Volt

Rozbalit box

Obsah boxu

Volt (symbol V) je jednotka elektrického napětí, elektrického potenciálu a elektromotorické síly v Mezinárodní soustavě jednotek (SI). Je pojmenován po italském fyzikovi Alessandru Voltovi (1745–1827), který v roce 1800 vynalezl voltaický článek, první zařízení schopné produkovat stálý elektrický proud chemickými reakcemi.

Jeden volt je definován jako elektrický potenciál mezi dvěma body vodivého drátem, kterým protéká elektrický proud jednoho ampéru a který mezi těmito body rozptyluje jeden watt výkonu. Ekvivalentně je to potenciální rozdíl mezi dvěma body, který dodá jeden joule energie na jeden coulomb elektrického náboje, který jimi projde.

⏳ Historie

Historie voltu je úzce spjata s objevy Alessandra Volty, který se narodil 18. února 1745 v Como, Itálie. Volta se již v mládí zajímal o elektřinu a fyziku, přestože byl rodinou veden ke studiu práva a učiteli k kněžství. V roce 1774 se stal profesorem fyziky na Královské škole v Comu. Mezi jeho významné vynálezy patří elektrofor, zařízení pro přenos náboje, a izolace metanu mezi lety 1776 a 1778.

Nejdůležitějším Voltovým vynálezem, který vedl k pojmenování jednotky po něm, byl voltaický článek v roce 1800. Tento článek, sestávající ze střídavých disků zinku a stříbra oddělených kartonem namočeným v slaném roztoku, byl první baterií schopnou produkovat nepřetržitý elektrický proud. V roce 1801 Volta předvedl svůj vynález Napoleonovi Bonapartovi v Paříži, což mu vyneslo četná ocenění a tituly.

Jednotka volt byla formálně přijata jako součást SI v roce 1960 na 11. Generální konferenci pro váhy a míry (CGPM), na základě dřívějších definic stanovených v roce 1948. Předtím, v roce 1893, byl „mezinárodní volt“ definován jako 1/1,434 elektromotorické síly Clarkova článku, ale tato definice byla opuštěna v roce 1908. Od roku 1990 do roku 2019 byla pro realizaci voltu používána Josephsonův jev ve spojení s cesiovým frekvenčním standardem. Revize SI v roce 2019, která stanovila pevné hodnoty základních konstant, jako je elementární náboj a Planckova konstanta, umožnila ještě přesnější realizaci voltu prostřednictvím kvantových standardů.

⚙️ Definice a vzorce

Volt (V) je odvozená jednotka v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) pro elektrický potenciál, potenciální rozdíl (napětí) a elektromotorickou sílu.

Formální definice voltu je založena na vztahu k práci (energii) a náboji:

Jeden volt je roven jednomu joulu práce (energie) na jeden coulomb elektrického náboje.

 * 1 V = 1 J/C (Joule na Coulomb)

Volt lze také vyjádřit pomocí základních jednotek SI (metr, kilogram, sekunda a ampér):

1 V = 1 kg·m²·s⁻³·A⁻¹

Další vztahy pro volt zahrnují:

Podle Ohmova zákona: napětí (V) = proud (A) × odpor (Ω).

   *   1 V = 1 A·Ω (Ampér krát Ohm)

Pomocí výkonu a proudu: napětí (V) = výkon (W) / proud (A).

   *   1 V = 1 W/A (Watt na Ampér)

Z hlediska magnetického toku: napětí (V) = Weber (Wb) / sekundu (s).

   *   1 V = 1 Wb/s

Tyto vztahy zdůrazňují, že volt kvantifikuje "tlak", který pohání elektrický proud obvody.

💡 Praktické použití

Volt je klíčovou jednotkou pro popis elektrických obvodů a zařízení v každodenním životě i v průmyslu. Elektrické napětí je nejdůležitější parametr, který ovlivňuje tok elektrického proudu a přenos energie.

Příklady typických hodnot napětí:

Baterie:

   *   Standardní tužkové baterie (AA, AAA) mají obvykle 1,5 V (stejnosměrný proud, DC).
   *   Automobilové baterie mají běžně 12 V (DC).
   *   Baterie pro domácí energetické systémy a solární systémy se pohybují od 24 V do 48 V (DC), s novějšími vysokokapacitními systémy dosahujícími až 120 V nebo více.
   *   Lithium-iontové baterie v elektromobilech a velkokapacitních úložištích energie mohou mít napětí 400–800 V (DC) nebo i 1500 V (DC).

Domácí elektrické sítě:

   *   V Severní Americe a Japonsku je standardní síťové napětí mezi 100 a 127 V (střídavý proud, AC), často 120 V.
   *   V Evropě a většině ostatních zemí světa je standardní síťové napětí mezi 220 a 240 V (AC), často 230 V.
   *   Velké spotřebiče, jako jsou elektrické trouby nebo sušičky prádla, v USA často využívají 240 V.

