Warto przeczytać

Mówiąc obrazowo, napięcie elektrycznenapięcie elektrycznenapięcie elektryczne w obwodzie jest wielkością charakteryzującą możliwość przepływu prądu między dwoma punktami tego obwodu. Przyłożenie napięcia w obwodzie powoduje, że wewnątrz przewodników lub odbiorników powstaje pole elektrostatyczne, działające siłą na ładunki i zmuszające je do ruchu, czyli powodujące przepływ prądu elektrycznego. Jeśli przyłożone do obwodu napięcie równe jest zeru, prąd nie płynie. Im większa jest wartość napięcia przyłożonego do końców elementu obwodu, tym szybciej płyną w nim ładunki elektryczne.

Napięcie elektryczne wytwarzane jest przez źródła. Są to urządzenia (baterie, akumulatory, prądnice), które nadają ładunkom energię potrzebną do poruszania się wzdłuż obwodu.

Analogia do grawitacji

Sytuacja jest taka sama, jak w przypadku kulek, które uczeń podnosi z podłogi i wkłada na szczyt zjeżdżalni. Uczeń nadaje kulkom grawitacyjną energię potencjalną, którą te kulki potem wykorzystują, spadając wzdłuż zjeżdżalni z powrotem na ziemię. Analogię grawitacyjną rozkładu energii ładunków elektrycznych wzdłuż obwodu przedstawiono na Rys. 1. W przykładzie tym wzięto pod uwagę dodatnie ładunki elektryczne, ponieważ definicje dotyczące prądu elektrycznego tworzone były w czasach, gdy uważano, że to ładunki elektryczne dodatnie są nośnikami prądu.

RIJc5t8fz3z6O

Rys. 1. Rysunek składa się z trzech części. Na górnym rysunku znajduje się pionowa oś skierowana w górę, przy której zapisano: energia potencjalna mechaniczna kulek. Na prawo od osi znajduje się zjeżdżalnia dla kulek przedstawiona jako linia łamana składająca się z odcinków poziomych i skierowanych ukośnie w prawo i w dół. Z najwyższego punku osi wychodzi w prawo poziomy odcinek, na którym znajdują się dwie kulki. Do kulek przyłożone są poziome wektory prędkości zwrócone w prawo. Z prawego końca odcinka wychodzi odcinek skierowany ukośnie w prawo i w dół. Na tym odcinku znajduje się jedna kulka z wektorem prędkości skierowanym w prawo i w dół. Dalej widać drugi poziomy odcinek z dwiema kulkami poruszającymi się w prawo, za którym jest drugi ukośny odcinek skierowany w prawo i w dół, z którego stacza się kulka. Drugi ukośny odcinek kończy się trzecim poziomym odcinkiem, za którym jest trzeci ukośny odcinek skierowany w prawo i w dół. Kulki, które stoczyły się z ostatniego ukośnego odcinka, znajdują się na poziomie początku pionowej osi. Poruszają się one w lewo, w kierunku osi, gdzie będą podniesione na górny poziom zjeżdżalni. Na środkowym rysunku znajduje się pionowa oś skierowana w górę, przy której zapisano: energia potencjalna elektrostatyczna ładunków dodatnich. Na prawo od osi znajduje się linia łamana składająca się z odcinków poziomych i skierowanych ukośnie w prawo i w dół, identyczna, jak na górnym rysunku. Na odcinkach poziomych i ukośnych znajdują się kulki z wektorami prędkości skierowanymi w prawo lub w prawo i w dół. Tu kulki symbolizują przesuwający się ładunek dodatni. Przedstawione zmiany energii potencjalnej elektrostatycznej ładunków dodatnich odnoszą się do obwodu elektrycznego znajdującego się na dolnym rysunku. Obwód na kształt poziomego prostokąta o długości równej zasięgowi „zjeżdżalni” ze środkowego rysunku. Na lewym, pionowym boku prostokąta, dokładnie pod osią energii potencjalnej, narysowano źródło prądu przedstawione jako dwa poziome odcinki: na górze cienki i długi ze znakiem plus, a na dole gruby i krótki ze znakiem minus. Górny poziomy bok prostokąta składa się z części odpowiadającym kolejnym odcinkom linii łamanej ze środkowego rysunku. Pierwszemu poziomemu odcinkowi odpowiada poziomy przewód o tej samej długości. Pod pierwszym ukośnym odcinkiem linii łamanej znajduje się żarówka. Dalej jest kolejny przewód o takiej samej długości, jak drugi poziomy odcinek linii łamanej. Pod drugim ukośnym odcinkiem linii łamanej narysowano grzejnik. Dalej pod poziomym odcinkiem linii łamanej jest kolejny odcinek przewodu, a pod trzecim ukośnym odcinkiem linii łamanej narysowano silnik elektryczny.

