Co je to úbytek napětí v elektrickém obvodu?

V této časté technické otázce si stručně vysvětlíme úbytek napětí a probereme polaritu napětí na rezistorech, kondenzátorech a cívkách.

Napětí, práce a tok proudu

Baterie přeměňuje chemickou energii na elektrickou a vytváří napětí – tj. rozdíl elektrických potenciálů – na svých dvou pólech. Rezistor je součástka, která vytváří určitý odpor vůči elektrickému proudu. Připojíme-li dvě svorky rezistoru ke dvěma svorkám baterie, pohybují se obvodem nosiče náboje, což nazýváme elektrický proud.

Napětí vyjadřuje schopnost vykonat práci spočívající v přesunu náboje z jednoho bodu do druhého. Například baterie s napětím 5 V dokáže vykonat 5 joulů práce na jeden coulomb náboje. Když rezistorem protéká proud, můžeme změřit množství práce (na jednotku náboje) potřebné k udržení proudu protékajícího rezistorem.

To je podstata poklesu napětí: baterie (nebo zdroj napětí) dodává energii pro vykonání práce spočívající v přemístění náboje. Při průtoku proudu spotřebovávají součástky, jako jsou rezistory, energii a množství práce na jednotku náboje spojené s proudem protékajícím danou součástkou je úbytek napětí součástky.

Úbytek napětí součástky představuje část napětí generovaného baterií. Jinými slovy, práce vykonaná baterií se rozdělí mezi součástky v obvodu.

Intuitivně poznáme, že vedení daného množství proudu přes větší odpor bude vyžadovat větší práci. Jsou-li tedy dva rezistory v sérii (což znamená, že jimi protéká stejný proud), má rezistor s větším odporem větší úbytek napětí. To je základ fungování obvodu děliče napětí.

Polarita úbytků napětí

Odpor vždy funguje jako zátěž – tedy jako součástka, která spotřebovává energii. Pokud přijmeme konvenční model toku proudu, ve kterém proud teče od vyššího napětí k nižšímu, je úbytek napětí na rezistoru kladný v místě, kde proud do rezistoru vstupuje, a záporný v místě, kde proud z rezistoru vystupuje:

Model toku proudu znázorňující, že úbytek napětí je kladný v místě, kde proud do rezistoru vstupuje, a záporný v místě, kde z něj vystupuje.

Tato polarita „odporuje“ zdrojovému napětí: kdybychom připojili baterii se stejnou orientací polarity, hnala by proud opačným směrem (nebo by působila proti zdrojovému napětí, podle toho, jak o tom přemýšlíte).

Kondenzátory a induktory uchovávají energii, a proto mohou fungovat jako zátěž nebo zdroj. Pokud fungují jako zátěž, mají stejnou polaritu poklesu napětí jako rezistor.

Když fungují jako zátěž, mají kondenzátory a induktory stejnou polaritu poklesu napětí jako rezistor.

Polarita poklesu napětí kondenzátoru se nemění, když se začne vybíjet. Přestože se chová jako zdroj, produkuje proud, jehož směr je opačný než směr nabíjecího proudu.

Když se však vybíjí induktor, snaží se udržet tok proudu. Polarita úbytku napětí na induktoru se tedy mění, protože generuje proud, jehož směr je stejný jako směr nabíjecího proudu produkovaného zdrojem.