Elektromos feszültség

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Elektromos mezőben két pont között az elektromos feszültség (villamos feszültség) megadja, hogy mennyi munkát végez a mező egységnyi töltésen, míg a töltés az egyik pontból elmozdul a másikba. Mértékegysége tehát a joule/coulomb, amit voltnak neveznek. Valamely kijelölt viszonyítási ponthoz képest mért elektromos feszültséget elektromos potenciálnak nevezik. Nagyságától függően nevezik törpefeszültségnek, kisfeszültségnek, nagyfeszültségnek vagy különlegesen nagyfeszültségnek.

Részletesebben[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha egy elektromos mező két pontja között(ami így egy áramkört alkot) eltér az elektromos potenciál, ezt nevezik elektromos potenciálkülönbségnek. Ez a különbség arányos azzal az elektrosztatikus erővel, ami elindítja az elektronok áramlását vagy egyéb töltés cserét a két pont között. Az elektromos potenciálkülönbség hatására az elektronok egy elektromos ellenálláson keresztül is mozognak. A potenciálkülönbséget szokták elektromotoros erőnek is nevezni, de ez más értelemben használatos (lásd később).

A feszültség az elektromos mező jellemzője, nem pedig az elektroné. Amikor egy elektron áthalad egy feszültség különbségen, akkor megváltozik az energiája, amit gyakran elektronvoltban mérnek. Ez a jelenség analóg a gravitációs térben egy tömeg egyik pontból egy másik (alacsonyabb) pontba való esése okozta potenciális energiaváltozással.

Ha a 'potenciálkülönbség' vagy a 'feszültség' kifejezést használjuk, akkor az egyértelműen azt jelenti, hogy van két pont, amelyek között a feszültség fennáll vagy mérhető.

Feszültség egy közös ponthoz képest[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ekkor a 'feszültség' kifejezést abban az értelemben használjuk, hogy meghatározzuk az áramkör egy adott pontjának a feszültségét. Ebben az esetben kell lennie egy vonatkoztatási pontnak, amihez képest a többi pont feszültségét mérjük, ez a pont pedig a közös pont, vagy más szavakkal a testpotenciál. Abban az esetben, ha ezt a pontot összekötik a földdel (ha ez lehetséges) akkor ez az un. földelési pont, és a földhöz képest fennálló feszültségeket mérjük.

A mérésnél - általános esetben - egy ponthoz (a referencia pont) viszonyított feszültségkülönbséget mérünk. Ez a feszültség lehet pozitív vagy negatív. Az, hogy a feszültség "nagy - high" vagy "kicsi - low" csak a feszültség mértékére vonatkozik, (az abszolút érték a referencia ponthoz képest relatív). Ezért egy nagy negatív értékre is magas feszültségként hivatkozhatunk.

Feszültség(esés) két pont között[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Használjuk a „feszültség” között vagy „feszültségesés” kifejezést abban az értelemben, hogy mekkora az a feszültség, ami egy elektromos berendezés kapcsai között mérhető (ha a berendezést egy ellenállásnak tekintjük, azaz: milyen értékű ellenállással egyenértékű az adott berendezés). Ez a feszültség függhet a berendezésen átfolyó áramtól. Ebben az esetben a „berendezésen eső feszültség” mérését az előzőek analógiájára hajthatjuk végre: megmérjük az egyik csatlakozón lévő feszültséget egy alaphoz képest, majd megmérjük a másik csatlakozón lévő feszültséget (azonos alaphoz képest), és a két mért feszültség különbsége adja a berendezésen eső feszültséget.

Fontos: ezzel a méréssel nem azt mérjük meg, hogy mekkora az adott berendezés tápfeszültsége (ami megegyezik a tápláló hálózat feszültségével), hanem azt mérjük meg, hogy ha az adott berendezést sorba kötnénk egy másik eszközzel, akkor arra a tápfeszültségnél mennyivel kisebb feszültség jutna. Ennek az értéknek például karácsonyfaizzók esetében van jelentősége: meg lehet határozni, hogy hány karácsonyfaizzót kell egymás után (sorba) kötni, hogy azokra ne jusson magasabb feszültség, mint amit azok el tudnak viselni (ami a gyakorlatban 12–15 volt körül van).

Ha egy elektromos áramkör két pontja „ideális vezetővel” van összekötve, azaz a vezetőnek nincsen ellenállása, és nem változtatja meg a mágneses teret, akkor nulla a potenciálkülönbség a két összekötött pont között. Ha két ilyen pontot összekötünk egy „valódi” vezetővel (amelyek között nincsen potenciálkülönbség), akkor a vezetőben sem fog áram folyni.

Feszültségek összeadása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A feszültség additív a következő értelemben: az A és C közötti feszültség megegyezik az A és B pontok közötti, és a B és C pontok közötti feszültségek összegével. Egy áramkörön belüli különféle feszültségek Kirchhoff-törvénye alapján határozhatók meg.

Abban az esetben, ha váltakozó áramról (AC – Alternate Current) van szó, akkor különbséget kell tenni a pillanatnyi és az átlagos feszültség között. A pillanatnyi feszültségek ugyanúgy összeadhatók, mint egyenáram (DC – Direct Current) esetében, azonban az átlagfeszültségek összeadása csak abban az esetben ad értelmes eredményt, ha a jelalakok, a frekvenciák és a fázisai azonosak.

