Napięcie elektryczne
Napięcie elektryczne w
elektronice spełnia podobną rolę jak benzyna w samochodzie. Bez benzyny silnik
samochodu nie może pracować i samochód nie może się poruszać. Podobnie bez
napięcia elektrycznego nie może działać żaden układ elektroniczny. Napięcie
elektryczne odgrywa rolę siły napędowej. Pod jego wpływem powstaje przepływ
prądu elektrycznego.
Elektronik jest przyzwyczajony do stosowania krótkich i prostych oznaczeń.
Napięcie elektryczne oznacza on literą U. Mierzy je w jednostkach zwanych
woltami (od nazwiska Volt), które oznacza literą V.
Napięcie elektryczne jest dostrzegalne przez człowieka. Widzimy je w
postaci błyskawicy, iskry np. w samochodowych świecach zapłonowych; mierzymy je
jako wychylenie wskazówki miernika; słyszymy je poprzez drgania membrany
głośnika.
Napięcie staje się dostrzegalne jeszcze w wielu innych przypadkach.
Niektóre z nich poznamy w dalszych naszych doświadczeniach.
W jaki sposób można otrzymać napięcie
elektryczne? Istnieje dużo urządzeń elektrycznych służących do wytwarzania
napięcia. Oto kilka urządzeń będących źródłami napięcia elektrycznego.
- Prądnica. Znaleźć ją możemy np. przy rowerze. Podczas wolnej jazdy wytwarza ona niskie napięcie, równe np. 3 V i żarówka w reflektorze świeci słabo. Przy szybkiej jeździe prądnica wytwarza napięcie wyższe, równe np. 6 V. Żarówka świeci wtedy jasno. Oczywiście, bywają prądnice znacznie większe. Na przykład mogą to być generatory w elektrowniach, które wytwarzają napięcia rzędu stu tysięcy (100000) woltów. W zależności od konstrukcji prądnice mogą wytwarzać napięcie stałe lub przemienne.
- Bateria. W najprostszym wypadku może to być bateria do zasilania kieszonkowej latarki lub radia bateryjnego. Akumulator samochodowy jest również baterią. Wspólną cechą wszystkich baterii jest to, że wytwarzają one napięcie stałe; baterie nie mogą dostarczać napięcia zmiennego.
- Ogniwo słoneczne lub fotoogniwo. Statki kosmiczne są wyposażone w elektryczne
ogniwa słoneczne. Ogniwa te są źródłem energii niezbędnej do sterowania i
wykonywania rozkazów przekazywanych z Ziemi. Przekształcają one energię świetlną
w napięcie lub, mówiąc dokładniej, w energię elektryczną.
Przykładem zastosowania fotoogniwa jest także wskaźnik oświetlenia
(światłomierz) używany przy wykonywaniu zdjęć fotograficznych. Światło padające
na fotoogniwo jest przekształcane na napięcie elektryczne. Napięcie to jest
doprowadzane z kolei do przyrządu pomiarowego, którego wskazówka wychyla się
proporcjonalnie do energii światła.
Wspólną cechą wszystkich baterii, prądnic i innych źródeł napięcia jest to,
że mają one zawsze dwa zaciski.
Na rysunku 1
przedstawiono występujące w praktyce układy połączeń źródeł napięcia. Na rysunku
1a widać symbol graficzny baterii. Długa kreska oznacza biegun dodatni, a
krótka i pogrubiona biegun ujemny baterii. Strzałka między pomocniczymi liniami
poprowadzonymi przez zaciski baterii wskazuje, że właśnie tu panuje napięcie
równe U. Na rysunku 1b przedstawiono również symbol baterii. Ten ostatni
sposób przedstawiania baterii jest stosowany najczęściej. W półkolach,
oznaczających zaciski biegunów baterii spotykamy często dodatkowe oznaczenia,
takie jak np. A i B, lub 1 i 2, lub też Cl i C3. Oznaczenia takie są stosowane
przy rysowaniu schematów skomplikowanych układów elektronicznych. Bateria musi
być wtedy dołączona do tych wszystkich punktów układu, które są oznakowane tak
samo jak jej zaciski.
