x
Učitavanje

2.2 Električni napon

Europska unija, Zajedno do fondova EU
Sadržaj jedinice
Povećanje slova
Smanjenje slova
Početna veličina slova Početna veličina slova
Visoki kontrast
a Promjena slova
  • Verdana
  • Georgia
  • Dyslexic
  • Početni
Upute za korištenje

Na početku...

Na kraju osmog razreda svi učenici postavljaju sebi ključno pitanje: Čime se želim baviti u životu?

Svako će odabirom srednje škole postaviti temelje svoje buduće karijere. Jeste li već razgovarali s nekim o tome? Imate li već neku ideju, neku viziju sebe u budućnosti? Sva zanimanja koja uključuju mjerenje i istraživanje električne struje u različitim okolnostima, uključuju mjerenje napona. Ako se želite baviti popravcima pametnih telefona i sličnih uređaja, to će uključivati precizno mjerenje električnog napona. Ako se želite baviti elektrotehnikom, mjerenje električnog napona u različitim elektroničkim elementima bit će vaša svakodnevica. Ako ste odlučili baviti se bioinženjeringom, mjerenje električnog napona koji generiraju živčane stanice tijela bit će dio vašeg svakodnevnog posla. Ako budete radili na istraživanju svemira, ponovno će se pojaviti električni napon, a senzori kojima su opremljeni umjetni sateliti ili pak autonomna robotska vozila kojima istražujemo svemir mjerit će električne napone u različitim situacijama. ​

Znak za opasnost od viskog napona

Drugi razlog za više znanja o električnom naponu ilustrira slika koju vidite ovdje. Visoki napon dalekovoda, ili pak trafostanica može biti životno opasan!

Izvor električne struje

Voda u dva spremnika na različitim visinama.

Ako vodenom pumpom podignemo određenu količinu vode na neku visinu, podignuta voda imat će gravitacijsku potencijalnu energiju. ​

Ako spremnike spojimo cijevima, kao na slici iznad, voda će poteći iz spremnika A u spremnik B. Ako želimo imati stalan tok vode, potrebno je crpkom obavljati rad i podizati vodu s mjesta manje gravitacijske potencijalne energije (spremnik A) na mjesto veće gravitacijske potencijalne energije (spremnik B).

U električnom strujnom krugu slobodni elektroni gibaju se s mjesta veće električne potencijalne energije (minus pol) prema mjestu manje električne potencijalne energije (plus pol). Gibaju se s mjesta većeg na mjesto manjeg električnog potencijala.

Električni potencijal pokazuje kolika je električna potencijalna energija jediničnog naboja u nekoj točki električnog polja, a jednak je omjeru električne potencijalne energije i jediničnog naboja.

Ako dva tijela imaju različite električne potencijale, među njima postoji razlika potencijala, odnosno električni napon.

Razliku električnih potencijala između dvaju tijela ili dviju točaka u strujnom krugu nazivamo električni napon.

Bez izvora električne struje nema ni strujnog kruga. Izvor električne struje kojim se uobičajeno koristimo u našim pokusima je obična baterija.

Kao što je opisano u primjeru iznad, crpka svojim radom podiže vodu u viši spremnik te joj na taj način povećava gravitacijsku potencijalnu energiju. Baterija se ponaša kao svojevrsna crpka za elektrone. Obavljajući rad, ona elektronima povećava električnu potencijalnu energiju, prebacuje elektrone s mjesta manjeg na mjesto većeg električnog potencijala. Ona svoju kemijsku energiju pretvara u električnu energiju.

Omjer ukupne potencijalne energije koju izvor daje nosiocu električne struje i njegova električnog naboja je električni napon.

Naboji prenose električnu energiju strujnim krugom, koju u različitim trošilima pretvaraju u svjetlosnu energiju, toplinu ili u neki drugi oblik energije.

Električni napon = Promjena energije Naboj

Oznaka za električni napon je veliko tiskano slovo U , za naboj Q , a za energiju E .

Delta ( ) je oznaka kojom se u fizici označava promjena.

U = Δ E Q   ​

Električni napon mjerimo u voltima V .

Jedan volt jednak je količniku jedinice za energiju (džul, J ) i jedinice za naboj (kulon, C )

V = J C

Zanimljivost

Luigi Galvani rođen je 9. rujna 1737. u Italiji.

Nakon što je 1762. godine na Sveučilištu u Bolonji doktorirao medicinu, na tom je sveučilištu radio kao predavač, podučavajući studente. Jednom prilikom je, disecirajući sa svojim studentima odrezane žablje krake, primijetio da se odrezani žablji krak trzne kad ga dotaknu dva različita metala. Njegov zaključak bio je da postoji nekakav tajanstveni „životinjski“ elektricitet, tajanstvena životna sila koja je preostala u žabljim kracima. Kraci su bili obješeni na bakrenu kuku, a skalpel kojim su studenti dodirivali krake bio je izrađen od čelika.

Kako bi danas objasnio tu pojavu? Što se stvorilo na mjestima dodira?