Hidraulikus analógia[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha elképzelünk egy csővezetékből felépített hálózatot, amelyben a folyadékot a gravitáció ellenében egy pumpa mozgatja (keringeti), akkor ez az elrendezés analóg egy elektromos hálózattal. A potenciálkülönbség két pont között megfelel a két pont között mérhető folyadék nyomásnak. Ha a két pont között a nyomás nullától különböző, akkor a két pont között a folyadék áramlik, amivel munkát végez, például meghajt egy turbinát.

Ez a hidraulikus analógia segít megérteni az elektromos elvet: egy hidraulikus rendszerben a folyadék mozgása általi munkavégzés egyenlő a nyomás és a mozgó folyadék térfogatának szorzatával. Hasonlóan, egy elektromos áramkörben a mozgó elektronok vagy más töltéshordozók által végzett munka nem más, mint az 'elektromos nyomás' (a feszültség) és elektromos változás (az áram) mennyiségének a szorzata. A feszültség megfelel a munkavégző képességnek. Az elektromos áram szempontjából a hasonlóság az, hogy (feszültség vagy nyomás) változása arányos áramváltozással jár (azonos és állandó ellenállást feltételezve).

Matematikai meghatározás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A villamos potenciálkülönbség meghatározható, mint annak az energiának (munkának) a mennyisége, ami egy elektromos töltésnek egyik helyről egy másik helyre mozgatásához szükséges, vagy ami ezzel egyenértékű: az a munka, amit az adott töltés egy egyik pontból a másik pontba való mozgása során végez. A két pont (a és b pontok) közötti potenciálkülönbség az E elektromos térben:

U_a - U_b = \int _a ^b \mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}.

Hasznos képletek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egyenáramú hálózatok esetében[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

 U = \sqrt{PR}
 U = \frac{P}{I}
 R = \frac{U}{I}

ahol U=feszültség/potenciál különbség, I=aktuális áram, R=ellenállás, P=teljesítmény

Váltakozóáramú hálózatok esetében[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

 U = \frac{P}{I\cos\phi}
 U = \frac{\sqrt{PZ}}{\sqrt{\cos\phi}} \!\
 U = \frac{IR}{\cos\phi}

ahol U=feszültség, I=áram, R=ellenállás, P=valós teljesítmény, Z=impedancia, φ=az I és U közötti fázis-szög

Átszámítások váltakozó áram esetén[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

 U_{atl} = 0,637\,U_{cs} = \frac{2}{\pi} U_{cs} = \frac{\omega}{\pi}\int_0^{\pi/\omega} U_{cs} \sin(\omega t - k x) {\rm{d}}x \!\
 U_{eff} = 0,707\,U_{cs} = \frac{1}{\sqrt{2}} U_{cs} = U_{cs} \sqrt{\langle \sin^2(\omega t - k x) \rangle} \!\
 U_{cs} = 0,5\,U_{ppk} \!\
 U_{atl} = 0,319\,U_{ppk}\!\
 U_{eff} = 0,354\,U_{ppk} = \frac{1}{2 \sqrt{2}} U_{ppk}\!\
 U_{atl} = 0,900\,U_{eff} = \frac{2 \sqrt{2}}{\pi} U_{eff}\!\

ahol Ucs=csúcsfeszültség, Uppk=csúcstól csúcsig (peak-to-peak)feszültség, Uatl=egy fél ciklus átlagfeszültsége, Ueff=effektív feszültség, szinuszhullámú feszültséget feltételezve   U_{cs} \sin(\omega t - k x) ,  T = 2\pi/\omega periódussal, és a négyzetgyökjel alatti "kacsacsőr" zárójelben lévő kifejezés az egy periódusra jutó átlagidőt jelenti.

Teljes feszültség[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Soros feszültségforrások vagy feszültségesések esetében:

 U_T = U_1 + U_2 + U_3 + ... + U_n \!\

Párhuzamos feszültségforrások vagy feszültségesések esetében:

 U_T = U_1 = U_2 = U_3 = ... = U_n \!\

ahol  n \!\ az n. feszültségforrás vagy feszültségesés

Feszültségesés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ellenálláson (R ellenállás):

 U_R = IR_R  \!\

Kondenzátoron (C kapacitás):

 U_C = IX_C  \!\

Induktivitáson (L induktivitás):

 U_L = IX_L  \!\

ahol U=feszültség, I=áram, R=ellenállás, X=reaktancia.

Mérőeszközök[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Digitális multiméter, amivel feszültséget, áramot és ellenállást is lehet mérni
A Wheatstone-híd megfelelő átalakítással feszültségmérésre is alkalmas
Oszcilloszkóp (rajz)
elsősorban a feszültségjel időbeli lefutásának vizsgálatára alkalmas, a nagyságát inkább csak becsülni lehet vele

Feszültség mérésére szolgáló mérőeszköz lehet például egy voltmérő, egy „hídkapcsolás” vagy egy oszcilloszkóp. A voltmérő Ohm törvénye szerint egy fix, nagy pontosságú ellenálláson átfolyó áramot méri.

Hídkapcsolásnál egy ismert feszültségforrással ki lehet egyenlíteni az ismeretlen feszültséget tartalmazó kiegyenlítetlen forrást, ekkor a két feszültség megegyezik és a mért érték a kapcsolás szabályozóján leolvasható. A hídkapcsolás előnye, hogy kiegyenlített állapotban nem terheli a mérendő áramkört. Váltakozó áram esetén a hídkapcsolással történő mérés a feszültségek egymáshoz képesti fázishelyzetéről is ad információt.

Az oszcilloszkóp képernyőjén (általában) a függőleges kijelzés arányos a jel feszültségével. A Lissajous-görbék segítségével nagyon pontosan összehasonlíthatóak két (pontosan szinuszos lefutású) váltakozóáramú feszültség tulajdonságai.

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]