Proč používáme zrovna napětí?

Schopnost konat práci 

Napětí jsme si vyjádřili jako schopnost konat práci mezi dvěma body. Pojem „schopnost konat práci“ není tak jasný jako práce samotná. Nikdo se nepodívá pět metrů nad svou hlavu a neřekne si, že tato výška v tomto gravitačním poli má schopnost být nebezpečná. Nebezpečnost místa vysoko nad naší hlavou se projeví až v okamžiku, kdy je v místě i předmět, který by nás mohl do hlavy praštit. Když umístímě do výšky h předmět o hmotnosti m v zemském poli s gravitačním zrychlením g, můžeme energii tělesa snadno vypočítat dle vztahu:

$$ W = m \cdot g \cdot h \quad \text{(J)} $$

V našich analogiích mezi elektrickým a gravitačním polem hmotnost nahrazuje náboj Q, gravitační zrychlení představuje intenzitu elektrického pole E a výška je dráha mezi dvěma body. Pak by se práce v elektrickém poli dala psát jako:

$$ W = Q \cdot E \cdot h \quad \text{(J)} $$

Jenže tento vzorec je správný pouze za podmínek, kdy je dráha h ve stejnorodém poli. Stejnorodé, neboli homogenní pole, je takové, kde je intenzita pole ve všech místech identická. Zároveň dráha h musí být rovnoběžná se siločarami pole. V zemském poli není až takový problém podmínky splnit. Zeměkoule je oproti škále lidské činnosti tak obrovská, že stejnorodost můžeme předpokládat všude kam se může lidská noha vydat. Zařízení, které splňuje podmínku souběžného pohybu se siločarami, je třeba výtah. Jak by to bylo s lanovkou, která by se pohybovala sice do stejné výšky jako myšlený výtah, ale zároveň by se pohybovala do boku?

Rozdíl potenciálů

Z pohledu práce, kterou je třeba vykonat na překonání gravitačního pole, mezi lanovkou a výtahem rozdíl není. Tato vykonaná práce záleží pouze na výšce, která byla nastoupána. V elektrickém poli může budit obavy, že počítání práce bude složitější, když elektrická pole nabývají komplexnějších tvarů, ale ve skutečnosti je to stejné jako v poli gravitačním. To, na čem záleží, není celková dráha, ale pouze rozdíl „výšek“. V elektrickém poli samozřejmě nepoužíváme pojmy, jako výška nebo vrstvenice, ale obdobnou funkci plní pojem potenciál. Takže při výpočtu práce nezáleží na tom, kudy náboj putoval, jaký má jeho cesta vztah k siločarám pole. Záleží pouze na tom, na jakém potenciálu svou dráhu náboj začal a na jakém ji skončil. Tento rozdíl potenciálů známe pod pojmem elektrické napětí.

Pokud chceme z napětí, přejít na práci, tak jaká skutečná práce bude vykonána, záleží na množství náboje Q, které bylo mezi body s napětím U přenášeno:

$$ W = Q \cdot U \quad \text{(J)} $$

Práce spotřebovaná a dodávaná 

Když pohybujeme nábojem v poli, je stěžejní rozdíl ve směru pohybu. Obdobně jestli sáňky taháte do kopce, proti směru pole nebo z kopce ve směru pole. Jinými slovy zda je práce vykonávaná nebo spotřebovávaná. I toto platí u elektrického pole, směr siločar je odvozen od svévoleného pohybu kladného náboje. To znamená, že pokud se kladný náboj pohybuje ve směru siločar práce se spotřebovává. Práce se spotřebovává i tehdy pokud se elektron pohybuje proti směru siločar. Pokud se práce dodává, jako u elektrického zdroje, kladný náboj se pohybuje v proti směru pole a záporný ve směru.

Ve vodičích jsou nosiči náboje záporné elektrony. Zapojením spotřebiče do zdroje se vodič ocitne v elektrickém poli. Pole uvede elektrony do pohybu, jako když položíte kuličku na nakloněnou rovinu. Jenže ve spotřebiči se elektrony pohybují v protisměru pole. To, zda se elektrická práce v poli dodává nebo vykonává, zapisujeme i do napětí. Pokud se bavíme o zdroji napětí, označujeme napětí –U. Pokud se bavíme o napětí, tak bez znaménka pouze U.