Na rysunku 1c pokazano szczególny przypadek poprzednich rysunków.
Widzimy tu dwie baterie połączone szeregowo. Przy szeregowym łączeniu baterii
należy zwracać uwagę na prawidłową polaryzację ich biegunów. Łączone bieguny
baterii powinny być różnoimienne, tzn. jeden powinien być dodatni, a drugi
ujemny lub odwrotnie. Wolne zewnętrzne zaciski stanowią nadal biegun dodatni i
ujemny.
W przypadku szeregowego połączenia dwóch źródeł napięcia otrzymujemy
napięcie równe sumie napięć składowych, jeżeli połączymy szeregowo płaską
baterię o napięciu 4,5 V z baterią okrągłą o napięciu 1,5 to uzyskamy napięcie
wypadkowe równe 4,5 V+1,5 V = 6 V!
Dwa takie same źródła napięcia dają napięcie dwukrotnie większe od każdego
z napięć składowych. Dwie szeregowo połączone baterie płaskie o napięciu 4,5 V
dają więc napięcie równe 9 V.
Oczywiście, można łączyć szeregowo większą liczbę baterii. Możemy np.
połączyć szeregowo dwie baterie o napięciu 4,5 V z jedną baterią o napięciu 3 V.
Otrzymujemy wtedy napięcie równe 4,5 V+4,5 V+3 V = 12 V.
Łącząc szeregowo wiele baterii (np. 10 sztuk, każda po 4,5 V, co daje 45 V)
uzyskujemy napięcia wypadkowe, które mogą być już groźne dla organizmu
ludzkiego, a nawet mogą doprowadzić do porażenia śmiertelnego.
Powinniśmy jeszcze bliżej poznać baterię. Tak więc płaskie baterie o napięciu 4,5 V są
zbudowane z trzech pojedynczych ogniw o napięciu 1,5 V. Bateria o napięciu 9 V,
służąca do zasilania odbiorników tranzystorowych, jest zbudowana z sześciu
ogniw, z których każde ma napięcie 1,5 V. Można to łatwo stwierdzić rozbierając
takie baterie.
Wyjaśnijmy sobie jeszcze układ z rys. 1d. Można go traktować jako
szczególny przypadek układu z rys. 1c. Nadal są tu dwie szeregowo połączone
baterie. Jednakże wyprowadzono trzeci zacisk B. Zacisk ten oznaczono dodatkowo
symbolem 0 (zero). W elektronice oznacza to, że wszystkie napięcia w układzie są
odnoszone względem tego punktu. Tak więc napięcie zacisku A względem B wynosi
+1,5 V. Napięcie zacisku C względem B wynosi -1,5 V. Napięcie zacisku A względem
C wynosi Ut + L/a =+3 V. Napięcie między zaciskami C i A wynosi również 3 V,
jednakże zacisk A jest dodatni względem C. Tak więc musimy powiedzieć, że
napięcie zacisku C względem A jest równe -3V.
Początkowo ustalenie znaku napięcia wydaje się skomplikowane. Stanie się
to proste, gdy zapamiętamy następujące wskazówki.
Napięcie mierzymy między dwoma zaciskami, przyjmując jeden z zacisków za wyjściowy. Jeżeli zacisk, który przyjęliśmy za wyjściowy (względem którego dokonujemy pomiaru) jest dodatni, to napięcie na drugim zacisku (biegunie) jest ujemne! W przeciwnym przypadku, gdy pomiaru dokonujemy względem bieguna wyjściowego ujemnego, to drugi biegun baterii jest dodatni.
Wszystko zależy więc od punktu wyjściowego, który przyjmujemy za bazę I obserwacji lub pomiarów. Dla człowieka stojącego na ziemi wierzchołek drzewa znajduje się wysoko nad ziemią. Z kolei dla kogoś siedzącego na wierzchołku drzewa ziemia znajduje się w dole. W obydwu jednak przypadkach odległość i między wierzchołkiem drzewa a ziemią jest taka sama!
PRĄD ELEKTRYCZNY