Volt

Volt
Čip s poljem Džozefsonovih spojeva razvijen na NIST kao standard za volt
Informacije o jedinici
Sistem	Izvedene jedinice SI sistema
Jedinica	Električni potencijal, elektromotorna sila
Simbol	V
Imenovan po	Alesandro Volta
U SI osnovnim jedinicama:	kg·m2·s−3·A−1

Međunarodni znak za opasnost od visokog napona

Volt (eng. volt; simbol: V) je SI izvedena jedinica za električni potencijal i napon (izvedena iz ampera i vata). Dobila je naziv u čast Alesandra Volte, koji je 1800. godine izumeo prvu hemijsku bateriju.

Volt se definiše kao potencijalna razlika na provodniku kada električna struja od jednog ampera utroši jedan vat snage. Stoga se u SI osnovi predstavlja kao m² · kg · s^-3 · A^-1, što može da se predstavi i kao jedan džul energije po kulonu, J/C. U suštini, volt meri koliko kinetičke energije nosi svaki elektron, meren u kulonima, pored naelektrisanja. Pa se tako volt, jedan faktor energije, množi strujom, amperom, da bi se dobila ukupna električna snaga struje u vatima.

Od 1990. godine, volt se internacionalno održava koristeći Džozefsonov efekat, gde se koristi konvencijom utvrđena vrednost za Džozefsonovu konstantu, ustanovljenu na osamnaestoj Generalnoj konferenciji težina i mera kao: K_{J-90} = 0,4835979 GHz/µV.

Definicija

Volt se definiše kao razlika potencijala na krajevima provodnika kada struja od jednog ampera disipira snagu od jednog vata. Odnosnu, u SI sistemu m² · kg · s⁻³ · A⁻¹, što se isto tako može zapisati i kao džul energije po kulonu napona, J/C.

1 V = 1 W/A = 1 m²•kg•s^–3•A^–1

Od 1990. godine Volt je međunarodno definisan, za praktična merenja, korištenjem Džozefsonovog efekta, gde je uobičajena vrednost uzeta kao Džozefsonova konstanta, definisana u 18-om vijeku kao

K_{J-90} = 0,4835979 GHz/µV.

Definicija Džozefsonovog spoja

Glavni članak: Džozefsonov naponski standard

„Konvencionalni” volt, V₉₀, koji je definisan 1987. godine na 18. Generalnoj konferenciji za tegove i mere i u upotrebi od 1990, implementiran je koristeći Džozefsonov efekat za za tačno pretvaranje frekvencije u napon, u kombinaciji sa cezijumskim standardom frekvencije.

Za Džozefsonovu konstantu, K_J = 2e/h (gde je e elementarno naelektrisanje, a h Plankova konstanta), u svrhu definisanja volta korišćena je „konvencionalna“ vrednost K_J-90 = 0.4835979 GHz/μV. Kao posledica redefinicije SI baznih jedinica 2019. godine, Džozefsonova konstanta je redefinisana 2019. godine da bi imala tačnu vrednost od K_J = 7005483597848416980♠483597,84841698... GHz⋅V⁻¹, koja je zamenila konvencionalnu vrednost K_J-90.

Ovaj standard se obično realizuje pomoću serijski povezanog niza od nekoliko hiljada ili desetina hiljada spojeva, pobuđenih mikrotalasnim signalima između 10 i 80 GHz (u zavisnosti od dizajna niza). Empirijski, nekoliko eksperimenata je pokazalo da je metoda nezavisna od dizajna uređaja, materijala, podešavanja merenja, itd, i da u praktičnoj primeni nisu potrebni korekcioni članovi.

