Co to jest napięcie elektryczne? Czym jest „różnica potencjałów”?
Czym jest sam „potencjał elektryczny”? Co oznaczają skróty AC i DC?
Wreszcie, na czym polega różnica pomiędzy napięciem stałym,
zmiennym i przemiennym? Na te pytania postaram się odpowiedzieć
w dzisiejszym artykule. Jeśli jeszcze nie czytałeś, to zajrzyj do poprzedniego artykułu: „Panta rhei, czyli rzecz o prądzie elektrycznym”. Tyle słowem wstępu. Zapraszam do lektury 🙂
Czym jest napięcie elektryczne?
Podobnie, jak poprzednio, spróbujemy zdemaskować definicję, tym razem pojęcia „napięcie elektryczne”. Niejednokrotnie trudną i niezrozumiałą
dla początkującego elektronika. Jaka jest jej treść? Zazwyczaj mówi się,
że napięcie elektryczne to różnica potencjałów elektrycznych pomiędzy
dwoma punktami obwodu elektrycznego (czasem mówi się też o tej samej różnicy, ale w polu elektrycznym). Można również usłyszeć nieco inne tłumaczenie, mianowicie mówi się, iż napięcie elektryczne jest rozumiane
jako pewna „praca”, a właściwie: „stosunek pracy wykonanej podczas przeniesienia ładunku elektrycznego pomiędzy punktami,
dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku”.
Zajmę się dzisiaj tą pierwszą definicją, czyli napięciem elektrycznym
w rozumieniu „różnicy potencjałów”. Postaram Ci się ją jak najlepiej wytłumaczyć. Nie przejmuj się jeśli ta druga definicja, związana z „pracą”,
nic Ci nie mówi. Wspomniałem o niej, bo może zdarzyło Ci się (lub zdarzy się
w przyszłości) z nią spotkać – będziesz przynajmniej kojarzyć „o co chodzi”. Wystarczy jednak jeśli zrozumiesz tą pierwszą (mówiącą o „różnicy potencjałów”), przyda Ci się bardziej.
Potencjał elektryczny…
Napisałem, że „napięcie elektryczne to różnica potencjałów elektrycznych…”,
w tym miejscu się zatrzymamy. Najpierw postaram się rozjaśnić Ci, czym jest
w ogóle „potencjał elektryczny”. Jeśli chcesz „książkową” definicję,
to znajdziesz ją bez problemu w Internecie, tylko, że… Pewnie nie do końca ją zrozumiesz. Dla mnie też nie jest ona do końca jasna 🙂 Ja postaram się wytłumaczyć to trochę na „chłopski rozum”. Tak, żebyś po prostu „czuł” o co chodzi.
Pamiętasz, w którą stronę płynie prąd? Jeśli nie, to przypomnę pokrótce (pisałem o tym również ostatnio).
- umowny kierunek prądu elektrycznego to ten od bieguna dodatniego
do bieguna ujemnego, od „plusa” do „minusa” - rzeczywisty kierunek ruchu elektronów jest przeciwny – od „minusa”
do „plusa” (ma to związek z ujemnym ładunkiem elektrycznym samego elektronu – wiesz, tam gdzie „więcej minusów, tam jest… minus”)
Ciebie będzie w tej chwili interesować ten drugi punkt, mówiący o kierunku poruszania się elektronu w obwodzie elektrycznym.
Czym jest zatem potencjał elektryczny? Czy możemy zmierzyć go jakimś „miernikiem potencjału”? Niestety nie da się zmierzyć potencjału elektrycznego, możemy mierzyć jedynie „różnicę potencjałów”, czyli „napięcie elektryczne”. Sam potencjał można porównać do ilości, nagromadzenia elektronów
w danym punkcie obwodu. Właśnie stąd się bierze biegun dodatni i ujemny
w baterii. Tam, gdzie elektronów jest więcej, mamy ujemny biegun,
niższy potencjał (pamiętaj, że elektron ma ujemny ładunek elektryczny).
Jak się pewnie domyślasz, biegun dodatni, to mniej elektronów.
Nie jest to jakaś ścisła definicja, chodziło mi o to, żebyś czuł „o co chodzi”. Bardziej, niż sam potencjał, będzie nas jednak interesować różnica potencjałów
pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego.
Napięcie elektryczne, czyli różnica potencjałów
Z taką definicją spotkasz się najczęściej. Co jeszcze warto wiedzieć?
