegységnél pedig a gyártó által megadott kompatibilitás is számít. A feszültség száma csak az egyik adat.

Források és további ellenőrzés

• OpenStax University Physics 2: potenciálkülönbség, munka és energia
• OpenStax University Physics 2: a villamos tér és a potenciál kapcsolata
• OpenStax University Physics 2: áramirány és töltésmozgás
• OpenStax University Physics 2: az Ohm-törvény alkalmazhatósága
• Schneider Electric: névleges feszültségek és a 230/400 V jelölés
• ABB: teljesítményátalakítók a szél- és napenergia-rendszerekben
• Energizer: elemek rendeltetésszerű használata

Tanulj reklámpszichológiát a könyvemből