Napięcie: Co to jest?

Electrical4u

Pole: Podstawowe Elektryka

China

Co to jest napięcie?

Napięcie (znane również jako różnica potencjałów elektrycznych, siła elektromotoryczna emf, ciśnienie elektryczne lub napięcie elektryczne) zdefiniowane jest jako różnica potencjału elektrycznego na jednostkę ładowania między dwoma punktami w polu elektrycznym. Napięcie matematycznie (tj. w formułach) wyrażone jest za pomocą symbolu „V” lub „E”.

Jeśli szukasz bardziej intuicyjnego wyjaśnienia, które pomogłoby wyjaśnić, czym jest napięcie, przejdź do tego fragmentu artykułu.

W przeciwnym razie kontynuujemy poniżej z bardziej formalną definicją napięcia.

W statycznym polu elektrycznym praca potrzebna do przemieszczenia jednostki ładunku między dwoma punktami nazywana jest napięciem. Matematycznie napięcie można wyrazić jako,

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

Gdzie wykonana praca mierzona jest w dżulach, a ładunek w kulombach.

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

Możemy zdefiniować napięcie jako ilość energii potencjalnej między dwoma punktami w obwodzie.

Jeden punkt ma wyższy potencjał, a pozostałe punkty mają niższy potencjał. Różnica ładunku między wyższym potencjałem a niższym potencjałem nazywana jest napięciem lub różnicą potencjałów.

Napięcie lub różnica potencjałów daje siłę elektronom do przepływu przez obwód.

Im wyższe napięcie, tym większa siła, a więc tym więcej elektronów przepływa przez obwód. Bez napięcia lub różnicy potencjałów elektrony poruszałyby się losowo w wolnej przestrzeni.

Napięcie jest czasem również nazywane „napięciem elektrycznym”. Na przykład pojemność obsługiwania napięcia kabli, takich jak 1 kV, 11 kV i 33 kV, nazywane są odpowiednio kabli niskiego, wysokiego i nadwysokiego napięcia.

Definicja różnicy potencjałów jako potencjału pola elektrycznego

Jak wspomniano, napięcie definiuje się jako różnicę potencjału elektrycznego na jednostkę ładunku między dwoma punktami w polu elektrycznym. Opiszmy to za pomocą równań.

Rozważmy dwa punkty A i B.

Potencjał punktu A względem punktu B definiuje się jako praca wykonana przy przesuwaniu ładunku jednostkowego z punktu A do B w obecności pola elektrycznego E.

Matematycznie można to wyrazić jako,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

To jest również różnica potencjałów między punktami A i B, gdzie punkt B jest punktem odniesienia. Można to również wyrazić jako,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

Napięcie jest dość trudnym pojęciem do zrozumienia na poziomie koncepcyjnym.

Dlatego użyjemy analogii do czegoś namacalnego — czegoś w świecie rzeczywistym — aby ułatwić zrozumienie napięcia.

Zrozumienie napięcia za pomocą analogii

„Analiza hydrauliczna” to powszechna analogia wykorzystywana do wyjaśnienia napięcia.

W analizie hydraulicznej:

Napięcie lub potencjał elektryczny jest równoważne z ciśnieniem hydraulicznym wody
Prąd elektryczny jest równoważny z prędkością przepływu wody
Ładunek elektryczny jest równoważny ilości wody
Przewodnik elektryczny jest równoważny z rurą

Analogia 1

Rozważmy zbiornik wodny, jak pokazano na poniższym rysunku. Rysunek (a) przedstawia dwa zbiorniki wypełnione tą samą wysokością wody. Dlatego woda nie może przepływać z jednego zbiornika do drugiego, ponieważ nie ma różnicy ciśnień.

Teraz, rysunek (b) przedstawia dwa zbiorniki wypełnione wodą na różnych poziomach. W związku z tym istnieje pewna różnica ciśnień między tymi dwoma zbiornikami. Dlatego woda będzie przepływać z jednego zbiornika do drugiego, aż poziom wody w obu zbiornikach stanie się taki sam.

