Spanning: definitie, vergelijking, eenheden (met voorbeelden)

Stel je voor dat water door een buizenstelsel naar beneden stroomt. Je intuïtie zou je moeten vertellen welke factoren het water sneller zouden laten stromen en waardoor het langzamer zou stromen. Hoe hoger de heuvel, hoe sneller de stroom zal zijn, en hoe meer obstakels in de pijp, hoe langzamer deze zal stromen.

Dit komt allemaal door eenpotentieel energieverschil​ ​tussen de top van de heuvel en de bodem, omdat het water potentiële zwaartekrachtenergie heeft op de top van de heuvel en geen tegen de tijd dat het de bodem bereikt.

Dit is een geweldige analogie voor elektrischSpanning. Op dezelfde manier, wanneer er een elektrisch potentiaalverschil is tussen twee punten op een elektrisch circuit, vloeit er elektrische stroom van het ene deel van het circuit naar het andere.

Net als in het watervoorbeeld is het potentiële energieverschil tussen de twee punten (gecreëerd door de verdeling van elektrische lading) wat de stroom veroorzaakt. Natuurlijk hebben natuurkundigen preciezere definities dan dit, en het leren van vergelijkingen zoals de wet van Ohm geeft je een beter begrip van spanning.

Spanning is de naam die wordt gegeven aan een elektrisch potentieel energieverschil tussen twee punten, en het wordt gedefinieerd als de elektrische potentiële energie per ladingseenheid. Hoewelelektrisch potentieelis een nauwkeuriger term, het feit dat de SI-eenheid van elektrisch potentieel de volt (V) is, betekent dat het gewoonlijk wordt aangeduid als spanning, vooral wanneer mensen praten over het potentiaalverschil tussen de polen van een batterij of andere delen van een batterij circuit.

De definitie kan wiskundig worden geschreven als:

WaarVis het potentiaalverschil,E​_el is de elektrische potentiële energie (in joule) enqis de lading (in coulombs). Hieruit zou je moeten kunnen zien dat 1 V = 1 J/C, wat betekent dat één volt wordt gedefinieerd als één joule per coulomb (d.w.z. per eenheidslading). Soms zul je zienEgebruikt als symbool voor spanning, omdat een andere term voor dezelfde hoeveelheid "elektromotorische kracht" (EMF) is, maar veel bronnen gebruikenVom het dagelijkse gebruik van de term te evenaren.

De volt ontleent zijn naam aan de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta, die vooral bekend is vanwege het uitvinden van de eerste elektrische batterij (de "voltaïsche stapel").

De bovenstaande vergelijking is echter niet de meest gebruikte vergelijking voor spanning, omdat de meeste keer dat je de term tegenkomt, is er sprake van een elektrisch circuit, en de meest bruikbare vergelijking voor: dit isDe wet van Ohm. Dit relateert de spanning aan de stroom in het circuit en de weerstand aan de stroom van de draden en componenten van het circuit, en heeft de vorm:

WaarVis het potentiaalverschil in volt (V);ikis de stroom, met een eenheid van de ampère of kortweg amp (A); enRis de weerstand in ohm (Ω). In één oogopslag vertelt deze vergelijking u dat voor dezelfde weerstand hogere spanningen hogere stromen produceren (analoog aan het vergroten van de hoogte van de heuvel in de inleiding) en voor dezelfde spanning wordt de stroomsterkte verminderd voor hogere weerstanden (analoog aan de obstructies van de leidingen in de voorbeeld). Als er geen spanningsverschil is, zal er geen stroom vloeien.

Verschillende componenten van een circuit hebben verschillendespanning daaltover hen heen, en je kunt de wet van Ohm gebruiken om erachter te komen wat ze zullen zijn. In overeenstemming met de spanningswet van Kirchhoff, echter,de som van spanningsdalingen rond een volledige lus in een circuit moet gelijk zijn aan nul​.

De spanning over een element in een elektrisch circuit kan worden gemeten met een voltmeter of een multimeter, waarbij de laatste een voltmeter bevat, maar ook andere hulpmiddelen zoals een ampèremeter (om stroom te meten). U sluit de voltmeter parallel over het te meten element aan om de spanningsval tussen de twee punten te bepalen - sluit hem nooit in serie aan!