Ano w czym wyrażamy napięcie elektryczne, co jest jego jednostką.
Otóż jednostką jest wolt – duże „fał” – „V”. Skąd się wzięła ta nazwa?
Od nazwiska Alessandro Volta – włoskiego fizyka, badacza zjawisk elektrycznych. Polecam Ci zajrzeć do jego biografii.
Pomiar napięcia elektrycznego możesz wykonać woltomierzem,
obecnie taką opcję spotkasz nawet w najprostszym multimetrze.
O podstawowych pomiarach, m.in. napięcia elektrycznego,
opowiem w innym artykule.
Rozumiesz już mniej więcej czym jest napięcie elektryczne?
Zapamiętaj przede wszystkim, że jest to „różnica potencjałów elektrycznych
pomiędzy dwoma punktami w obwodzie elektrycznym”, jednostką samego napięcia jest wolt, a jego pomiaru możesz dokonać za pomocą woltomierza. Przejdźmy dalej…
Co oznaczają skróty AC i DC?
Zespół hardrockowy? Rzeczywiście AC/DC może kojarzyć Ci się z tym zespołem – od tych skrótów wzięła się jego nazwa.
Tak naprawdę AC i DC to skróty oznaczające:
No tak, ale przecież artykuł miał być o napięciu… I jest 🙂 Spotkasz się, albo już się spotkałeś, z takimi pojęciami jak:
- napięcie stałe
- napięcie zmienne
- napięcie przemienne
Postaram się przybliżyć Ci o co chodzi w poszczególnych typach napięć,
na razie bez wchodzenia w szczegóły. Zacznę od napięcia stałego, bo to chyba najprostszy przypadek.
Co to jest „napięcie stałe”?
Jest to napięcie – jak sama nazwa wskazuje – stałe 🙂 Po prostu. Nie zmienia się, jego wartość jest stała. Z tego typu napięciem spotkasz się na początku swojej przygody z elektroniką w obwodach prądu stałego. Źródłem napięcia stałego
są m.in. baterie i akumulatory. Rzecz jasna, jeśli do zasilania swojego układu użyjesz baterii, to jej napięcie będzie spadać, wraz z upływem czasu
i „wyczerpywaniem się baterii”. W końcu to nie „perpetuum mobile”.
Mimo to mówimy, że bateria jest źródłem napięcia stałego. Jeśli spotkasz się gdzieś ze skrótem „VDC”, to będzie on oznaczać właśnie napięcie stałe.
Sam skrót „DC” również możesz kojarzyć z napięciem stałym.
Prąd w takim przypadku będzie płynął (zgodnie z „umową”) od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego – od plusa do minusa. Nie będzie zmieniał swojego kierunku, ani wartości „co chwilę”, cyklicznie. Wartość napięcia
będzie stała – jeśli weźmiesz zasilacz laboratoryjny i ustawisz na nim 5V,
to między „+” i „-” będzie właśnie tyle. Podsumowując:
- napięcie stałe to takie, którego wartość jest stała
- napięcie stałe to takie, którego wartość nie zmienia się z upływem czasu
Napięcie zmienne czy przemienne?
Napisałem, że napięcie stałe to takie, które ma stałą wartość,
która nie zmienia się w czasie, kierunek prądu również pozostaje niezmienny. Czym jest w takim razie napięcie zmienne i przemienne? Czym różnią się
te napięcia? A może to jedno i to samo? Już wyjaśniam.
Często, w potocznym języku, zamiennie używa się pojęć „napięcie zmienne”
i „napięcie przemienne” (podobnie jak „prąd zmienny” i „prąd przemienny”).
Jest to błąd, jak się sam zaraz przekonasz. Na czym polega różnica?
Otóż napięcie zmienne to takie, które zmienia się w czasie. Raz może rosnąć,
raz spadać, itd. Zmiany te nie są regularne. Żebyś lepiej to zrozumiał,
spójrz na poniższy wykres. Jest to przykład napięcia zmiennego.
Jak sam widzisz napięcie raz ma wartość 5V, raz 8V, a innym razem 3V.
