Spænding: Definition, ligning, enheder (med eksempler)

Forestil dig vand, der strømmer ned ad bakke gennem et rørsystem. Din intuition skal fortælle dig, hvilke faktorer der får vandet til at strømme hurtigere, og hvad der får det til at strømme langsommere. Jo højere bakken er, jo hurtigere vil strømmen være, og jo flere forhindringer i røret, jo langsommere flyder den.

Alt dette skyldes enpotentiel energiforskel​ ​mellem toppen af ​​bakken og bunden, fordi vandet har tyngdepotentialenergi på toppen af ​​bakken og intet, når det når bunden.

Dette er en god analogi til elektriskspænding. På samme måde, når der er en elektrisk potentialeforskel mellem to punkter på et elektrisk kredsløb, strømmer elektrisk strøm fra en del af kredsløbet til en anden.

Ligesom i vandeksemplet er den potentielle energiforskel mellem de to punkter (skabt af fordelingen af ​​elektrisk ladning) det, der skaber strømmen. Naturligvis har fysikere mere præcise definitioner end dette, og indlæringsligninger som Ohms lov giver dig en bedre forståelse af spænding.

Spænding er navnet på en elektrisk potentiel energiforskel mellem to punkter, og den er defineret som den elektriske potentielle energi pr. Enhedsopladning. Selvomelektrisk potentialeer et mere nøjagtigt udtryk, det faktum at SI-enheden med elektrisk potentiale er volt (V) betyder, at den almindeligvis omtales som spænding, især når folk taler om den potentielle forskel mellem terminalerne på et batteri eller andre dele af en kredsløb.

Definitionen kan skrives matematisk som:

HvorVer den potentielle forskel,E​_el er den elektriske potentielle energi (i joule) ogqer ladningen (i coulombs). Herfra skal du kunne se, at 1 V = 1 J / C, hvilket betyder, at en volt er defineret som en joule pr. Coulomb (dvs. pr. Enhedsopladning). Nogle gange kan du seEbrugt som symbol for spænding, fordi et andet udtryk for den samme mængde er "elektromotorisk kraft" (EMF), men mange kilder brugerVfor at matche den daglige brug af udtrykket.

Volt har sit navn fra den italienske fysiker Alessandro Volta, som er bedst kendt for at opfinde det første elektriske batteri (kaldet “voltaisk bunke”).

Ovenstående ligning er dog ikke den mest anvendte ligning for spænding, fordi det meste af gang du møder udtrykket, vil det involvere et elektrisk kredsløb og den mest nyttige ligning for dette erOhms lov. Dette relaterer spændingen til strømmen i kredsløbet og modstanden mod strømmen fra ledningerne og komponenterne i kredsløbet og har formen:

HvorVer den potentielle forskel i volt (V);jeger strømmen med en enhed af amperen eller forstærkeren for kort (A); ogRer modstanden i ohm (Ω). Med et overblik fortæller denne ligning, at for den samme modstand frembringer højere spændinger højere strømme (svarende til at øge højden på bakke i introduktionen) og for den samme spænding reduceres strømmen for højere modstande (analog med hindringerne for rørene i eksempel). Hvis der ikke er nogen spændingsforskel, vil der ikke strømme strøm.

Forskellige komponenter i et kredsløb vil have forskelligespændingsfaldpå tværs af dem, og du kan bruge Ohms lov til at finde ud af, hvad de vil være. I tråd med Kirchhoffs spændingslov dogsummen af ​​spændingsfald omkring enhver komplet sløjfe i et kredsløb skal være lig med nul​.

Spændingen over et element i et elektrisk kredsløb kan måles med et voltmeter eller et multimeter, hvor sidstnævnte indeholder et voltmeter, men også andre værktøjer som et amperemeter (til at måle strøm). Du forbinder voltmeteret parallelt over det element, der måles for at bestemme spændingsfaldet mellem de to punkter - tilslut aldrig det i serie!

