Električni napon

"Napon" se preusmjerava ovdje. Za ostala značenja, v. Napon (razvrstavanje).

Međunarodni znak za visoki napon.

Električni napon je razlika električnih potencijala između dve tačke u prostoru. Izražava se u voltima. Jedinica za napon je dobila ime po italijanskom fizičaru Alesandru Volti, koji je izumitelj prve hemijske baterije.

Objašnjenje

Razlika električnih potencijala se može definisati kao uzrok kretanja elektriciteta kroz provodnik. U doba otkrića postojanja napona se pojam sile još uvek upotrebljavao nedovoljno precizno pa se i razlika potencijala tada nazivala elektromotorna sila (skraćenica ems, što se i danas ponekad koristi).

Naponska razlika

Naponska razlika u električnom polju, kakvo postoji između dve tačke u elektrinom kolu, je isto što i potencijalna razlika, razlika električnih potencijala. Ova razlika je srazmerna elektrostatičkoj sili koja gura elektrone (ili druge nosioce naelektrisanja) iz jedne tačke u drugu. Potencijalna razlika, električni potencijal i elektromotorna sila se izražavaju u voltima (simbol V), što je razlog da se uobičajeno koristi izraz "voltaža".

Napon je aditivan u sledećem smislu: napon između tačaka A i C je jednak zbiru napona između tačaka A i B i napona između tačaka B i C. Dve tačke u električnom kolu spojene idealnim provodnikom, bez otpora i bez promenljivog magnetnog polja, imaju razliku potencijala nula. Potencijalna razlika može biti nula i između nekakve druge dve tačke. Ako se dve takve tačke spoje provodnikom, neće proticati nikakva električna struje kroz provodnik. Razni naponi u električnom kolu mogu biti proračunavani korišćenjem Kirhofovih zakona.

Napon je osobina električnog polja, a ne pojedinačnih elektrona. Elektron koji se kreće duž potencijalne razlike doživljava promenu energije, često predstavljenu u elektron-voltima. Ovaj efekt je sličan onom kada telo pada sa neke visine u gravitacionom polju.

Hidraulična analogija

Ako potražimo analogiju za električno kolo, možemo ga zamisliti ga kao mrežu cevi kroz koje protiče voda pokretana pumpama (recimo bez prisustva gravitacije) tada je razlika potencijala analogna razlici pritisaka između dve tačke. Ako postoji razlika pritisaka između dve tačke tada voda može teći od prve do druge tačke i vršiti nekakav rad, recimo pokretati turbinu.

Ovakva analogija je korisna za učenje osnovnih pojmova. 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 (pritisak kod vode) i količini elektrona (ili drugog nosioca naelektrisanja). Napon ovde na prikladan način služi da se kvantifikuje sposobnost za vršenje rada.

Definicija

Razlika električnog potencijala se definiše kao količina rada po naelektrisanju potrebnog da se naelektrisanje premesti iz druge tačke u prvu, ili potpuno ekvivalentno, količina rada koji naelektrisanje uradi tokom kretanja od prve do druge tačke. Razlika potencijala između dve tačke a i b je linijski integral električnog polja E:

$V_a - V_b = \int _a ^b \mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}$

Korisne formule

Jednosmerna struja

$U = \sqrt{PR}$

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

$U = IR \!\$

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

Naizmenična struja

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

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

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

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

Merni uređaji

Instrumenti kojima se meri potencijalna razlika mogu biti voltmetar, potenciometar i osciloskop. Voltmetar radi mereći struju (u skladu sa Omovim zakonom) kroz otpornik. Potenciometar radi tako što poredi nepoznat napon sa poznatim naponom u mernom mostu. Osciloskop (uglavnom sa katodnom cevi) 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 cevi.

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