Přenosové soustavy:

   *   Vysokonapěťové elektrické vedení pro distribuci elektřiny z elektráren může dosahovat stovek tisíc voltů, typicky 110 až 1200 kV (AC).
   *   Napětí v trakčním vedení pro železniční lokomotivy se pohybuje mezi 12 kV a 50 kV (AC) nebo 0,75 kV a 3 kV (DC).

Rozdílné napěťové standardy po celém světě jsou historickým důsledkem nezávislého vývoje elektrických sítí a vedou k nutnosti používat adaptéry nebo transformátory při cestování.

🔬 Měření a přístroje

Elektrické napětí se měří pomocí přístrojů zvaných voltmetry. Voltmetry jsou navrženy tak, aby se připojovaly paralelně k součásti nebo obvodu, u kterého se má měřit napětí. To znamená, že měří rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma body v obvodu.

Klíčové vlastnosti voltmetrů:

Vysoký vnitřní odpor: Ideální voltmetr má nekonečný vnitřní odpor, aby neodebíral žádný elektrický proud z měřeného obvodu a nezpůsoboval tak významné zkreslení měření. Reálné voltmetry mají velmi vysoký odpor.
Typy voltmetrů:

   *   Analogové voltmetry: Používají galvanometr s cívkou umístěnou v magnetickém poli. Proud procházející cívkou (úměrný napětí) způsobí její vychýlení a pohyb ručičky po stupnici. Mají nižší přesnost a jsou náchylné k chybám, jako je paralaxa.
   *   Digitální voltmetry (DVM): Jsou mnohem běžnější v moderní době. Převádějí analogový signál na digitální hodnotu pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC). Nabízejí vyšší přesnost (často ±0,1 % nebo lepší) a eliminují chyby paralaxy, zobrazujíce hodnotu numericky.

Multimetry: Většina elektrikářů a techniků používá multimetr, což je univerzální přístroj schopný měřit napětí, proud i odpor. Digitální multimetry jsou široce preferovány.
Osciloskopy: I když jsou primárně určeny pro pozorování časových průběhů signálů, mohou také měřit napětí, zejména u střídavého proudu a pro sledování zvlnění na stejnosměrném napětí.

Správné měření napětí je zásadní pro diagnostiku, bezpečnost a ověřování správné funkce elektrických sítí a zařízení.

🌍 Mezinárodní standardy

Volt je základní jednotka v Mezinárodní soustavě jednotek (SI), což zajišťuje jeho celosvětovou konzistenci a uznávání. Údržbu a definici jednotek SI, včetně voltu, spravuje Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM) pod dohledem Generální konference pro váhy a míry (CGPM).

Od roku 2019 je definice voltu, stejně jako ostatních základních jednotek SI, založena na pevných hodnotách základních fyzikálních konstant, jako je elementární náboj (e) a Planckova konstanta (h). To umožňuje realizaci voltu s extrémní přesností pomocí kvantových jevů, jako je Josephsonův jev. Josephsonova konstanta (K_J = 2e/h) má od roku 2019 přesnou hodnotu 483 597 848 416 980 Hz/V.

Přestože je jednotka volt standardizovaná, skutečné napěťové standardy pro elektrické sítě se po celém světě liší.

Většina zemí používá buď napětí kolem 100–127 V (např. USA, Kanada, Japonsko) nebo 220–240 V (např. EU, Spojené království, Austrálie).
Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) ve svém standardu IEC 60038 definuje sadu standardních napětí pro nízké a vysoké elektrické systémy AC a DC. Například pro třífázové systémy s frekvencí 50 Hz doporučuje IEC napětí 230 V / 400 V, přičemž země, které dříve používaly 220/380 V nebo 240/415 V, se měly k této hodnotě přizpůsobit do roku 2003.

Tyto rozdíly mají dopad na kompatibilitu elektrických spotřebičů a vyžadují používání cestovních adaptérů nebo měničů napětí pro mezinárodní cestování.

Pro laiky

Představte si řeku nebo vodovodní potrubí. Voda teče, protože je tam nějaký "tlak", který ji pohání. Čím větší tlak, tím silněji voda proudí.

V elektřině je to podobné. Volt je jako ten "tlak" nebo "pohon", který nutí malé částice zvané elektrony pohybovat se v drátech a vytvářet elektrický proud.

Čím více voltů, tím větší je ten "elektrický tlak".
Když máte malou baterku s 1,5 V, je to jako malý vodní tok – stačí to na rozsvícení malé žárovky.
Když ale zapojíte televizi do zásuvky, kde je třeba 230 V, je to jako silný proud vody, který dokáže pohánět velké zařízení.

Volt nám tedy říká, jakou "sílu" má elektřina v daném místě, aby mohla vykonat práci – třeba rozsvítit světlo, nabít telefon nebo pohánět auto. Je to vlastně energie, kterou každý malý elektron "nese". Jeden volt znamená, že každý coulomb elektrického náboje má energii jednoho joulu.