Analoge voltmetre fungerer ved hjælp af et galvanometer (en enhed til måling af små elektriske strømme) i serie med en høj ohm-modstand, hvor galvanometeret indeholder en trådspole i et magnetfelt. Når en strøm strømmer gennem ledningen, skaber den et magnetfelt, der interagerer med det eksisterende magnetfelt for at få spolen til at rotere, som derefter bevæger markøren på enheden for at indikere spænding.

Fordi spolens rotation er proportional med strømmen, og strømmen er igen proportionalt med spændingen (ifølge Ohms lov), jo mere spolen roterer, jo større er spændingen imellem de to punkter. Dette er mere kompliceret, hvis du måler vekselstrøm snarere end jævnstrøm, men forskellige designs gør det også muligt.

Du skal tilslutte et voltmeter parallelt, fordi to parallelle kredsløbselementer har den samme spænding over dem. Et voltmeter skal have høj modstand, fordi det forhindrer det i at trække for stor strøm fra hovedkredsløbet og derved forstyrre resultatet. Plus, voltmetre er ikke konstrueret til at tegne store strømme, så hvis du forbinder en i serie, kan den let bryde eller sprænge en sikring.

At lære at arbejde med elektrisk potentiale indebærer at lære at bruge Ohms lov og lære at anvende Kirchhoffs spændingslov til at bestemme spændingsfald på tværs af forskellige elementer i et kredsløb. Den enkleste ting at gøre er at anvende Ohms lov på et helt kredsløb.

Hvis et kredsløb drives af et 12-V batteri og har en total modstand på 70 ohm, hvad er strømmen, der strømmer gennem kredsløbet?

Her skal du blot omorganisere Ohms lov for at skabe et udtryk for elektrisk strøm. Loven siger:

Alt du skal gøre er at dele begge sider medRog vend for at få:

Indsættelse af værdier giver:

Så strømmen er 0,1714 A eller 171,4 milliampere (mA).

Men forestil dig nu, at denne 70 Ω modstand er delt over tre forskellige modstande i serie med værdier på 20 Ω, 10 Ω og 40 Ω. Hvad er spændingsfaldet over hver komponent?

Igen kan du bruge Ohms lov til at se på hver komponent igen og bemærke den samlede elektriske strøm omkring kredsløbet på 0,1714 A. Brug af V = IR for hver af de tre modstande efter tur:

For det første:

Sekundet:

Og den tredje:

Ifølge Kirchhoffs spændingslov skal disse tre spændingsfald falde op til 12 V:

Dette svarer til 12 V til to decimaler, hvor den lille uoverensstemmelse skyldes afrundingsfejl.

I diskussionen om, hvordan man måler spænding ovenfor, blev det bemærket, at spændingsfald på tværs af parallelle komponenter i et kredsløb er de samme. Dette forklares medKirchhoffs spændingslov, der siger, at summen af ​​alle spændinger (den positive spænding fra strømkilden og spændingen falder fra komponenter) i en lukket sløjfe skal være lig med nul​.

For et parallelt kredsløb med flere grene kan du oprette en sådan sløjfe inklusive en af ​​de parallelle grene og batteriet. Uanset komponenten på hver gren falder spændingen over enhver grenskalderfor være lig med spændingen fra batteriet (ignorerer muligheden for andre komponenter i serie for enkelhedens skyld). Dette gælder for alle grene, og så parallelle komponenter vil altid have lige spændingsfald på tværs af dem.

Ohms lov kan også udvides til at vedrøre magt (P), som er energiforsyningshastigheden i joule pr. sekund (watt,W), og det viser sig, at P = IV.

For en kredsløbskomponent som en pære viser dette, at den strøm, den spredes (dvs. bliver til lys), afhænger af spændingen over den, med højere spændinger, der fører til en højere effekt. I tråd med diskussionen om parallelle komponenter i det foregående afsnit lyser flere pærer, der er arrangeret parallelt, lysere end de samme pærer arrangeret i serie, fordi den fulde batterispænding falder over hver pære, når den er tilsluttet parallelt, mens kun en tredjedel af den gør, når de er tilsluttet serie.