Podobnie, jeśli połączymy dwa akumulatory poprzez przewód elektryczny o różnych poziomach napięcia, ładunki mogą przepływać z akumulatora o wyższym potencjale do akumulatora o niższym potencjale. W związku z tym akumulator o niższym potencjale zostanie naładowany, aż potencjał obu akumulatorów stanie się taki sam.

Analogy 2

Rozważmy zbiornik wody umieszczony na pewnej wysokości nad ziemią.

Ciśnienie wody na końcu węża jest równoważne napięciu lub różnicy potencjałów w obwodzie elektrycznym. Woda w zbiorniku jest równoważna ładunkowi elektrycznemu. Jeśli zwiększymy ilość wody w zbiorniku, to powstanie większe ciśnienie na końcu węża.

Odwrotnie, jeśli odcedzimy pewną ilość wody z zbiornika, to ciśnienie utworzone na końcu węża zmniejszy się. Możemy założyć, że ten zbiornik wody jest jak akumulator. Gdy napięcie akumulatora maleje, lampy stają się mniej jasne.

Analogy 3

Zrozummy, jak praca może być wykonana przez napięcie lub różnicę potencjałów w obwodzie elektrycznym. Obwód elektryczny przedstawiony jest na poniższym rysunku.

Jak pokazano w hydraulicznym obwodzie wodnym, woda przepływa przez rurę napędzaną przez pompę mechaniczną. Rura jest równoważna przewodowi elektrycznemu w obwodzie elektrycznym.

Teraz, jeśli pompa mechaniczna tworzy różnicę ciśnień między dwoma punktami, to sprężona woda będzie w stanie wykonać pracę, taką jak napędzenie turbiny.

Podobnie, w obwodzie elektrycznym, różnica potencjałów baterii może spowodować przepływ prądu przez przewodnik, co pozwala na wykonanie pracy przez płynący prąd elektryczny, taką jak oświetlenie lampy.

Jak mierzy się napięcie (jednostki napięcia)?

Jednostka SI napięcia

Jednostką SI napięcia jest wolt. Jest to oznaczane literą V. Wolt to pochodna jednostka SI napięcia. Włoski fizyk Alessandro Volta (1745-1827), który wynalazł stos voltaiczny, czyli pierwszą baterię elektryczną, stąd jednostka wolt została nazwana na jego cześć.

Wolt w podstawowych jednostkach SI

Wolt można zdefiniować jako różnicę potencjału elektrycznego między dwoma punktami w obwodzie elektrycznym, która rozprasza jedną dżul energii na kulomb ładunku przepływającego przez obwód elektryczny. Matematycznie, można to wyrazić jako,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

Stąd, wolt można wyrazić w podstawowych jednostkach SI jako $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ lub $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

Może to również być zmierzone w watów na amper lub ampere razy om.

Wzór na napięcie

Podstawowy wzór na napięcie przedstawiony jest w poniższym obrazie.

Wzór na napięcie 1 (Prawo Ohma)

Zgodnie z Prawem Ohma, napięcie można wyrazić jako,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Przykład 1

Jak pokazano w poniższym obwodzie, prąd o natężeniu 4 A przepływa przez opór 15 Ω. Wyznacz spadek napięcia w obwodzie.

Rozwiązanie:

Dane wejściowe: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Zgodnie z prawem Ohma,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

W ten sposób, korzystając z równania, otrzymujemy spadek napięcia w obwodzie wynoszący 60 voltów.

Wzór na napięcie 2 (Moc i prąd)

Przenoszona moc jest iloczynem napięcia zasilającego i natężenia prądu elektrycznego.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Teraz, podstawmy $I=\frac{V}{R}$ do powyższego równania, otrzymujemy,

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Zatem, napięcie jest równe mocy podzielonej przez prąd. Matematycznie,

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,Volts \end{align*}$

Przykład 2

Jak pokazano w poniższym obwodzie, prąd o wartości 2 A przepływa przez lampę o mocy 48 W. Określ napięcie zasilające.

Rozwiązanie:

Dane: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Zgodnie z powyższym wzorem między napięciem, mocą i prądem,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

Stosując powyższy wzór, otrzymujemy napięcie zasilające wynoszące 24 wolt.

