Elektromos feszültség

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

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 egy másik potenciálú helyre mozdul, 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

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

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

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

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, az áramerősség pedig a térfogatáramnak. 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 teljesítménye egyenlő a nyomás és a mozgó folyadék térfogatáramának szorzatával. Hasonlóan, egy elektromos áramkörben a mozgó elektronok vagy más töltéshordozók teljesítménye 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

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

Egyenáramú hálózatok esetében

$U={\sqrt {PR}}$

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

$R={\frac {U}{I}}$

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

Váltakozóáramú hálózatok esetében

$U={\frac {P}{I\cos \phi }}$

$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

$U_{atl}=0,637\,U_{cs}={\frac {2}{\pi }}U_{cs}={\frac {\omega }{\pi }}\int _{0}^{\pi /\omega }U_{cs}\sin(\omega t-kx){\rm {d}}x\!\$

$U_{eff}=0,707\,U_{cs}={\frac {1}{\sqrt {2}}}U_{cs}=U_{cs}{\sqrt {\langle \sin ^{2}(\omega t-kx)\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 U_cs=csúcsfeszültség, U_ppk=csúcstól csúcsig (peak-to-peak)feszültség, U_atl=egy fél ciklus átlagfeszültsége, U_eff=effektív feszültség, szinuszhullámú feszültséget feltételezve $U_{cs}\sin(\omega t-kx)$, $T=2\pi /\omega$ periódussal, és a négyzetgyökjel alatti "kacsacsőr" zárójelben lévő kifejezés az egy periódusra jutó átlagidőt jelenti.

Teljes feszültség

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

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

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

• váltakozó áram (AC)
• egyenáram (DC)
• Ohm-törvény
• feszültségesés
• elektromos hálózatok és csatlakozók listája