Elektromos feszültség – definíció, volt mértékegység és AC/DC típusok
A feszültség (elektromos potenciálkülönbség) az a mennyiség, amely az elektromos töltéseket mozgásra készteti. Gyakran úgy beszélünk róla, mint a töltésekre ható „lökés” vagy „nyomás”, de fontos megjegyezni, hogy fizikailag nem erőről van szó. A feszültség megadja, mennyi munkát végezne az elektromos mező egységnyi töltésen; mivel a töltések mozgása áramot jelent, a feszültség képes áramot létrehozni, ha zárt áramkör áll rendelkezésre.
Mi a feszültség pontosan?
Technikailag a feszültség két pont közötti elektromos potenciálkülönbség. Mindig két pont között mérjük — például egy akkumulátor pozitív és negatív pólusa között, egy vezeték és a föld között, vagy két különböző pont egy áramkörben. A feszültség befolyásolja, hogy mekkora áram tud folyni, de önmagában áramot csak akkor ad, ha az út záródik (van vezető kapcsolat).
Mértékegység és jelölés
A feszültség mértékegysége a volt, amelyet Alessandro Volta nevéről neveztek el. Egy joule munkával megmozgatott egy coulomb töltés potenciálkülönbsége 1 voltnak felel meg (1 V = 1 J/C). A Nemzetközi Egységrendszer szerint a volt jelét nagy V-vel írjuk (például 9 V).
Fontos különbség: a volt egység, a feszültség pedig a mérendő fizikai mennyiség. A matematikai vagy műszaki jelölésben az egységre nagybetűs V-t, a változóra pedig gyakran dőlt vagy kisbetűs v-t használunk. Az alábbi régebbi beágyazott képek a cikk eredeti jelöléseit mutatják:
például: V = 9 V {\displaystyle V=9\,{\text{V}}} 
Gyakran használhatjuk a feszültség jelölésére a kisbetűs v-t, például Ohm törvénye esetén: feszültség = áram × ellenállás {\displaystyle {\text{feszültség}}={\text{áram}}\szoros {\text{ellenállás}}} 
vagy rövidebben: v = ir {\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}}} 
.
A villamosmérnökök néha az e {\displaystyle e}
szimbólumot használják a feszültség jelölésére, hogy megkülönböztessék azt a mértékegységtől (volt).
Mérése és gyakorlati példák
A feszültséget voltmérővel (voltmérő) mérjük, amelyet párhuzamosan kell kapcsolni azzal a két ponttal, amely között a potenciálkülönbséget mérni szeretnénk. Fontos, hogy a voltmérő belső ellenállása nagyon nagy legyen, különben megváltoztatja az áramkört és hibás értéket adhat.
Például a háztartási villamos hálózatban az USA-ban általában 120 V-os feszültséget szoktak megadni a vezeték és a föld közötti értékre; Európában ehelyett gyakori a 230 V körüli érték. Egy akkumulátor tipikus feszültsége 1,5 V (elem), 9 V (gombelem), vagy lítium-ion cellánál 3,7 V névleges.
Feszültség és teljesítmény
A teljesítmény (teljesítményáram: wattban mérve) átviteléhez mind feszültségre, mind áramra szükség van. Teljesítmény P = V × I, ahol V a feszültség és I az áram. Magas feszültség önmagában nem okoz áramot — szükség van vezető kapcsolatra is. Ez magyarázza, hogy például madarak ráülhetnek nagyfeszültségű vezetékekre (12 kV, 16 kV stb.), mert a testükön keresztül nem folyik jelentős áram, ha nincs potenciálkülönbség a madár két érintési pontja között.
Áramforrások: EMF és belső ellenállás
Néha a feszültséget elektromotoros erőnek (EMF) is nevezik, különösen akkor, amikor egy forrás (akkumulátor, generátor) nyitott körben kifejtett potenciálját értjük. Valós forrásoknál gyakran számolni kell a belső ellenállással: nyitott áramkörben a mért feszültség megegyezik az EMF-fel, zárt áramkörben azonban az áram miatt a belső ellenálláson esik feszültség, ami csökkenti a kivehető feszültséget.