Wzór na napięcie 3 (Moc i opór)

Zgodnie z równaniem (1), napięcie jest pierwiastkiem kwadratowym iloczynu mocy i oporu. Matematycznie,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

Przykład 3

Jak pokazano w poniższym obwodzie, określ napięcie konieczne do rozświetlenia żarówki o mocy 5 W i oporności 2 Ω.

Rozwiązanie:

Dane: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Zgodnie z podaną wyżej wzorem,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

Stosując powyższe równanie, otrzymujemy napięcie konieczne do rozświetlenia żarówki o mocy $5 W, 2\Omega$ wynoszące 3.16 Volty.

Symbol napięcia (AC i DC)

Symbol napięcia AC

Symbol napięcia przemiennego (prąd przemienny) przedstawiono poniżej:

企业微信截图_17098668569432.png — Symbol napięcia AC

Symbol napięcia DC

Symbol napięcia stałego (prąd stały) przedstawiono poniżej:

Wymiar napięcia

Napięcie (V) jest reprezentacją energii elektrycznej na jednostkę ładunku.

Wymiary napięcia można wyrazić w termach masy (M), długości (L), czasu (T) i ampera (A) jako $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

Należy zauważyć, że niektórzy używają I zamiast A do reprezentowania prądu. W takim przypadku wymiar napięcia można przedstawić jako $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Jak zmierzyć napięcie

W obwodach elektrycznych i elektronicznych pomiary napięcia są kluczowym parametrem, który musi być zmierzony. Możemy zmierzyć napięcie między określonym punktem a ziemią lub linią o napięciu zero w obwodzie.

W obwodzie trójfazowym, jeśli mierzymy napięcie między dowolną fazą z trójfazowego systemu a punktem neutralnym, to nazywamy to napięciem między fazą a ziemią.

Podobnie, jeśli mierzymy napięcie między dowolnymi dwiema fazami z trójfazowego systemu, to nazywamy to napięciem między fazami.

Istnieje wiele przyrządów służących do pomiaru napięcia. Omówmy każdy z nich.

Metoda pomiaru woltomierzem

Napięcie między dwoma punktami w systemie można zmierzyć za pomocą woltomierza. Aby zmierzyć napięcie, woltomierz musi być połączony równolegle z komponentem, którego napięcie ma być zmierzone.

Jeden przewód woltomierza musi być podłączony do pierwszego punktu, a drugi do drugiego punktu. Należy pamiętać, że woltomierz nigdy nie powinien być podłączony szeregowo.

Woltomierz może również służyć do pomiaru spadku napięcia na dowolnym elemencie lub sumy spadków napięcia na dwóch lub więcej elementach w obwodzie.

Analogowy woltomierz działa poprzez pomiar prądu przepływającego przez stały rezystor. Zgodnie z prawem Ohma, prąd przepływający przez rezystor jest wprost proporcjonalny do napięcia lub różnicy potencjałów na stałym rezystorze. Dzięki temu możemy określić nieznane napięcie.

Kolejnym przykładem połączenia woltomierza do pomiaru napięcia na baterii 9 V jest pokazane poniżej:

Metoda multimetru

Obecnie jedną z najpopularniejszych metod pomiaru napięcia jest użycie miernika uniwersalnego. Miernik może być analogowy lub cyfrowy, ale mierniki cyfrowe są najczęściej stosowane ze względu na wyższą dokładność i niższy koszt.

Napięcie lub różnicę potencjałów na dowolnym urządzeniu można łatwo zmierzyć, podłączając sondy miernika uniwersalnego do dwóch punktów, gdzie ma zostać dokonany pomiar napięcia. Pomiar napięcia baterii za pomocą miernika uniwersalnego pokazano na poniższym obrazku.

Multimeter for Voltage Measurement — Połączenie miernika uniwersalnego do pomiaru napięcia baterii

Metoda potencjometru

Działanie potencjometru opiera się na zasadzie techniki równowagi zerowej. Mierzy on napięcie poprzez porównanie nieznanego napięcia z znanym napięciem odniesienia.

Inne urządzenia, takie jak oscyloskop czy elektrostatyczny woltomierz, mogą również służyć do pomiaru napięcia.

