2.2 Električni napon

Izvor električne struje

Ako vodenom pumpom podignemo određenu količinu vode na neku visinu, podignuta voda imat će gravitacijsku potencijalnu energiju. ​

Ako spremnike spojimo cijevima, kao na slici iznad, voda će poteći iz spremnika A u spremnik B. Ako želimo imati stalan tok vode, potrebno je crpkom obavljati rad i podizati vodu s mjesta manje gravitacijske potencijalne energije (spremnik A) na mjesto veće gravitacijske potencijalne energije (spremnik B).

U električnom strujnom krugu slobodni elektroni gibaju se s mjesta veće električne potencijalne energije (minus pol) prema mjestu manje električne potencijalne energije (plus pol). Gibaju se s mjesta većeg na mjesto manjeg električnog potencijala.

Električni potencijal pokazuje kolika je električna potencijalna energija jediničnog naboja u nekoj točki električnog polja, a jednak je omjeru električne potencijalne energije i jediničnog naboja.

Ako dva tijela imaju različite električne potencijale, među njima postoji razlika potencijala, odnosno električni napon.

Razliku električnih potencijala između dvaju tijela ili dviju točaka u strujnom krugu nazivamo električni napon.

Bez izvora električne struje nema ni strujnog kruga. Izvor električne struje kojim se uobičajeno koristimo u našim pokusima je obična baterija.

Kao što je opisano u primjeru iznad, crpka svojim radom podiže vodu u viši spremnik te joj na taj način povećava gravitacijsku potencijalnu energiju. Baterija se ponaša kao svojevrsna crpka za elektrone. Obavljajući rad, ona elektronima povećava električnu potencijalnu energiju, prebacuje elektrone s mjesta manjeg na mjesto većeg električnog potencijala. Ona svoju kemijsku energiju pretvara u električnu energiju.

Omjer ukupne potencijalne energije koju izvor daje nosiocu električne struje i njegova električnog naboja je električni napon.

Naboji prenose električnu energiju strujnim krugom, koju u različitim trošilima pretvaraju u svjetlosnu energiju, toplinu ili u neki drugi oblik energije.

$\begin{array}{l}\mathrm{Električni}\mathrm{napon}=\frac{\mathrm{Promjena}\mathrm{energije}}{\mathrm{Naboj}}\end{array}$

Oznaka za električni napon je veliko tiskano slovo $U,$ za naboj $Q,$ a za energiju $E$.

Delta ( $△$) je oznaka kojom se u fizici označava promjena.

$U=\frac{\Delta E}{Q}$  ​

Električni napon mjerimo u voltima $\left(\mathrm{V}\right).$

Jedan volt jednak je količniku jedinice za energiju (džul, $\mathrm{J}$) i jedinice za naboj (kulon, $\mathrm{C}$)

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

Električni izvor napona od jednog volta obavi pretvorbu energije (rad) od jednog džula prenoseći naboj od jednog kulona od jednog pola izvora do drugog.

Mjerenje električnog napona

Uređaj kojim mjerimo električni napon naziva se voltmetar. Njime mjerimo razliku električnih potencijala u dvjema različitim točkama strujnog kruga. Voltmetar se u električni strujni krug uključuje paralelno.

Oznaka za voltmetar u električnome strujnom krugu je:

Voltmetrom mjerimo razliku električnih potencijala u dvjema različitim točkama strujnog kruga jer je jasno da nema razlike potencijala u jednoj točki, ali isto tako nema ni razlike potencijala između bilo kojih dviju točaka koje su direktno povezane vodičem. Električni napon zato uvijek mjerimo tako da voltmetar uključujemo paralelno s trošilima ili izvorom napona u strujnom krugu.

Praktična vježba

Pribor: baterija, voltmetar. Izmjerite napon izvora.

Rješenje

---

Napon izvora jednostavno je izmjeriti. Jednu priključnicu voltmetra spojite s pozitivnim polom električnog izvora, a drugu s negativnim.

Pokušajte obje priključnice voltmetra spojiti najprije na pozitivni, a potom na negativni pol izvora. Prije nego što ih spojite, zapišite na papir što očekujete izmjeriti.

Zadatak 1.

Pribor: dvije jednake baterije od $\mathrm{4,5}\mathrm{V},$ vodiči, voltmetar.

Izmjerite električni napon na polovima prve baterije. Zapišite na papir podatak.

Izmjerite električni napon na polovima druge baterije. Zapišite na papir podatak.