AC és DC — két feszültségtípus
Két alapvető feszültségtípus létezik:
- Egyszerű (egyen)feszültség — egyenáramú (DC) forrástól származik, és polaritása állandó (például egy elemen a pozitív és negatív pólus állandó).
- Váltakozó feszültség — az váltakozó (AC) feszültség periodikusan változtatja a polaritását és nagyságát; jellemzően szinuszos formát vesz fel. A háztartási hálózatban a feszültség másodpercenként körülbelül 60-szor (50 Hz helyett 60 Hz az USA-ban) vagy 50-szer vált irányt (Európa, GB: 50 Hz). AC esetén gyakran a csúcsérték helyett az effektív (RMS) értéket adják meg, mert az egyenáramú teljesítménnyel való egyenérték könnyebben értelmezhető így.
Például egy 230 V RMS névleges AC feszültség csúcsértéke kb. 325 V (230 × √2). A frekvencia (Hz) és a hullámforma fontos a motorok, transzformátorok és elektronikus eszközök működése szempontjából.
Biztonság
A feszültség veszélyessége függ a nagyságtól, az áramkör ellenállásától és attól, hogy az áram útja keresztülmegy-e kritikus testrészeken (például a szíven). Már viszonylag kis feszültségek is veszélyesek lehetnek nedves környezetben vagy ha az érintkező felületek kicsik. Mindig tartsuk be a biztonsági előírásokat és használjunk megfelelő szigetelést, érintésvédelmet és védőeszközöket.
Összefoglalás
- A feszültség az elektromos potenciálkülönbség, amely két pont között mérendő.
- Mértékegysége a volt (V), egyenlő 1 J/C-val.
- Feszültség nélkül nincs áram, de feszültség önmagában nem biztosít áramot — zárt áramkör és vezető út szükséges.
- Két fő típus: egyenfeszültség (DC) és váltakozó feszültség (AC); az AC-nél fontos a frekvencia és az RMS érték.
Nagyfeszültségű kábel csatlakoztatása
Meghatározás
A feszültség az elektromos potenciál változása két hely között
, vagy az elektromos potenciális energia változása két hely
között egy coulombra vetítve.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\displaystyle V=\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}}} 
Ahol V=feszültség, EPE=elektromos potenciális energia, q=töltés, ∆=különbség.
Földelési feszültség
A feszültséget mindig két pont között mérik, és az egyiket gyakran "földnek" vagy nulla voltos (0V) pontnak nevezik. A legtöbb váltakozó áramú elektromos berendezésben van egy kapcsolat a földdel. A valódi földdel való összeköttetés egy vízvezetéken, egy földbe ásott vagy behajtott földelőrúdon, vagy egy föld alá ásott, alkalmas fémvezetőn (nem gázvezeték) keresztül történik. Ez a csatlakozás az elektromos rendszer épületbe való belépési pontjánál, minden olyan oszlopnál, ahol transzformátor van az utcán (gyakran egy villanyoszlopon), és a rendszer egyéb helyein történik. A feszültségmérés referenciapontjaként az egész Föld bolygót használják. Egy épületben ezt a földet két vezetéken viszik el minden egyes elektromos készülékhez. Az egyik a "földelő vezeték" (a zöld vagy csupasz vezeték), és biztonsági földként szolgál a berendezések fém részeinek a földdel való összekötésére. A másik vezetéket a rendszer áramköreinek egyik elektromos vezetőjeként használják, és "nullavezetőnek" nevezik. Ez a földpotenciálon levő vezeték zárja le az összes áramkört, visszavezetve az áramot bármely elektromos berendezésből a rendszer épületekbe való belépési pontjához, majd a rendszerint az utcán lévő transzformátorhoz. Az épületeken kívül sok helyen szükségtelenné válik az áramköröket lezáró és az épületektől a generátorokhoz vezető vezeték. A visszatérő útvonal, amely az összes áramot visszavezeti, maga a föld. Az
egyenáramú áramkörökben a generátor vagy akkumulátor negatív végét gyakran nevezik "földnek" vagy nulla voltos (0V) pontnak, még akkor is, ha lehet, hogy van vagy nincs kapcsolat a földdel. Ugyanazon a nyomtatott áramköri lapon (PCB) több földelés is lehet, például érzékeny analóg áramköröknél az áramkör ezen része használhat "analóg földelést", és a digitális résznek van egy " digitális földelése". Az
elektromos berendezésekben a 0 voltos pont lehet a fém alváz, az úgynevezett alvázföld, vagy a tényleges földhöz való csatlakozás, az úgynevezett földelés, mindkettőnek saját szimbóluma van, amelyet az elektromos kapcsolási rajzokon (áramköri rajzokon
) használnak.
