Napięcie elektryczne. Źródła napięcia

około 12 minut

W tej lekcji1/9

Weź do ręki trzy baterie. Na paluszku jest 1,5 V, na płaskiej 4,5 V, na tej prostokątnej 9 V. Wszystkie wyglądają podobnie, a liczby są różne. Co one właściwie znaczą? To napięcie — i dziś je rozgryziemy.

Napięcie — ile energii dostaje ładunek

Bateria nie produkuje elektronów. Ona je popycha. Każdemu ładunkowi, który przez nią przechodzi, przekazuje porcję energii.

Napięcie mówi, ile energii przypada na jeden kulomb ładunku.

$U = \frac{W}{q}$

Gdzie $W$ to praca prądu w dżulach (J), a $q$ to ładunek w kulombach (C). Jednostką napięcia jest wolt:

$1\text{ V} = \frac{1\text{ J}}{1\text{ C}}$

Mniejsze napięcia podajemy w miliwoltach: 1 V = 1000 mV.

Wyobraź sobie dwa zbiorniki z wodą na różnej wysokości. Im większa różnica poziomów, tym mocniej woda pcha przez rurę. Napięcie to właśnie taka różnica — tyle że elektryczna. Bez różnicy poziomów woda stoi. Bez napięcia prąd nie płynie.

Jak mierzymy napięcie

Napięcie to zawsze różnica między dwoma punktami obwodu. Nie da się zmierzyć napięcia w jednym miejscu — tak jak nie da się podać różnicy wzrostu, mając tylko jedną osobę.

Obwód, w którym mierzymy napięcie na żarówce

Policzmy napięcie z pracy i ładunku

1
Przez żarówkę przepłynął ładunek 10 C. Prąd wykonał przy tym pracę 90 J. Jakie było napięcie na żarówce?
$W = 90\text{ J},\quad q = 10\text{ C}$
Jak myślisz, ile wyjdzie?
2
Napięcie to praca przypadająca na jednostkę ładunku.
$U = \frac{W}{q}$
3
Podstawiamy dane.
$U = \frac{90\text{ J}}{10\text{ C}} = 9\text{ V}$
4
Sprawdzamy jednostki: dżule podzielone przez kulomby dają wolty. Wynik: 9 V — takie napięcie ma bateria prostokątna.
Wskazówka
Każdy kulomb ładunku oddał w żarówce 9 dżuli energii. Dlatego ona świeci.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Przez żarówkę przepłynął ładunek 4 C, a prąd wykonał pracę 18 J. Ile wynosi napięcie w woltach?

Pułapka! Woltomierz szeregowo to pomiar donikąd

Najczęstszy błąd na lekcji: uczeń wpina woltomierz szeregowo, tak jak amperomierz. Nie rób tego.

Typowe napięcia wokół ciebie

1
Bateria paluszek: 1,5 V. Możesz jej dotknąć palcami i nic nie poczujesz — energia na jeden kulomb jest za mała, żeby przepchnąć prąd przez suchą skórę.
2
Ładowarka USB: 5 V. To napięcie, którym ładuje się telefon. Też bezpieczne w dotyku.
3
Gniazdko w ścianie: 230 V. To ponad 150 razy więcej niż bateria paluszek.
$\frac{230\text{ V}}{1{,}5\text{ V}} \approx 153$
4
Przy 230 V napięcie jest tak duże, że przepycha prąd nawet przez opór ludzkiego ciała. Płynące przez człowieka natężenie rzędu 0,05 A wystarczy, by zaburzyć pracę serca. Dlatego do gniazdka nigdy nie wkładamy niczego poza wtyczką.
Wskazówka
Nie liczba na gniazdku razi — razi prąd, który to napięcie potrafi przez ciebie przepchnąć.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Przez odbiornik zasilany baterią 1,5 V przepłynął ładunek 20 C. Jaką pracę wykonał prąd? Podaj wynik w dżulach.

Ściąga do zapamiętania

Czym jest napięcie elektryczne, jakim wzorem je liczysz i jak wpina się woltomierz?

$U = \frac{W}{q}$ — energia przekazana jednostce ładunku.
• Jednostka to wolt: $1\ \text{V} = \frac{1\ \text{J}}{1\ \text{C}}$ , a $1\ \text{V} = 1000\ \text{mV}$ .
• Przykład: $W = 90\ \text{J}$ i $q = 10\ \text{C}$ dają $U = \frac{90\ \text{J}}{10\ \text{C}} = 9\ \text{V}$ .
• Napięcie jest różnicą między dwoma punktami obwodu, dlatego woltomierz wpinamy równolegle do elementu.
• Pułapka: woltomierz wpięty szeregowo to pomiar donikąd — nie myl ról. Napięcie popycha ładunki, natężenie mówi, ile ich płynie.
• Typowe wartości: paluszek $1{,}5\ \text{V}$ , bateria płaska $4{,}5\ \text{V}$ , USB $5\ \text{V}$ , gniazdko $230\ \text{V}$ .

Sprawdź się!

Jaka jest jednostka napięcia elektrycznego?

Jak wpinamy woltomierz, żeby zmierzyć napięcie na żarówce?

Czym różni się napięcie od natężenia prądu?

Prąd wykonał pracę 24 J, przenosząc ładunek 8 C. Jakie było napięcie?

Ile miliwoltów to 0,5 V?

Następny temat

Pomiar natężenia i napięcia