O voltoch a napätí, aby každý pochopil
Elektrické obvody možno použiť na prenos signálov, ukladanie informácií, vykonávanie výpočtov, ale najbežnejším účelom je manipulácia s energiou, napríklad napájanie žiarovky batériou.
Vieme, že žiarovky sú definované vo wattoch, čo je počet joulov za sekundu transformovaných na teplo a svetlo, ale aká je súvislosť s tokom nábojov meraným ampérmetrom?
Tu je analógia. Predpokladajme, že jeden z vašich priateľov by si nemohol nájsť inú prácu ako nakladač balíkov slamiek. Počet spálených kalórií za hodinu bude závisieť od počtu balíkov, ktoré naložíte za minútu, a bude úmerný vynaloženému úsiliu pre každý balík. Ak musí naložiť balíky do podkrovia stajne, kamarát sa unaví rýchlejšie ako iný pracovník v priemysle, ktorý len natlačí balíky do nákladného auta a nemusí ich vyzdvihnúť.
Jouly/sekundy = (balíky/sekundy) x (jouly/balíky)
Podobne bude rýchlosť premeny energie v batérii závisieť nielen od toho, koľko coulomb za sekundu vstúpi do obvodu, ale aj od mechanickej práce, ktorú musí pri každej úlohe vykonať:
jouli/sekunda = coulombi/sekunda x jouli/coulombi
alebo
výkon = prúd x mechanická práca na záťaž
Jouly na coulombi sa nazývajú „Volt“, 1 V = 1 J/C; meno pochádza od talianskeho fyzika Alessandro Volta. Každý vie, že batérie sú opísané počtom voltov, ale koncept napätia je širší; napätie je v skutočnosti vlastnosťou ktoréhokoľvek bodu v priestore.
Aby sme lepšie pochopili, prečo je to tak, vráťme sa k analogii s balíkmi na kúpanie. Na zdvíhanie balíka na úroveň stabilného mosta je potrebných množstvo joulov gravitačnej energie. Pretože hovoríme o gravitačnej energii, má zmysel hovoriť o hmotnostných jednotkách ako o balíkoch na meranie množstva hmoty. Gravitačná verzia napätia by bola: joulov na kilogram.
Gravitačná energia = mgh, ale ak chceme vypočítať koľko na kilogram, písmeno „m“ sa zníži a zostane na hm. Všetkým bodom v gravitačnom poli Zeme môžeme priradiť číslo, hm, ktorá nám hovorí, aké ťažké je presunúť množstvo hmoty do jedného z týchto bodov. Napríklad vrchol Mount Everestu bude mať vysokú hodnotu hm, kvôli výške. To nám hovorí, že z hľadiska energie je drahé zdvihnúť určité množstvo hmoty z úrovne (povedzme mora) na vrchol Mount Everestu.
To isté robí napätie aj pri použití elektriny. Elektrický obvod si môžeme predstaviť ako horská dráha. Batéria je ako tá časť horskej dráhy, kde ste zdvihnutí na vrchol. Vrchol prvej vysokej zóny je analogický s napätím batérie. Pri spustení zostupu je táto časť podobná tomu, čo sa deje na úrovni žiarovky. V prípade horskej dráhy sa počiatočná gravitačná energia premení na teplo a zvuk, keď sa zosuniete na zem. V elektrickom obvode sa počiatočná elektrická energia premieňa na teplo žiarovky (a horúce vlákno žiarovky svieti a mení teplo na svetlo).
- ••• -
Tento článok je súčasťou knihy „Konceptuálna fyzika“ od Benjamina Crowella
obsah5.4 Napätie
Obrázkový kredit: deviantart.com/boldfrontiers
Môžete komentovať pomocou účtu na webe, prostredníctvom FB, Twitteru alebo Google alebo ako návštevník (bez registrácie). Pre návštevníkov sú komentáre mierne (schválené správcom).