Mérőeszközök
A feszültség mérésére szolgáló eszközök közé tartozik a voltmérő és az oszcilloszkóp.
A feszültségmérő két pont közötti feszültséget mér, és beállítható egyenáramú vagy váltakozó áramú üzemmódra. A voltmérő mérheti például egy akkumulátor egyenfeszültségét (jellemzően 1,5 V vagy 9 V), vagy a falon lévő konnektorból származó váltakozó feszültséget (jellemzően 120 V).
Összetettebb jelek esetén oszcilloszkóp használható az egyen- és/vagy váltakozó feszültség mérésére, például a hangszórón mért feszültség mérésére.
Potenciálkülönbség
Az a pont és a b pont közötti feszültség vagy potenciálkülönbség az az energiamennyiség joule-ban kifejezve (az elektromos tér hatására), amely ahhoz szükséges, hogy 1 coulomb pozitív töltés az a pontból a b pontba kerüljön. Az a és b pont közötti negatív feszültség az, amikor 1 coulomb energiára van szükség ahhoz, hogy egy negatív töltés az a pontból a b pontba kerüljön. Ha egy töltött tárgy körül egyenletes elektromos tér van, akkor a negatív töltésű tárgyakat magasabb feszültségek felé, a pozitív töltésűeket pedig alacsonyabb feszültségek felé húzza. A két pont közötti potenciálkülönbség/feszültség független az a pontból a b pontba való eljutáshoz megtett úttól. Így az a pontból b pontba + a b pontból c pontba eső feszültség mindig egyenlő az a pontból c pontba eső feszültséggel.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a feszültség?
V: A feszültség egy elektromos potenciálkülönbség, két hely közötti elektromos potenciálkülönbség. Úgy is elképzelhető, mint az az erő, amely a töltéseket mozgásra készteti egy vezetékben vagy más elektromos vezetőben.
K: Milyen mértékegységet használnak a feszültség mérésére?
V: A feszültség mérésére szolgáló egység a volt. Ennek az egységnek a szimbóluma nagy V-vel van írva (9V).
K: Hogyan okoz a feszültség áramot?
V: A feszültség hatására a töltések elmozdulnak, és mivel a mozgó töltések áramot hoznak létre, a feszültség áramot okozhat.
K: Ki volt Alessandro Volta, és miért róla nevezték el a voltot?
V: Alessandro Volta olasz fizikus volt, aki 1800-ban feltalálta az első akkumulátort. A voltot róla nevezték el, hogy ezzel is tisztelegjenek a tudományhoz való hozzájárulása előtt.
K: A volt és a feszültség két különböző dolog?
V: Igen, a volt olyan mértékegység, amellyel valamit mérünk, míg a feszültség arra utal, amit ezekkel az egységekkel mérünk.
K: Mi a feszültség két típusa?
V: A feszültségnek két típusa van - egyenáram (DC) és váltakozó áram (AC). Az egyenáram mindig azonos polaritású, míg a váltakozó áram váltakozva pozitív és negatív polaritású.
K: Lehetséges, hogy a madarak nagyfeszültségű vezetékekre szálljanak anélkül, hogy kárt tennének bennük?
V: Igen, a madarak leszállhatnak nagyfeszültségű vezetékekre, például 12 és 16 kV-os vezetékekre anélkül, hogy elpusztulnának, mert ahhoz, hogy a teljesítmény (energia) átmenjen rajtuk, feszültségnek és áramnak is jelen kell lennie - ha csak az egyik elem van jelen, akkor nem történik semmi.