Objašnjenje

Razlika električnog potencijala se može zamisliti kao sposobnost pomicanja električnog naboja kroz otpor. U suštini, volt meri koliko kinetičke energije poseduje pojedini elektron. Broj elektrona se meri kao napon, u kulonima. Stoga volt pomnožen s tokom struje, merna jedinica amper što je kulon po sekundi, daje ukupnu električnu snagu struje, u vatima. U vreme kad se u fizici reč sila koristila dosta slobodno, razlika potencijala je nazvana kao elektromotorna sila ili ems – pojam koji se i danas koristi u pojedinom kontekstu.

Razlika električnog potencijala (napon)

Između dve tačke u električnom polju, poput onoga u električnom kolu, razlika potencijala jednaka je razlici njihovih električnih potencijala. Razlika je proporcionalna elektrostatskoj sili koja teži potiskivanju elektrona, ili ostalih nosioca naboja, iz jedne tačke u drugu. Razlika potencijala, električni potencijal i elektromotorna sila se mjere u voltima, vodeći obično prema nazivu napon i simbolu V (ponekad se označava i sa ${\mathcal {E}}$).

Napon se može zbrajati na sledeći način: napon između A i C jednak je sumi napona između A i B i između B i C. Dve tačke električnog kruga koje su spojene idealnim provodnikom, provodnikom bez otpora i bez prisutnosti promenjivog magnetskog polja, imaju razliku potencijala jednaku nuli. Međutim drugi parovi tačaka mogu isto tako imati razliku potencijala jednaku nuli. Ako takve dve tačke povežu provodnikom kroz njega neće teći struja. Različiti naponi u strujnom krugu se mogu izračunati korištenjem Kirhofovih zakona.

Napon je svojstvo električnog polja, a ne pojedinih elektrona. Elektron koji se kreće kroz razliku napona doživljava povećanje energije, često mereno u elektron voltima. Ovaj efekt analogan je padanju mase s određene visine u gravitacionom polju.

Hidraulička analogija

Ako se električni krug posmatra kao analogna mreža cevi u kojima cirkuliše voda, pogonjena crpkama u prostoru u kojem ne deluje gravitacija, tada razlika potencijala odgovara razlici pritisaka tečnosti između dve tačke. Ukoliko postoji razlika pritisaka između dve tačke, tada voda teče iz prve tačke prema drugoj pri čemu može obavljati rad, kao na primer pokretati turbinu.

Ova hidraulička analogija je korisna metoda za poučavanje velikog broja električnih pojmova. U hidrauličkom sistemu, rad potreban za pokretanje vode jednak je pritisku pomnoženom sa zapreminom pomaknute vode. Slično, u električnom krugu, rad potreban za pomicanje elektrona ili ostalih nosioca naboja jednak je 'električnom pritisku' (stari izraz za napon) pomnoženom s količinom premeštenog električnog naboja. Napon je pogodan način kvantifikovanja sposobnosti obavljanja rada.

Tehnička definicija

Razlika električnog potencijala se definiše kao iznos rada po naboju koji je potreban za pomicanje električnog naboja iz druge tačke u prvu, ili ravnopravno, iznos rada koji jedinica naboja koja protiče iz prve tačke prema drugoj može proizvesti. Razlika potencijala između dve tačke a i b je linijski integral električnog polja E:

$V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} =\int _{a}^{b}E\cos \phi dl.$

Korisne formule

Istosmerna kola

$U={\sqrt {PR}}$

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

$U=IR\!\$

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

Izmenična kola

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

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

$U={\frac {\sqrt {PR}}{\cos \theta }}$

Gde je: U=napon, I=струја, R=otpor, P=snaga, Z=impedansa, θ=fazni ugao

Izmenično pretvaranje

$U_{avg}=.637U_{pk}\!\$

$U_{rms}=.707U_{pk}\!\$

$U_{ppk}=.354U_{rms}\!\$

$U_{avg}=3.142U_{ppk}\!\$

$U_{rms}=.9U_{avg}\!\$

$U_{pk}=.5U_{ppk}\!\$

Gde je:
U_pk = vršni napon (engl. Peak Voltage),
U_ppk = napon ođvrha-do-vrha (engl. Peak-to-Peak Voltage),
U_avg = srednji napon (engl. Average Voltage),
U_rms = efektivni napon (engl. Effective Voltage)

