Stellen Sie sich vor, dass Wasser durch ein Rohrsystem bergab fließt. Ihre Intuition sollte Ihnen sagen, welche Faktoren das Wasser schneller und was langsamer fließen lässt. Je höher der Hügel, desto schneller ist die Strömung und je mehr Hindernisse in der Leitung sind, desto langsamer fließt sie.
Dies ist alles auf apotentielle Energiedifferenz zwischen der Spitze des Hügels und dem Boden, weil das Wasser an der Spitze des Hügels potentielle Gravitationsenergie hat und keine, wenn es den Boden erreicht.
Dies ist eine großartige Analogie für elektrischeStromspannung. Auf die gleiche Weise fließt elektrischer Strom von einem Teil des Stromkreises zu einem anderen, wenn zwischen zwei Punkten eines Stromkreises eine elektrische Potentialdifferenz besteht.
Genau wie im Beispiel Wasser erzeugt die potentielle Energiedifferenz zwischen den beiden Punkten (erzeugt durch die Verteilung der elektrischen Ladung) den Stromfluss. Physiker haben natürlich genauere Definitionen und das Erlernen von Gleichungen wie dem Ohmschen Gesetz gibt Ihnen ein besseres Verständnis der Spannung.
Definition von Spannung
Spannung ist die Bezeichnung für eine elektrische potentielle Energiedifferenz zwischen zwei Punkten und ist definiert als die elektrische potentielle Energie pro Ladungseinheit. Obwohlelektrisches Potenzialist ein genauerer Begriff, die Tatsache, dass die SI-Einheit des elektrischen Potenzials Volt (V) ist, bedeutet, dass es allgemein als. bezeichnet wird Spannung, insbesondere wenn über die Potenzialdifferenz zwischen den Polen einer Batterie oder anderen Teilen einer Batterie gesprochen wird Schaltkreis.
Die Definition kann mathematisch geschrieben werden als:
V = \frac{E_{el}}{q}
WoVist die Potentialdifferenz,Eel ist die elektrische potentielle Energie (in Joule) undqist die Ladung (in Coulomb). Daraus sollten Sie erkennen können, dass 1 V = 1 J/C, was bedeutet, dass ein Volt als ein Joule pro Coulomb (d. h. pro Ladungseinheit) definiert ist. Manchmal siehst duEals Symbol für Spannung verwendet, da ein anderer Begriff für die gleiche Größe „Elektromotorische Kraft“ (EMF) ist, aber viele Quellen verwendenVum dem alltäglichen Gebrauch des Begriffs zu entsprechen.
Das Volt hat seinen Namen vom italienischen Physiker Alessandro Volta, der vor allem für die Erfindung der ersten elektrischen Batterie (genannt „Voltaic Pile“) bekannt ist.
Gleichung für Spannung
Die obige Gleichung ist jedoch nicht die am häufigsten verwendete Gleichung für Spannung, da die meisten Wenn Sie auf den Begriff stoßen, handelt es sich um einen elektrischen Stromkreis und die nützlichste Gleichung für das istOhm'sches Gesetz. Dieser bezieht die Spannung auf den Stromfluss im Stromkreis und den Widerstand auf den Stromfluss von den Drähten und Komponenten des Stromkreises und hat die Form:
V = IR
WoVdie Potentialdifferenz in Volt (V) ist;ichist der Stromfluss, mit der Einheit Ampere oder kurz Ampere (A); undRist der Widerstand in Ohm (Ω). Auf einen Blick zeigt diese Gleichung, dass höhere Spannungen bei gleichem Widerstand höhere Ströme erzeugen (analog zur Erhöhung der Höhe des Hügel in der Einleitung) und bei gleicher Spannung wird der Stromfluss bei höheren Widerständen reduziert (analog zu den Verstopfungen der Rohre im Beispiel). Ohne Spannungsunterschied fließt kein Strom.
Verschiedene Komponenten einer Schaltung haben unterschiedlicheSpannungsabfälleüber sie hinweg, und Sie können das Ohmsche Gesetz verwenden, um herauszufinden, was sie sein werden. In Anlehnung an das Kirchhoffsche Spannungsgesetz gilt jedochdie Summe der Spannungsabfälle um jede komplette Schleife in einem Stromkreis muss gleich Null sein.
Spannung in einem Stromkreis messen
Die Spannung an einem Element in einem Stromkreis kann mit einem Voltmeter oder einem Multimeter gemessen werden, wobei letzteres ein Voltmeter enthält, aber auch andere Werkzeuge wie ein Amperemeter (zur Strommessung). Sie schalten das Voltmeter parallel über das zu messende Element, um den Spannungsabfall zwischen den beiden Punkten zu bestimmen – niemals in Reihe schalten!
Analoge Voltmeter arbeiten mit einem Galvanometer (ein Gerät zum Messen kleiner elektrischer Ströme) in Reihe mit einem hochohmigen Widerstand, wobei das Galvanometer eine Drahtspule in einem Magnetfeld enthält. Wenn ein Strom durch den Draht fließt, entsteht ein Magnetfeld, das mit dem vorhandenen wechselwirkt Magnetfeld, um die Spule zu drehen, die dann den Zeiger auf dem Gerät bewegt, um die Stromspannung.
