Električni napon

Napon
Međunarodni znak opasnosti od visokog napona
Uobičajeni simboli	V , ∆V , U , ∆U
SI jedinica	volt
SI dimenzija	M L2 T−3 I−1
Derivacije iz drugih kvantiteta	Napon = Energija / naelektrisanje

Elektrotehnika

Elektricitet • Magnetizam Elektroenergetika Elektrana • Električna žarulja • Električni generator • Elektroenergetski sustav • Solarna fotonaponska energija • Trofazna struja • Vjetroelektrana • Zaštita od strujnog udara Elektronika Dinamički električni otpor • Dioda • Električni signal • Elektronska cijev • Operacijsko pojačalo • Pojačalo • Pojačanje • Strujni aktivni električni izvor • Tranzistor Elektroakustika Digitalizacija • Linearna izobličenja • Mikrofon • Niskofrekventno pojačalo snage • Niskofrekventno pretpojačalo • Snimanje zvuka • Zvučnik Električne mreže i četveropoli Električne mreže • Električni filtri • Metoda superpozicije • Nortonov poučak • Théveninov poučak Radiokomunikacije Amplitudna modulacija • Antena • Efektivna izračena snaga • Fazna modulacija • Frekvencijska modulacija • Radio-valovi Telekomunikacije  •  •  • Naučnici i izumitelji Ampère • Coulomb • Faraday • Gauss • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Volta • Weber • Ørsted

Električni napon (oznaka U ili V) predstavlja razliku električnih potencijala između dve tačke, tj. ${\displaystyle U=V_{1}-V_{2}}$.^[1] Izražava se u voltima, zbog čega se naziva i voltaža.^[2] Može nastati usled naelektrisanja, električne struje u magnetnom polju, promjenljivog magnetnog polja, ili kombinacijom navedenog.^[3][4]

Napon je osobina električnog polja, ne pojedinačnih elektrona. Elektron koji se kreće duž razlike potencijala doživljava promenu energije, predstavljenu elektron-voltima, slično kao kada tijelo pada u gravitacijskom polju. Bez napona nema električne struje. Na primer, dvije točke u električnom kolu spojene idealnim provodnikom (bez otpora) imaju razliku potencijala nula, te nikakva struje neće teći.

Napon je aditivan: napon između točaka A i C je jednak zbiru napona između točaka A i B i točaka B i C. Razni naponi u električnom kolu se mogu izračunati upotrebom Kirchhoffovih zakona. Električna snaga je umnožak napona i struje koja protiče kroz kolo. Što veći napon i struja, to veća snaga.^[5]

Uobičajeni je napon baterije 1,5 V, automobilskoga akumulatora 12 V, gradske električne mreže 220 V, tramvajske mreže 600 V, a željezničke mreže 25 000 V.^[6] Napon može predstavljati ili izvor energije (elektromotorna sila) ili gubitak, utrošak i skladištenje energije (pad napona).

U poređenju sa vodom, kao što brzina potoka ovisi o razlici između početne i konačne visine, tako jačina struje ovisi o razlici potencijala, odnosno o naponu. Ako voda teče kroz cijev pokretana pumpama, tada je razlika potencijala analogna razlici u pritisku između dve tačke.

Jedinica za električni napon, električni potencijal i elektromotornu silu je volt (simbol V; po Alessandru Volti, izumitelju baterije), što je razlog da se uobičajeno koristi izraz "voltaža".

Glavni članak: Izvor napona

Izvor napona je električni uređaj sa dva priključka koji može održavati stabilnu voltažu.^[7] S gledišta potrošača, naponski izvor predstavlja utičnica u zidu, putem koje se priključujemo na električnu mrežu, električna baterija ili akumulator u nekoj od niza standardnih izvedbi, alternator u automobilu ili električni generator u vjetroelektrani.

Glavni članak: Električni potencijal

Električni potencijal je fizička veličina koja opisuje potencijalnu energiju naelektrisane čestice u statičkom električnom polju.^[8] Električni se potencijal ne može neposredno mjeriti, već se mjeri razlika potencijala između dviju točaka nekog sustava, koja je u statičkom slučaju jednaka električnom naponu.