Ukupan napon

Serijski spoj naponskih izvora:

$U_{T}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+...\!\$

Paralelni spoj naponskih izvora:

$U_{T}=U_{1}=U_{2}=U_{3}=...\!\$

Padovi napona

Na otporniku (otpornik n):

$U_{n}=IR_{n}\!\$

Na kondenzatoru (kondenzator n):

$U_{n}=IX_{n}\!\$

Na zavojnici (zavojnica n):

$V_{n}=IX_{n}\!\$

Gde je: U=napon, I=struja, R=otpor, X=reaktansa

Primeri

Naponski izvori

Simboličko predstavljanje naponskog izvora.

Uobičajeni izvori EMS su:

• baterija
• dinamo (razlika potencijala se generiše na krajevima električno provodljivog materijala koji se kreće okomito na smer magnetskog polja
• elektrostatička indukcija (kada se dva različita električno izolirajuća materijala međusobno trljaju stvara se elektrostatski izboj)
• kondenzator (u stvari element za pohranu energije proizvedene na nekom drugom izvoru)

Uobičajeni naponi

1,5 voltna C-članak baterija

Nominalni naponi poznatih izvora:

• Radni potencijal neuronske ćelije: 40 milivolti
• Jedan članak, jednokratne baterije (npr. AAA, AA, C i D članci): 1,5 volti
• Električni sistem automobila: 12 volti
• Domaćinstva: 120 volti Severna Amerika, 230 volti Evropa
• Visokonaponski dalekovod: 110 kilovolti i više(1150 kV je rekord iz 2005)
• Munja: 100 megavolti

Merni instrumenti

Unimer komplet za merenje napona.

Instrumenti za merenje razlike potencijala obuhvaćaju voltmetar, potenciometar (kao mjerni sklop) i osciloskop. Voltmetar radi na principu merenja struje kroz stabilni otpornik, koja je prema Omovom zakonu, proporcionalna razlici potencijala na krajevima otpornika. Potenciometar radi na principu uravnoteženja nepoznatog napona nasuprot poznatom naponu u mosnom spoju. Katodni osciloskop radi na principu da pojačava razliku potencijala i koristi je za otklanjanje elektronskog snopa (elektronske zrake) iz ravne putanje, pa je tako nastali otklon proporcionalan razlici potencijala.

Istorija volta

Godine 1800, kao rezultat profesionalnog sukoba oko galvanske reakcije koju je zagovarao Luiđi Galvani, Alesandro Volta razvija po njemu nazvan Voltin članak, preteču današnjih baterija, koje proizvode stabilnu električnu struju. Volta je utvrdio najdelotvorniji par, cink i srebro, raznovrsnih metala koji proizvode elektricitet. U 1880-oj je Međunarodna elektrotehnička komisija (engl. International Electrotechnical Commission) IEC, potvrdila volt kao jedinicu za merenje elektromotorne sile. Volt je definisan kao razlika potencijala na provodniku kada kroz njega protiče struja od jednog ampera pri čemu se disipira snaga od jednog vata.

Pre otkrića Džozefsonovog spoja kao etalona volta, volt se čuvao u nacionalnim laboratorijima u specijalno konstruiranim baterijskim člancima zvanima standardni članci. SAD su od 1905. do 1972. koristile Vestonov članak.

Vidi još

• SI
• Omov zakon
• Naizmenična struja

Literatura

• E Richard Cohen; Tom Cvitas; Jeremy G Frey; Bertil Holstrom; John W Jost, ur. (2007). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (PDF). International Union of Pure and Applied Chemistry (3. izd.). Royal Society of Chemistry; 3rd edition. ISBN 0854044337. 

• International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. Electronic version.

Spoljašnje veze

• History of the electrical units.