Električni izvor napona od jednog volta obavi pretvorbu energije (rad) od jednog džula prenoseći naboj od jednog kulona od jednog pola izvora do drugog.

Mjerenje električnog napona

Uređaj kojim mjerimo električni napon naziva se voltmetar. Njime mjerimo razliku električnih potencijala u dvjema različitim točkama strujnog kruga. Voltmetar se u električni strujni krug uključuje paralelno.

Oznaka za voltmetar u strujnome krugu

Oznaka za voltmetar u električnome strujnom krugu je:

Voltmetrom mjerimo razliku električnih potencijala u dvjema različitim točkama strujnog kruga jer je jasno da nema razlike potencijala u jednoj točki, ali isto tako nema ni razlike potencijala između bilo kojih dviju točaka koje su direktno povezane vodičem. Električni napon zato uvijek mjerimo tako da voltmetar uključujemo paralelno s trošilima ili izvorom napona u strujnom krugu.

Zanimljivost

Alesssandro Volta i Napoleon

Jedinica za napon nazvana je po talijanskom fizičaru Alessandru Volti.

Za Alessandra Voltu (rođen 18. veljače 1745.), koji je živio u isto doba kad i Luigi Galvani, ideja o „životinjskom elektricitetu“ činila se poput magije, a Volta je bio racionalist, htio je potpuno znanstveno objašnjenje. Sustavno je istraživao opisanu pojavu sa žabljim kracima te je na kraju došao do znanstvenog objašnjenja. Njegov zaključak je bio: električnu energiju generiraju dva različita metala odvojena otopinom poput slane vode. Eksperimentirajući je došao do zaključka da su metali koji su imali najbolji učinak bili cink i srebro. Također je stavio niz ćelija zajedno u seriju kako bi proizveo jači efekt, tj. veći napon.

Tako smo dobili prvu bateriju.

Voltin rad bio je zanimljiv i njegovim suvremenicima. Slika prikazuje Voltu kako svoj rad demonstrira Napoleonu.

Kako se naziva razdoblje u povijesti u kojemu je Volta djelovao? Zašto se tako naziva?

Praktična vježba

Pribor: baterija, voltmetar. Izmjerite napon izvora.

Mjerenje električnog napona izvora električne energije

Napon izvora jednostavno je izmjeriti. Jednu priključnicu voltmetra spojite s pozitivnim polom električnog izvora, a drugu s negativnim.

Pokušajte obje priključnice voltmetra spojiti najprije na pozitivni, a potom na negativni pol izvora. Prije nego što ih spojite, zapišite na papir što očekujete izmjeriti.

Zadatak 1.

Pribor: dvije jednake baterije od 4,5 V , vodiči, voltmetar.

Izmjerite električni napon na polovima prve baterije. Zapišite na papir podatak.

Izmjerite električni napon na polovima druge baterije. Zapišite na papir podatak.

Sada serijski spojite baterije (pazite i spojite + pol jedne baterije s -polom druge baterije) pa ponovo izmjerite električni napon na serijski spojenim baterijama. Što primjećujete?

Električni napon serijski spojenih baterija

Slična situacija dogodila bi se da imate tri jednake crpke, a trebate podići vodu na visinu od 60 metara. Svaka crpka u stanju je podići vodu za 20 metara uvis. Što učiniti?

Naravno, povezati ih u seriju; prva diže vodu za 20 m , sljedeća za idućih 20 m i tako dalje. Na kraju smo podigli vodu za zadanih 60 m .

Tako bi bilo i da imate kompoziciju od 60  vagona, a jedna željeznička lokomotiva može povući samo 30  vagona. Što učiniti? Ponovo spojiti dvije lokomotive u seriju.

Napon serijski spojenih izvora električne struje povećava se i jednak je zbroju napona pojedinačnih izvora električne struje.

U = U 1 + U 2 + U 3 + . . .

Ako jednake izvore električne struje spojimo paralelno, ne dobivamo izvor većeg napona, dobivamo samo dugotrajniji izvor.

Poslužimo se ponovo analogijom s pumpama.

Što se događa ako dvije pumpe zajedno pumpaju vodu na istu visinu? Imamo više vode na istoj visini, veći je kapacitet, ali budući da je visina ista, i napon ostaje isti.

Ako pumpe podižu vodu u dva cijevima povezana spremnika, koji su na različitim visinama, voda će teći iz spremnika na višoj razini u spremnik na nižoj razini (punit će ga).

Kad bismo spojili paralelno dvije baterije različitih napona, došlo bi do slične situacije, pod uvjetom da imamo baterije koje se mogu višekratno puniti. U suprotnom, ili ako bi razlika u električnim naponima bila velika, mogu nastati problemi i doći do oštećenja baterija, čak i zapaljenja i eksplozije.

Zbog toga se i ne preporučuje kombiniranje novih i starih baterija koje imaju manji napon.

Kutak za znatiželjne

U kojim bi situacijama izvore trebalo spajati serijski, a u kojima bi bilo korisno imati paralelni spoj izvora?

Pribor: izvor električne struje (baterija), dvije žaruljice, vodiči, sklopka i voltmetar.