Można powiedzieć, że napięcie zmienne to takie, które zmienia się w czasie,
ale nieokresowo, tzn. te zmiany nie są jakieś powtarzalne. Owa „powtarzalność” będzie mieć miejsce w przypadku „napięcia przemiennego”. Zanim jednak przejdę do jego omówienia zadam Ci jedno proste pytanie. Jak myślisz,
gdzie występuje taki rodzaj napięcia? Podpowiem, że masz z nim do czynienia praktycznie każdego dnia. Wiesz już o co chodzi? Mowa o „napięciu sieciowym”. Takim, jakie występuje w instalacji elektrycznej w Twoim domu czy mieszkaniu. W Polsce jego wartość to 230V. Wspomniane 230V to tzw. „wartość skuteczna”. O parametrach związanych z napięciem przemiennym opowiem bardziej szczegółowo innym razem.
Czym jest zatem napięcie przemienne? Jak zmienia się jego wartość?
Czym różni się od napięcia zmiennego? No właśnie. Wspominałem o owej „powtarzalności”, która nie występuje w przypadku napięcia zmiennego.
Ta właśnie cecha odróżnia napięcie zmienne od przemiennego.
Napięcie przemienne zmienia się cyklicznie, okresowo. Ważnym parametrem,
o którym warto tutaj wspomnieć, jest „częstotliwość”. Z częstotliwością związane jest również pojęcie „okresu”. Już wyjaśniam, w czym rzecz.
Pewnie „intuicyjnie” wiesz czym jest częstotliwość. Określa ona jak często dane zjawisko się powtarza. Wyobraź sobie ulicę, po której gnają samochody.
W pewnym jej miejscu ustawiono licznik – zlicza on ilość przejeżdżających aut. Jeśli w ciągu sekundy zlicza on średnio trzy auta, to mówimy tu o częstotliwości równej 3 Hz, czyli „trzem hercom”. Herc jest jednostką częstotliwości (tak,
jak wolt jest jednostką napięcia, metr jednostką długości, itd.). Zazwyczaj częstotliwość oznacza się literą „f” – od angielskiego „frequency”.
Odwrotnością częstotliwości jest okres. Mówi on, co jaki czas powtarza się
dane zjawisko. W naszym przykładzie – „co ile przejedzie pojedynczy samochód”. Jeśli częstotliwość wynosi 3 Hz, to okres, odwrotność częstotliwości, jest równy jedną trzecią sekundy, czyli 1/3 s. Zwykle okres oznacza się literą „T”.
Częstotliwość jest nierozłącznie związana z okresem, o czym mówi prosty wzór:
$f=\frac{1}{T}$ – częstotliwość (w hercach)
$T=\frac{1}{f}$ – okres (w sekundach)
Częstotliwość to ważny parametr, o którym należy wspomnieć, przy dyskusji
na temat napięcia przemiennego. Pewnie obiło Ci się o uszy, że częstotliwość napięcia sieciowego (w Polsce) wynosi pięćdziesiąt herc, czyli 50 Hz?
Jak to rozumieć? Powróćmy jeszcze do samej wartości skutecznej napięcia sieciowego – w naszym kraju wynosi ona 230V. Jest to jednak wartość skuteczna. Czym innym jest wartość szczytowa, zwana też wartością maksymalną.
Wartość szczytowa wynosi 325V (!). Tak naprawdę napięcie w gniazdku
zmienia się w zakresie od -325V do +325V z częstotliwością 50 Hz. Oznacza to,
że jeden cykl zmian (od 0V do +325V, następnie od 0V do -325V i znowu do 0V) trwa pięćdziesiątą część sekundy, czyli 0.02 s. Druga wniosek jest taki,
że przy częstotliwości 50 Hz – prąd zmienia kierunek 100 razy na sekundę.
Najważniejsze jest, żebyś zrozumiał czym jest częstotliwość i okres. Tematom, takim jak „wartość skuteczna” czy „wartość szczytowa”, poświęcony będzie osobny artykuł. Warto jednak jeszcze przez chwilę pochylić się
nad zagadnieniem napięcia przemiennego. Najprostszym przykładem będzie chyba poczciwy „sinus” – taki „kształt” ma również napięcie sieciowe. Chodzi tu
o kształt przebiegu czasowego takiego napięcia. Żebyś lepiej zrozumiał w czym rzecz, spójrz na poniższą ilustrację.