Svako pozitivno električno tijelo istiskivat će iz svojeg električnog polja drugo pozitivno naelektrisano tijelo. Pri tom će elektrostatička sila vršiti mehanički rad. Isto tako, želimo li pozitivno naelektrisano tijelo dovesti u električno polje drugog pozitivno naelektrisanog tijela, treba neka vanjska sila da vrši rad na svladavanju odbojne sile. Izvršeni rad prestavlja ustvari potencijalnu energiju toga tijela. Čim vanjska sila prestane djelovati, tijelo se počinje gibati i izlazi iz električnog polja, pa se njegova potencijalna energija pretvara u kinetičku energiju.

Ako se iz nekog razloga elektroni nagomilaju na nekom predmetu, kažemo da je negativno naelektrisan, tj. da ima negativni potencijal. S druge strane, atom kome je pobjegao neki elektron nije više uravnotežen, zbog čega u rezultatu ima pozitivan naboj. Predmet s mnoštvom takvih atoma kojima nedostaju slabo vezani elektroni imat će pozitivan potencijal.

Naša planeta je u cjelini električki neutralna, to jest Zemlja ima nulti potencijal. Budući da se istoimene čestice međusobno odbijaju, u vodljivom materijalu elektroni će iz područja s velikom gustoćom slobodnih elektrona (to jest s velikim negativnim potencijalom) nagrnuti prema područjima gdje ih je manje, to jest prema mjestima pozitivnijeg potencijala. U povoljnim okolnostima, iz oblaka s viškom elektrona prasnut će golema iskra, odnosno munja, kroz koju se golemi negativni potencijal oblaka prazni u električki neutralnu Zemlju.

Razlika električnog potencijala se definira kao količina rada po naboju potrebnog da se naboju premjesti iz druge točke u prvu, ili potpuno ekvivalentno, količina rada koji naboj uradi tokom kretanja od prve do druge točke. Razlika potencijala između dve točke a i b je linijski integral električnog polja E:

${\displaystyle V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} }$

${\displaystyle U={\sqrt {PR}}}$

${\displaystyle U={\frac {P}{I}}}$

${\displaystyle U=IR\!\ }$

Gdje je U=napon, I=struja, R=otpor, P=snaga

${\displaystyle U={\frac {P}{I\cos \theta }}}$

${\displaystyle U={\frac {\sqrt {PZ}}{\sqrt {\cos \theta }}}\!\ }$

${\displaystyle U={\frac {IR}{\cos \theta }}}$

Gdje je U=napon, I=struja, R=otpor, P=snaga, Z=impendansa, θ=fazna razlika između napona i struje

Glavni članci: Voltmetar i Multimer

Instrumenti kojima se mjeri razlika potencijala mogu biti voltmetar, potenciometar i osciloskop. Voltmetar radi mjereći struju (u skladu sa Omovim zakonom) kroz otpornik. Potenciometar radi tako što poredi nepoznat napon sa poznatim naponom u mjernom mostu. Osciloskop (uglavnom sa katodnom cijevi) radi tako što se pojačava potencijalna razlika koja potom skreće elektronski mlaz sa pravog puta (proporcionalno naponu) što se potom vidi prema tragu koji mlaz ostavlja na zaslonu cijevi.

Široko rasprostranjeni voltmetri današnjice se zovu digitalni voltmetri jer se rezultat prikazuje na cifarskom displeju. Ranije su bili popularni tzv. analogni voltmetri koji su imali kretni kalem i kazaljku, a očitavanje mjerene vrijednosti se vršilo na osnovu otklona kazaljke na izbaždarenoj skali.

Glavni članak: Izvor napona

Čovjek je smislio razne vrste izvora struje koji su u stanju na jednom priključku stvarati negativni, a na drugom pozitivni potencijal. Visina napona među priključcima različita je kod raznih izvora. Napon baterijskog članka na bazi cinka i ugljena iznosi 1,5 V. Takođe se izrađuju baterije sa nekoliko serijski spojenih članaka, čime se dobivaju naponi od 3 ili 4,5 ili 9 V. Europske gradske električne mreže imaju napon od 230 V. Daleko su veći naponi u vodovima dalekovoda, visokonaponskih transformatora ili visokonaponskih kabela, gdje dosižu desetke pa i stotine tisuća volti. Takvi naponi mogu stvoriti i električni luk, kojim se strujni udar može prenijeti i kroz zrak, ako se tijelo u kontaktu sa zemljom previše približi vodu pod visokim naponom.