Spoji električni strujni krug sa serijski spojenim žaruljicama. Uključi sklopku te voltmetrom izmjeri električni napon na polovima izvora, kao i na priključnicama svake žaruljice. Izmjerene podatke zabilježi na papir.

Postoji li pravilnost, veza među dobivenim podacima?


U električnom strujnom krugu sa serijski spojenim trošilima, zbroj napona na trošilima jednak je naponu izvora.

U = U 1 + U 2

Zadatak 2.

Pribor: izvor električne struje (baterija), dvije žaruljice, vodiči, sklopka i voltmetar.

Spoji električni strujni krug s paralelno spojenim žaruljicama. Uključi sklopku te voltmetrom izmjeri električni napon na polovima izvora, kao i na priključnicama svake žaruljice. Izmjerene podatke zabilježi na papir.

Postoji li pravilnost, veza među dobivenim podacima?

 

U električnom strujnom krugu s paralelno spojenim trošilima, napon na svakom trošilu jednak je naponu izvora.

U = U 1 = U 2

Kutak za znatiželjne

Sigurno ste primijetili malu razliku u podacima mjerenja električnog napona za električni strujni krug u kojemu su žarulje spojene paralelno. Naime, napon na polovima izvora pokazivao je neznatnu razliku u odnosu na napon izmjeren na priključnicama žarulja. Razlog je sljedeći:

strujni krug možemo podijeliti na dva dijela, unutarnji i vanjski. Sam izvor napona dio je strujnog kruga - unutarnji dio. To znači: kad kroz žarulje teče električna struja, teče i kroz izvor, odnosno jedan se dio energije unutar samog izvora transformira. Jeste li primijetili kako se nakon dulje uporabe baterija npr. pametnog telefona zagrije? To je zato što se dio energije transformirao u toplinu.

Vanjski dio strujnog kruga čine ostali elementi: vodiči, trošila... Napon u vanjskom dijelu električnog strujnog kruga (tj. energija koju nose naboji) umanjen je za iznos te transformirane energije unutar samoga izvora.

...i na kraju

Ponovimo najvažnije.

Među tijelima različitog električnog potencijala postoji električni napon. Električni napon zapravo je energija po jedinici naboja. Oznaka za napon je veliko tiskano slovo U , a mjerimo ga u voltima V .

E l e k t r i č n i n a p o n = P r o m j e n a e n e r g i j e N a b o j

U = Δ E Q

Električni izvor napona od jednog volta obavi pretvorbu energije (rad) od jednog džula prenoseći naboj od jednog kulona od jednog pola izvora do drugog.

Električni napon mjerimo uređajem koji se naziva voltmetar.

Serijskim spajanjem izvora električne struje, ukupni napon se povećava, a jednak je zbroju napona pojedinačnih izvora električne struje.

U = U 1 + U 2 + U 3 + . . .

Ako spojimo jednake izvore paralelno, ukupni napon se ne mijenja, ali se dobiva trajniji izvor.

U električnom strujnom krugu sa serijski spojenim trošilima, zbroj napona na trošilima jednak je naponu izvora.

U = U 1 + U 2

U električnom strujnom krugu s paralelno spojenim trošilma, napon na svakom trošilu jednak je naponu izvora.

U = U 1 = U 2

PROCIJENITE SVOJE ZNANJE

1

Tri baterije, svaka napona 4,5 V , spojene su u seriju. Za mjerenje napona tako spojenih baterija upotrijebit ćemo voltmetar, čije je mjerno područje:

null
null
2

Poveži parove.

oznaka za voltmetar
oznaka za ampermetar
jedinica električnog napona
jedinica električne struje
U
I  
null
null
3

Poveži parove.

0,02 kV
3 000 V
450 mV
5 MV
2 300 V
2,3 kV
3 kV
0,45 V
5 000 000 V
20 V
null
null
4

Instrument kojim mjerimo električni napon naziva se ampermetar.

null
null
5
serijski spoj
Koliki električni napon pokazuje voltmetar sa slike? V .
null
null
6

Koliki električni napon pokazuje voltmetar sa slike?

paralelni spoj

null
null
7
Voltmetar se u strujni krug uključuje  .
null
null
8
Promotrite strujni krug sa slike. Koliki napon pokazuje voltmetar priključen na žarulju označenu slovom b ?

Serijeski spoj
V .
null
null
9
Izrazi u osnovnoj jedinici za napon:
5 MV = V .
null
null
10

Na slici je otvoreni električni strujni krug. Nakon što uključimo sklopku, žarulje će zasvijetliti. Poredajte žarulje prema sjaju.

Shematski prikaz, kombinirani spoj 4 žaruljice

null
null
11

Na slici je otvoreni strujni krug.

otvoreni strujni krug, shematski prikaz

Električni napon između točaka A i B je 4,5 V .

null
null
12

Na slici je otvoreni strujni krug.

otvoreni strujni krug

Koliki je električni napon između točaka B i C ?

null
null
ZAVRŠITE PROCJENU

Idemo na sljedeću jedinicu

2.3 Elektromagnetska indukcija