Może nie jest to idealna sinusoida, ale pokazuje to, co najważniejsze. Widać tu powtarzalność, regularność. Co ok. 3 sekundy sytuacja się powtarza, to jest właśnie pojedynczy okres. W takim razie częstotliwość wynosi ok. 1/3 Hz
(czyli mało, porównując np. do częstotliwości napięcia sieciowego.). Co jeszcze można zauważyć? Ano, że prąd zmienia kierunek… Pewnie zastanawia Cię, dlaczego występują tu ujemne napięcia. W ogóle, co to jest to „ujemne napięcie”? Intuicyjnie – chodzi o właśnie o kierunek prądu. Ściślej, o regularne zmiany kierunku prądu.
Wyobraź sobie, że trzymasz w ręku baterię, ale nie taką „normalną”. Bateria ma małe pokrętło i pozwala na regulację wartości napięcia od 0V do 10V.
Rzecz jasna ma dwa bieguny – plus i minus. Bateria ta jest podłączona
do jakiegoś układu elektronicznego. Nieistotne jakiego. Ważne, że układ ten
ma oznaczone miejsce podłączenia baterii i sposób tego podłączenia,
czyli symbole + oraz -. Na początku ustawione jest 0V, a podłączenie
zgodne z oznaczeniami – plus do plusa, minus do minusa. Teraz zaczynasz
powoli kręcić pokrętłem. Napięcie powoli się zwiększa (podobnie, jak na wykresie). Osiągasz maksymalną wartość, czyli 10V i zaczynasz kręcić w drugą stronę, zmniejszając napięcie. Wracasz do punktu wyjścia, czyli napięcia
wynoszącego 0V. W tej chwili robisz „coś dziwnego” 🙂 Odłączasz baterię
i podłączasz ją ponownie, jednakże zmieniasz biegunowość (!)
Plus baterii podłączasz do minusa układu, z kolei minus baterii podłączasz
do plusa układu. Wcześniejsze podłączenie uznaliśmy jako „prawidłowe”,
jako takie wzorcowe. Ponownie zaczynamy „kręcić gałką”. Teraz jednak uzyskamy „napięcia ujemne”, jeśli odnosimy je do wcześniejszych poczynań
z baterią. A jeśli zmieniliśmy biegunowość to i prąd zmienił kierunek.
Teraz już rozumiesz na czym polegają zmiany kierunku prądu
i to całe „ujemne napięcie”?
Zauważ również, jak często prąd zmienia swój kierunek. Popatrz na wykres. Zaczyna się od poziomu 0V. Później rośnie do 10V i spada do 0V… Spada jednak poniżej tego poziomu – tak naprawdę oznacza to, że prąd zmienił kierunek. Liczba takich zmian w ciągu sekundy jest równa dwukrotności częstotliwości, przykładowo, jeśli mamy napięcie sieciowe, którego częstotliwość wynosi 50 Hz, oznacza to, że prąd zmienia swój kierunek 100 razy na sekundę.
Nie tylko sinus!
W elektronice spotkamy się z przebiegami napięcia o różnych kształtach,
jak np. przebieg prostokątny czy piłokształtny. Poniżej kilka z nich – do ich prezentacji posłużył oscyloskop (urządzenie pozwalające obrazować
zmiany wartości napięcia w czasie).
- Sinusoida, czyli wspomniany wcześniej „przebieg sinusoidalnie zmienny”
- Prostokąt, czyli po prostu „przebieg prostokątny”
- Trójkąt symetryczny
- Piła, czyli „przebieg piłokształtny” (czyli trójkąt, ale niesymetryczny)
- …i wiele innych 😀
Podsumowanie
Dobrnęliśmy do końca. Mam nadzieję, że rozumiesz już, czym jest napięcie elektryczne i na czym polega „różnica potencjałów”. Wiesz, że jednostką napięcia elektrycznego jest wolt. Do pomiaru napięcia możemy użyć woltomierza (multimetra z taką funkcją), jak i oscyloskopu, który służy
do obrazowania zmian napięcia. O pomiarach z użyciem multimetru czy oscyloskopu przeczytasz na blogu już niebawem. Pamiętaj też, czym różni się napięcie zmienne od przemiennego i o co chodzi z tą „częstotliwością napięcia”.
To tyle na dziś. Jeśli masz jakieś uwagi, albo pytania, albo po prostu artykuł Ci się spodobał – napisz o tym w komentarzu.
Zapraszam również do polubienia profilu elektroniczny.eu na Facebooku 🙂
Zdjęcie: swanksalot / Foter / CC BY-SA