Da die Drehung der Spule proportional zum Strom ist und der Strom wiederum proportional zur Spannung (nach dem Ohmschen Gesetz), je mehr sich die Spule dreht, desto größer ist die Spannung zwischen die beiden Punkte. Dies ist komplizierter, wenn Sie Wechselstrom statt Gleichstrom messen, aber auch verschiedene Designs machen dies möglich.
Sie müssen ein Voltmeter parallel schalten, da zwei parallel geschaltete Schaltungselemente die gleiche Spannung haben. Ein Voltmeter muss hochohmig sein, weil es verhindert, dass es einen zu großen Strom aus dem Hauptstromkreis zieht und dadurch das Ergebnis stört. Außerdem sind Voltmeter nicht dafür konstruiert, große Ströme zu ziehen. Wenn Sie also eines in Reihe schalten, kann es leicht eine Sicherung brechen oder durchbrennen.
Spannungsbeispiele
Um den Umgang mit elektrischem Potenzial zu erlernen, müssen Sie lernen, das Ohmsche Gesetz zu verwenden und das Kirchhoff-Spannungsgesetz anzuwenden, um Spannungsabfälle zwischen verschiedenen Elementen in einer Schaltung zu bestimmen. Am einfachsten ist es, das Ohmsche Gesetz auf eine ganze Schaltung anzuwenden.
Wenn ein Stromkreis von einer 12-V-Batterie gespeist wird und einen Gesamtwiderstand von 70 Ohm hat, wie viel Strom fließt dann durch den Stromkreis?
Hier müssen Sie lediglich das Ohmsche Gesetz neu ordnen, um einen Ausdruck für elektrischen Strom zu erstellen. Das Gesetz besagt:
V = IR
Alles, was Sie tun müssen, ist, beide Seiten durch zu teilenRund umgekehrt, um zu erhalten:
I=\frac{V}{R}
Das Einfügen von Werten ergibt:
\begin{aligned} I&=\frac{1 \text{ V}}{70 \text{ Ω}} \\ &= 0.1714 \text{ A} \end{aligned}
Der Strom beträgt also 0,1714 A oder 171,4 Milliampere (mA).
Aber jetzt stellen Sie sich vor, dass dieser Widerstand von 70 auf drei verschiedene Widerstände in Reihe mit Werten von 20 Ω, 10 Ω und 40 aufgeteilt wird. Wie groß ist der Spannungsabfall an jeder Komponente?
Auch hier können Sie das Ohmsche Gesetz verwenden, um jede Komponente der Reihe nach zu betrachten und den gesamten elektrischen Strom um den Stromkreis von 0,1714 A zu notieren. Verwenden von V = IR für jeden der drei Widerstände der Reihe nach:
Zum ersten:
\begin{aligned} V_1 &= 0.1714 \text{ A} × 20 \text{ Ω} \\ &= 3.428 \text{ V} \end{aligned}
Der Zweite:
\begin{aligned} V_2 &= 0,1714 \text{ A} × 10 \text{ Ω} \\ &= 1,714 \text{ V} \end{aligned}
Und das dritte:
\begin{aligned} V_3 &= 0.1714 \text{ A} × 40 \text{ Ω} \\ &= 6.856\text{ V} \end{aligned}
Nach dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz sollten sich diese drei Spannungsabfälle auf 12 V summieren:
\begin{aligned} V_1 + V_2 + V_3 &= 3,428 \text{ V} + 1,714 \text{ V} + 6,856 \text{ V} \\ &= 11,998 \text{ V} \end{aligned}
Dies entspricht 12 V auf zwei Nachkommastellen, wobei die leichte Abweichung auf Rundungsfehler zurückzuführen ist.
Spannungsabfälle über parallele Komponenten
In der obigen Diskussion über die Spannungsmessung wurde festgestellt, dass die Spannungsabfälle über parallele Komponenten in einer Schaltung gleich sind. Dies wird erklärt durchKirchhoffs Spannungsgesetz, das besagt, dass die Summe aller Spannungen (die positive Spannung von der Stromquelle und die Spannungsabfälle von Komponenten) in einer geschlossenen Schleife gleich Null sein muss.
Für eine Parallelschaltung mit mehreren Zweigen können Sie eine solche Schleife erstellen, die einen der parallelen Zweige und die Batterie enthält. Unabhängig von der Komponente in jedem Zweig ist der Spannungsabfall an jedem ZweigMussdaher gleich der von der Batterie bereitgestellten Spannung sein (der Einfachheit halber wird die Möglichkeit anderer Komponenten in Reihe ignoriert). Dies gilt für alle Zweige, sodass parallele Komponenten immer gleiche Spannungsabfälle haben.
Spannung und Leistung in Glühbirnen
Das Ohmsche Gesetz kann auch auf die Leistung erweitert werden (P), das ist die Rate der Energiezufuhr in Joule pro Sekunde (Watt,W), und es stellt sich heraus, dass P = IV.
Für eine Schaltungskomponente wie eine Glühbirne zeigt dies, dass die Leistung, die sie abgibt (d. h. in Licht umgewandelt wird), von der Spannung daran abhängt, wobei höhere Spannungen zu einer höheren Ausgangsleistung führen. In Übereinstimmung mit der Diskussion paralleler Komponenten im vorherigen Abschnitt leuchten mehrere Glühbirnen, die parallel angeordnet sind, heller als dieselben Glühbirnen, die angeordnet sind in Reihe, weil bei Parallelschaltung an jeder Glühbirne die volle Batteriespannung abfällt, bei Anschluss nur ein Drittel davon Serie.