Obniżenie energii potencjalnej kulek oznacza, że pole grawitacyjne wykonuje pracę. Zamienia się ona w energię kinetyczną kulek. Natomiast w obwodzie elektrycznym to pochodząca od pola elektrycznego siła wykonuje pracę, która może się zamienić w energię świetlną, cieplną, mechaniczną lub inną. Często mówimy też skrótowo, że pracę wykonuje prąd elektryczny.

Warto zauważyć, że energia potencjalna grawitacji charakteryzuje stan, w którym znajduje się kulka. Energia elektryczna w obwodzie charakteryzuje stan, w którym znajduje się ładunek elektryczny. Napięcie charakteryzuje źródło prądu, bez względu na to, czy i jaki obwód zostanie do niego podłączony (Rys. 2a.). Gdy do źródła podłączy się szeregowo inne elementy, napięcia pomiędzy punktami wzdłuż obwodu rozłożą się zgodnie z właściwościami tych elementów (Rys. 2b.).

R1YcLIn9tNCDg

Rys. 2. Rysunek składa się z dwóch części: a i b. a) Na rysunku znajduje się źródło prądu z rysunku pierwszego, czyli dwa poziome odcinki: na górze cienki i długi ze znakiem plus i na dole gruby, krótki ze znakiem minus. Ze źródła prądu wychodzą przewody, które nie są połączone z żadnymi odbiornikami prądu. Na lewo od źródła prądu narysowano łuk zakończony z obu stron strzałkami wskazującymi punkty nad i pod źródłem prądu. Przy łuku zapisano literę wielkie U z indeksem dolnym źr, która symbolizuje napięcie wytwarzane przez źródło. b) Na rysunku znajduje się cały obwód z rysunku pierwszego. Na lewo od źródła prądu narysowano łuk zakończony z obu stron strzałkami wskazującymi punkty nad i pod źródłem prądu. Przy łuku zapisano literę wielkie U z indeksem dolnym źr, która symbolizuje napięcie wytwarzane przez źródło. Na przewodzie łączącym dodatni biegun źródła prądu z żarówką zaznaczono punkt wielkie A. Na przewodzie łączącym żarówkę z grzejnikiem zaznaczono punkt wielkie B. Na przewodzie łączącym grzejnik z silnikiem zaznaczono punkt wielkie C. Na przewodzie łączącym silnik z ujemnym biegunem źródła prądu zaznaczono punkt wielkie D.

Jednak suma napięć pomiędzy wszystkimi kolejnymi parami punktów będzie zawsze równa napięciu źródła:

Powyższy związek zakłada, że przewody łączące elementy są idealne - napięcie pomiędzy dowolnymi dwoma punktami jednego przewodu wynosi zero.

Związek napięcia z pracą pola elektrycznego

Rozważmy element obwodu, na którego końcach A i B występuje napięcie $U_{\mathrm{AB}}$ (Rys. 3.).

RaedxFjxWGDJW

Rys. 3. Na rysunku znajduje się przewód, na którego końcach występuje napięcie elektryczne. Przewód przedstawiony jest jako prostokąt ustawiony poziomo. Z pionowych, krótszych boków prostokąta wychodzą poziome odcinki. Na odcinku z lewej strony zaznaczono punkt wielkie A, a na odcinku z lewej strony punkt wielkie B. Pod przewodem narysowano łuk zakończony z obu stron strzałkami wskazującymi punkty wielkie A i wielkie B. Przy łuku zapisano literę wielkie U z indeksem dolnym wielkie A wielkie B. Wewnątrz prostokąta narysowano poziome linie proste ze strzałkami zwróconymi w prawo, które symbolizują linie pola elektrycznego. Wektor natężenia pola oznaczono literą wielkie E ze strzałką nad nią. Wewnątrz prostokąta znajduje się kilka małych kółek z wektorami prędkości skierowanymi w prawo, które symbolizują przesuwający się ładunek dodatni.

Obecność tego napięcia związana jest z występowaniem pola elektrycznego $\overrightarrow{E}$ wewnątrz tego elementu. Wykonuje ono pracę $W_{\mathrm{AB}}$, przemieszczając ładunki z jednego końca elementu na drugi. Im większy łączny ładunek $q$ zostanie przemieszczony, tym większa praca zostanie wykonana. Napięcie, jako wielkość charakteryzującą obwód elektryczny, a nie ładunki, można więc ogólnie określić następująco:

Jednostką napięcia elektrycznego jest wolt $[U\mathrm{]\; =\; V}$:

Słowniczek