Sada serijski spojite baterije (pazite i spojite + pol jedne baterije s -polom druge baterije) pa ponovo izmjerite električni napon na serijski spojenim baterijama. Što primjećujete?

Rješenje

---

Slična situacija dogodila bi se da imate tri jednake crpke, a trebate podići vodu na visinu od $60$ metara. Svaka crpka u stanju je podići vodu za $20$ metara uvis. Što učiniti?

Naravno, povezati ih u seriju; prva diže vodu za $20\mathrm{m},$ sljedeća za idućih $20\mathrm{m}$ i tako dalje. Na kraju smo podigli vodu za zadanih $60\mathrm{m}$ .

Tako bi bilo i da imate kompoziciju od $60$ vagona, a jedna željeznička lokomotiva može povući samo $30$ vagona. Što učiniti? Ponovo spojiti dvije lokomotive u seriju.

Napon serijski spojenih izvora električne struje povećava se i jednak je zbroju napona pojedinačnih izvora električne struje.

$U=U_1+U_2+U_3+...$

Ako jednake izvore električne struje spojimo paralelno, ne dobivamo izvor većeg napona, dobivamo samo dugotrajniji izvor.

Poslužimo se ponovo analogijom s pumpama.

Što se događa ako dvije pumpe zajedno pumpaju vodu na istu visinu? Imamo više vode na istoj visini, veći je kapacitet, ali budući da je visina ista, i napon ostaje isti.

Ako pumpe podižu vodu u dva cijevima povezana spremnika, koji su na različitim visinama, voda će teći iz spremnika na višoj razini u spremnik na nižoj razini (punit će ga).

Kad bismo spojili paralelno dvije baterije različitih napona, došlo bi do slične situacije, pod uvjetom da imamo baterije koje se mogu višekratno puniti. U suprotnom, ili ako bi razlika u električnim naponima bila velika, mogu nastati problemi i doći do oštećenja baterija, čak i zapaljenja i eksplozije.

Zbog toga se i ne preporučuje kombiniranje novih i starih baterija koje imaju manji napon.

Kutak za znatiželjne

U kojim bi situacijama izvore trebalo spajati serijski, a u kojima bi bilo korisno imati paralelni spoj izvora?

Pribor: izvor električne struje (baterija), dvije žaruljice, vodiči, sklopka i voltmetar.

Spoji električni strujni krug sa serijski spojenim žaruljicama. Uključi sklopku te voltmetrom izmjeri električni napon na polovima izvora, kao i na priključnicama svake žaruljice. Izmjerene podatke zabilježi na papir.

Postoji li pravilnost, veza među dobivenim podacima?

Rješenje

---

U električnom strujnom krugu sa serijski spojenim trošilima, zbroj napona na trošilima jednak je naponu izvora.

$U=U_1+U_2$

Zadatak 2.

Pribor: izvor električne struje (baterija), dvije žaruljice, vodiči, sklopka i voltmetar.

Spoji električni strujni krug s paralelno spojenim žaruljicama. Uključi sklopku te voltmetrom izmjeri električni napon na polovima izvora, kao i na priključnicama svake žaruljice. Izmjerene podatke zabilježi na papir.

Postoji li pravilnost, veza među dobivenim podacima?

 

U električnom strujnom krugu s paralelno spojenim trošilima, napon na svakom trošilu jednak je naponu izvora.

$U=U_1=U_2$

Kutak za znatiželjne

Sigurno ste primijetili malu razliku u podacima mjerenja električnog napona za električni strujni krug u kojemu su žarulje spojene paralelno. Naime, napon na polovima izvora pokazivao je neznatnu razliku u odnosu na napon izmjeren na priključnicama žarulja. Razlog je sljedeći:

strujni krug možemo podijeliti na dva dijela, unutarnji i vanjski. Sam izvor napona dio je strujnog kruga - unutarnji dio. To znači: kad kroz žarulje teče električna struja, teče i kroz izvor, odnosno jedan se dio energije unutar samog izvora transformira. Jeste li primijetili kako se nakon dulje uporabe baterija npr. pametnog telefona zagrije? To je zato što se dio energije transformirao u toplinu.

Vanjski dio strujnog kruga čine ostali elementi: vodiči, trošila... Napon u vanjskom dijelu električnog strujnog kruga (tj. energija koju nose naboji) umanjen je za iznos te transformirane energije unutar samoga izvora.