Różnica między napięciem a prądem (Napięcie a Prąd)

Główna różnica między napięciem a prądem polega na tym, że napięcie to potencjał elektryczny między dwoma punktami w polu elektrycznym, podczas gdy prąd to przepływ ładunków elektrycznych z jednego punktu do drugiego w polu elektrycznym.

Możemy po prostu stwierdzić, że napięcie jest przyczyną przepływu prądu, podczas gdy prąd to efekt działania napięcia.

Im wyższe napięcie, tym większy przepływ prądu między dwoma punktami. Należy zauważyć, że jeśli dwa punkty w obwodzie mają takie same potencjały, to prąd nie może przepływać między nimi. Wielkość napięcia i prądu zależy od siebie nawzajem (zgodnie z prawem Ohma).

Inne różnice między napięciem a prądem są omówione w tabeli poniżej.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Różnica między napięciem a prądem

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Różnica między napięciem a prądem

Różnica między napięciem a różnicą potencjałów (Napięcie vs Różnica potencjałów)

Pomiędzy napięciem a różnicą potencjałów nie ma wielkiej różnicy. Możemy jednak opisać ich różnicę w następujący sposób.

Napięcie to ilość energii potrzebna do przesunięcia jednostkowego ładunku między dwoma punktami, podczas gdy różnica potencjałów to różnica między wyższym potencjałem jednego punktu a niższym potencjałem drugiego punktu.

Ze względu na punktowy ładunek:

Napięcie to potencjał uzyskany w pewnym punkcie, przyjmując inny punkt odniesienia jako nieskończoność. Z kolei różnica potencjałów to różnica w potencjale między dwoma punktami znajdującymi się w skończonej odległości od ładunku. Matematycznie można je wyrazić jako,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

Jeśli wolisz wyjaśnienie napięcia w formie filmowej, obejrzyj poniższy film:

Co to jest typowe napięcie?

Typowe napięcie definiuje się jako typowy poziom lub wartość napięcia aparatury elektrycznej lub sprzętu.

Poniżej przedstawiono listę typowych napięć dla różnych urządzeń elektrycznych.

Akumulatory ołowiowe używane w pojazdach elektrycznych: 12 V DC. Akumulator 12 V składa się z 6 komórek, gdzie typowe napięcie każdej komórki wynosi 2,1 V. Należy zauważyć, że komórki są połączone szeregowo, aby zwiększyć napięcie.
Czujniki fotowoltaiczne: Zwykle produkują napięcie około 0,5 V DC w warunkach otwartego obwodu. Jednak wiele czujników fotowoltaicznych jest często łączone szeregowo, tworząc panele słoneczne, które mogą generować wyższe całkowite napięcie.
USB: 5 V DC.
Wysokonapięciowe linie przesyłowe: 110 kV do 1200 kV AC.
Linie zasilające szybkobieżne pociągi (trakcja): 12 kV i 50 kV AC lub 0,75 kV i 3 kV DC.
Zasilanie TTL/CMOS: 5 V.
Jednokomórkowy, naładowany akumulator niklu-kadmowy: 1,2 V.
Baterie latarkowe: 1,5 V DC.

Typowe napięcia dostarczane przez firmy dystrybucyjne do gospodarstw domowych to:

100 V, jednofazowe AC w Japonii
120 V, jednofazowe AC w Ameryce
230 V, jednofazowe AC w Indiach, Australii

Typowe napięcia dostarczane przez firmy dystrybucyjne do przemysłu to:

200 V, trójfazowe AC w Japonii
480 V, trójfazowe AC w Ameryce
415 V, trójfazowe AC w Indiach

Zastosowania napięcia

Niektóre zastosowania napięcia obejmują:

Jednym z najbardziej powszechnych zastosowań napięcia jest określenie spadku napięcia na urządzeniu elektrycznym, takim jak rezystor.
Dodawanie napięcia jest wymagane, aby zwiększyć klasyfikację napięcia. Dlatego komórki są łączone szeregowo, aby zwiększyć napięcie.

Napięcie jest podstawowym źródłem energii dla każdego urządzenia elektrycznego i elektronicznego. Od małych napięć (5 V) do wysokich napięć (415 V) są wykorzystywane w różnych zastosowaniach.