Tipične visine napona su:

• Veoma niski napon: do 50 V, u baterijama za široku upotrebu (od 1,5 V do 9 V), adapterima (najčešće od 1,5 V do 24 V), akumulatorima (tipične vrijednosti: 6, 9, 12, 24 i 48 V).
• Niski napon: 50-1000 V; domaćinstva (230 V - monofazni sistem, 400 V - trofazni sistem), manji industrijski potrošači.
• Srednji napon: 1-35 KV; industrijski potrošači, elektrodistributivne mreže.
• Visoki napon: 35-150 KV.
• Vrlo visoki napon: preko 150 KV.

Glavni članak: Transformator

Različiti delovi elektronskih uređaja koriste različite napone. Međutim, u domaćinstvima je na raspolaganju samo jedna vrednost napona (220 V u bivšoj Jugoslaviji, 230 V u zemljama Evropske unije, 110 V u SAD) i često je potrebno taj napon povećati (npr. za rad katodne cevi televizora) ili smanjiti (za različite uređaje).^[9] Takođe, u elektrodistributivnim sistemima se prenos električne energije obavlja vodovima na kojima je velika vrednost napona i mala vrednost intenziteta struje, da bi se smanjili gubici. Efikasno pretvaranje jedne vrednosti napona u drugu vrši se uređajem koji se naziva električni transformator. Pošto transformator radi na principu elektromagnetne indukcije, on ne može se koristiti za transformisanje vremenski konstantnih napona, već samo za naizmenične, tj. promenljive.^[9]

Glavni članak: Udar struje

Visok napon opasan je za ljude i životinje, jer može kroz organizam protjerati po život opasnu struju. Zbog toga, ne dira se u električnu instalaciju gradske mreže prije isključenja osigurača koji prekidaju dovođenje napona. Ako struja prolazi kroz ljudski organizam može uzrokovati opekotine, uticati na hemijski sastav krvi i nervni sistem i poremetiti rad srca i respiratornih organa. Prema postojećim propisima dodirni napon ne smije prijeći vrijednost od 65 V.^[10]

Međutim, nije opasan napon sam po sebi već struja koja prođe kroz tijelo:^[11][12]

• Struja jačine do 1 mA ne osjeća se
• Struja jačine od 1 do 8 mA osjeća se udar, ali ne boli
• Struja jačine oko 20 mA može izazvati grčenje mišića.
• Struja jačine 30 mA ne može se izdržati više od nekoliko sekundi, izaziva snažno grčenje mišića i gubitak kontrole praćeno otežanim disanjem .
• Struja jačine 50 mA može dovesti do gubitka svijesti.
• Struja jačine preko 100 mA može izazvati smrt.
• Preko 200 mA opasne opekotine i grčevi mišića koji mogu žrtvu odbaciti od vodiča.

Za više napone struja se povećava, pa je i opasnost veća.^[10][13]

Pri elektrostatičkom pražnjenju javljaju se vrlo visoki naponi, uz ekstremno slabe struje. Češljajući kosu po veoma suvom vremenu, stvaramo nekoliko desetina hiljada volti statičkog elektriciteta, ali je jačina struje praktično zanemarljiva. Slaba struja sprečava da nas statičko pražnjenje povredi, pa osećamo samo neprijatno peckanje.^[14]

Glavni članci: Hidraulička analogija i Pritisak

Radi boljeg razumevanja električnog kola često se koristi hidraulička analogija. Električno kolo možemo zamisliti kao kosinu preko koje teče potok. Kao što brzina kojom teče potok ovisi o razlici između početne i konačne visine, tako i jačina struje koja teče provodnikom ovisi o razlici potencijala na njegovim krajevima, odnosno o naponu. Druga analogija može biti mreža cijevi kroz koje protječe voda pokretana pumpama. Tada je razlika potencijala analogna razlici pritisaka između dve tačke. Ako postoji razlika pritisaka, tada voda može teći od prve do druge točke i vršiti nekakav rad, recimo pokretati turbinu.

U hidrauličnom sistemu je rad uložen za pokretanje vode jednak proizvodu pritiska i količine pokrenute vode. Slično, u električnom kolu je rad uložen u pokretanje elektrona jednak proizvodu napona i količini elektrona. Napon ovdje na prikladan način služi da se kvantificira sposobnost za vršenje rada.

• Električna struja
• Električna snaga
• Električni potencijal