Analoge voltmeters werken met behulp van een galvanometer (een apparaat voor het meten van kleine elektrische stromen) in serie met een hoogohmige weerstand, waarbij de galvanometer een draadspoel in een magnetisch veld bevat. Wanneer een stroom door de draad vloeit, creëert het een magnetisch veld, dat in wisselwerking staat met het bestaande magnetisch veld om de spoel te laten draaien, die vervolgens de aanwijzer op het apparaat beweegt om de aan te geven Spanning.

Omdat de rotatie van de spoel evenredig is met de stroom, en de stroom is op zijn beurt evenredig met de spanning (volgens de wet van Ohm), hoe meer de spoel draait, hoe groter de spanning tussen de twee punten. Dit is ingewikkelder als je wisselstroom meet in plaats van gelijkstroom, maar verschillende ontwerpen maken dit ook mogelijk.

Je moet een voltmeter parallel aansluiten omdat twee circuitelementen parallel dezelfde spanning hebben. Een voltmeter moet een hoge weerstand hebben, omdat dit voorkomt dat hij een te grote stroom trekt van het hoofdcircuit en daardoor het resultaat verstoort. Bovendien zijn voltmeters niet gemaakt om grote stromen te trekken, dus als u er een in serie aansluit, kan deze gemakkelijk breken of een zekering doorslaan.

Leren werken met elektrisch potentieel omvat het leren gebruiken van de wet van Ohm en het leren toepassen van de spanningswet van Kirchhoff om spanningsdalingen over verschillende elementen in een circuit te bepalen. Het eenvoudigste is om de wet van Ohm toe te passen op een heel circuit.

Als een circuit wordt gevoed door een batterij van 12 V en in totaal 70 ohm weerstand heeft, wat is dan de stroom die door het circuit vloeit?

Hier hoef je alleen maar de wet van Ohm te herschikken om een ​​uitdrukking voor elektrische stroom te creëren. In de wet staat:

Het enige wat u hoeft te doen is beide zijden te delen doorRen omgekeerd om te krijgen:

Waarden invoegen geeft:

Dus de stroom is 0,1714 A, of 171,4 milliampère (mA).

Maar stel je nu voor dat deze weerstand van 70 is verdeeld over drie verschillende weerstanden in serie, met waarden van 20 Ω, 10 Ω en 40. Wat is de spanningsval over elk onderdeel?

Nogmaals, je kunt de wet van Ohm gebruiken om elke component om de beurt te bekijken, waarbij je de totale elektrische stroom rond het circuit van 0,1714 A noteert. V = IR gebruiken voor elk van de drie weerstanden om de beurt:

Voor het eerst:

De seconde:

En de derde:

Volgens de spanningswet van Kirchhoff moeten deze drie spanningsdalingen oplopen tot 12 V:

Dit is gelijk aan 12 V tot op twee decimalen, waarbij het kleine verschil te wijten is aan afrondingsfouten.

In de bespreking van het meten van spanning hierboven, werd opgemerkt dat spanningsdalingen over parallelle componenten in een circuit hetzelfde zijn. Dit wordt verklaard doorDe spanningswet van Kirchhoff, die stelt dat de som van alle spanningen (de positieve spanning van de stroombron en de spanning daalt van componenten) in een gesloten lus gelijk moet zijn aan nul​.

Voor een parallelle schakeling, met meerdere vertakkingen, kunt u zo'n lus maken, inclusief een van de parallelle vertakkingen en de batterij. Ongeacht de component op elke tak, de spanningsval over elke takmoetdaarom gelijk zijn aan de spanning die door de batterij wordt geleverd (de mogelijkheid van andere componenten in serie negeren, voor de eenvoud). Dit geldt voor alle takken, en dus zullen parallelle componenten altijd gelijke spanningsdalingen hebben.

De wet van Ohm kan ook worden uitgebreid om betrekking te hebben op macht (P), wat de snelheid van de energievoorziening is in joule per seconde (watt,W), en het blijkt dat P = IV.

Voor een circuitcomponent zoals een gloeilamp laat dit zien dat het vermogen dat het dissipeert (d.w.z. in licht verandert) afhangt van de spanning erover, waarbij hogere spanningen leiden tot een hoger uitgangsvermogen. In overeenstemming met de bespreking van parallelle componenten in het vorige gedeelte, gloeien meerdere parallel geplaatste gloeilampen helderder dan dezelfde geplaatste gloeilampen in serie, omdat de volledige batterijspanning over elke gloeilamp daalt wanneer ze parallel zijn aangesloten, terwijl slechts een derde dat doet wanneer ze zijn aangesloten serie.