Niskie napięcia są zwykle używane w wielu urządzeniach elektronicznych i aplikacjach kontrolnych.

Wysokie napięcia są używane do

Elektrostatycznej drukarki, elektrostatycznego malowania, elektrostatycznego pokrywania materiałów
Studiów kosmologicznych przestrzeni
Elektrostatycznego osadzacza (kontrola zanieczyszczenia powietrza)
Laboratorium napędu odrzutowego
Rurek rentgenowskich
Wysokomocowych lamp próżniowych
Spektrometrii masowej
Testów dielektrycznych
Testów żywności i napojów
Aplikacji elektrospryskiwania i wirowania, elektrofotografii
Aplikacji opartych na plazmie
Pomiaru poziomu
Ogrzewania indukcyjnego
Lamp błyskowych
SONAR
Do testowania urządzeń elektrycznych

Źródło: Electrical4u

Uwaga: Szacunek dla oryginału, dobre artykuły warto dzielić się, jeśli wystąpi naruszenie praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.

Daj napiwek i zachęć autora

Tematy:

Podstawowe Elektryka

Napięcie

O ekspertach

Electrical4u

China

Polecane

Więcej

Wysokoenergetyczna bezszesnowodniowa jednostka pierścieniowa: Dostosowanie cech mechanicznych

(1) Przerwa kontaktowa jest głównie określana przez parametry koordynacji izolacji, parametry przerwania, materiał kontaktu w wysokonapiowej bezszesnowodnej rozdzielni pierścieniowej oraz konstrukcję komory dmuchawej magnetycznej. W praktyce większa przerwa kontaktowa nie musi być lepsza; zamiast tego przerwa kontaktowa powinna być dostosowana jak najbliżej swojej dolnej granicy, aby zmniejszyć zużycie energii i przedłużyć czas użytkowania.(2) Określenie nadprzejazdu kontaktowego jest związane z

James

12/10/2025

Linie dystrybucyjne niskiego napięcia i wymagania dotyczące dystrybucji energii elektrycznej na stanowiskach budowlanych

Linie dystrybucyjne niskiego napięcia to obwody, które poprzez transformator dystrybucyjny obniżają wysokie napięcie 10 kV do poziomu 380/220 V – czyli linie niskiego napięcia biegnące od podstacji do końcowego sprzętu użytkowego.Linie dystrybucyjne niskiego napięcia powinny być brane pod uwagę w fazie projektowania konfiguracji przewodów w podstacji. W fabrykach, dla warsztatów o stosunkowo dużym zapotrzebowaniu na moc, często instaluje się dedykowane podstacje warsztatowe, gdzie transformatory

James

12/09/2025

Jak harmoniczne napięcia wpływają na nagrzewanie się transformatora dystrybucyjnego H59

Wpływ harmonicznych napięć na wzrost temperatury w transformatorach dystrybucyjnych H59Transformatory dystrybucyjne H59 są jednym z najważniejszych urządzeń w systemach energetycznych, mających na celu przekształcenie wysokiego napięcia z sieci energetycznej w niskie napięcie wymagane przez końcowych użytkowników. Jednak systemy energetyczne zawierają wiele nieliniowych obciążeń i źródeł, które wprowadzają harmoniczne napięcia, które niekorzystnie wpływają na działanie transformatorów dystrybucy

Echo

12/08/2025

Głównych przyczyn awarii transformatora dystrybucyjnego H59

1. PrzeciążeniePo pierwsze, wraz z poprawą standardów życia ludzi, zużycie energii elektrycznej znacząco wzrosło. Oryginalne transformatory rozdzielcze H59 mają małą pojemność – „mały koń ciągnie ciężki wóz” – i nie są w stanie sprostać potrzebom użytkowników, co powoduje, że transformatory działają w warunkach przeciążenia. Po drugie, sezonowe wahania i ekstremalne warunki pogodowe prowadzą do szczytowego zapotrzebowania na energię, co jeszcze bardziej powoduje przeciążenie transformatorów rozd

Felix Spark

12/06/2025

Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.