Spenning: Definisjon, ligning, enheter (m / eksempler)

Tenk deg vann som strømmer nedoverbakke gjennom et rørsystem. Intuisjonen din skal fortelle deg hvilke faktorer som vil få vannet til å strømme raskere og hva som vil få det til å strømme langsommere. Jo høyere bakken, desto raskere vil strømmen være, og jo flere hindringer i røret, jo langsommere vil den strømme.

Alt dette skyldes enpotensiell energiforskjell​ ​mellom toppen av bakken og bunnenfordi vannet har tyngdepotensialenergi på toppen av bakken og ingen når den når bunnen.

Dette er en flott analogi for elektriskSpenning. På samme måte, når det er en elektrisk potensialforskjell mellom to punkter på en elektrisk krets, strømmer elektrisk strøm fra en del av kretsen til en annen.

Akkurat som i vanneksemplet, er den potensielle energiforskjellen mellom de to punktene (skapt av fordelingen av elektrisk ladning) det som skaper strømmen. Naturligvis har fysikere mer presise definisjoner enn dette, og læringsligninger som Ohms lov gir deg en bedre forståelse av spenning.

Spenning er navnet på en elektrisk potensiell energiforskjell mellom to punkter, og den er definert som den elektriske potensielle energien per enhetsladning. Selv omelektrisk potensialer et mer nøyaktig begrep, det faktum at SI-enheten med elektrisk potensial er volt (V) betyr at det ofte kalles spenning, spesielt når folk snakker om potensialforskjellen mellom terminalene på et batteri eller andre deler av en krets.

Definisjonen kan skrives matematisk som:

HvorVer den potensielle forskjellen,E​_el er den elektriske potensielle energien (i joule) ogqer ladningen (i coulombs). Fra dette bør du kunne se at 1 V = 1 J / C, noe som betyr at en volt er definert som en joule per coulomb (dvs. per enhetsladning). Noen ganger får du seEbrukt som symbol for spenning, fordi et annet begrep for samme mengde er "elektromotorisk kraft" (EMF), men mange kilder brukerVfor å matche hverdagsbruk av begrepet.

Voltet har navnet sitt fra den italienske fysikeren Alessandro Volta, som er best kjent for å oppfinne det første elektriske batteriet (kalt “voltaisk haug”).

Likningen ovenfor er imidlertid ikke den mest brukte ligningen for spenning, fordi det meste av gang du møter begrepet vil det innebære en elektrisk krets, og den mest nyttige ligningen for dette erOhms lov. Dette relaterer spenningen til strømmen i kretsen og motstanden mot strømmen fra ledningene og komponentene i kretsen, og har formen:

HvorVer den potensielle forskjellen i volt (V);Jeger strømmen, med en enhet av amperen eller forsterkeren for kort (A); ogRer motstanden i ohm (Ω). Med et øyeblikk forteller denne ligningen deg at for den samme motstanden gir høyere spenninger høyere strømmer (analogt med å øke høyden på bakke i innledningen) og for samme spenning reduseres strømmen for høyere motstand (analog med hindringene til rørene i eksempel). Hvis det ikke er noen spenningsforskjell, vil ingen strøm strømme.

Ulike komponenter i en krets vil ha forskjelligespenningsfallover dem, og du kan bruke Ohms lov til å finne ut hva de vil være. I tråd med Kirchhoffs spenningslov,summen av spenningsfall rundt en hel sløyfe i en krets må være lik null​.

Spenningen over et element i en elektrisk krets kan måles med et voltmeter eller et multimeter, hvor sistnevnte inneholder et voltmeter, men også andre verktøy som et amperemeter (for å måle strøm). Du kobler voltmeteret parallelt over elementet som måles for å bestemme spenningsfallet mellom de to punktene - aldri koble det i serie!

Analoge voltmetere fungerer ved hjelp av et galvanometer (en enhet for måling av små elektriske strømmer) i serie med en motstand med høy ohm, med galvanometeret som inneholder en trådspole i et magnetfelt. Når en strøm strømmer gjennom ledningen, skaper den et magnetfelt som samhandler med det eksisterende magnetfelt for å få spolen til å rotere, som deretter beveger pekeren på enheten for å indikere Spenning.

Fordi rotasjonen av spolen er proporsjonal med strømmen, og strømmen er i sin tur proporsjonal med spenningen (ifølge Ohms lov), jo mer spolen roterer, jo større er spenningen mellom de to punktene. Dette er mer komplisert hvis du måler vekselstrøm i stedet for likestrøm, men forskjellige design gjør dette også mulig.

Du må koble et voltmeter parallelt fordi to parallelle kretselementer har samme spenning. Et voltmeter må ha høy motstand fordi dette forhindrer at det trekker for stor strøm fra hovedkretsen og derved forstyrrer resultatet. I tillegg er ikke voltmetere konstruert for å tegne store strømmer, så hvis du kobler en i serie, kan den lett knekke eller sprøyte en sikring.

Å lære å jobbe med elektrisk potensial innebærer å lære å bruke Ohms lov og lære å anvende Kirchhoffs spenningslov for å bestemme spenningsfall over forskjellige elementer i en krets. Den enkleste tingen å gjøre er å anvende Ohms lov på en hel krets.

Hvis en krets drives av et 12-V batteri og har totalt 70 ohm motstand, hva er strømmen som strømmer gjennom kretsen?

Her trenger du bare å omorganisere Ohms lov for å skape et uttrykk for elektrisk strøm. Loven sier:

Alt du trenger å gjøre er å dele begge sider medRog reverser for å få:

Å sette inn verdier gir:

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

Men forestill deg nå at denne 70 Ω motstanden er delt over tre forskjellige motstander i serie, med verdier på 20 Ω, 10 Ω og 40 Ω. Hva er spenningsfallet over hver komponent?

Igjen kan du bruke Ohms lov til å se på hver komponent etter tur og merke den totale elektriske strømmen rundt kretsen på 0,1714 A. Ved å bruke V = IR for hver av de tre motstandene i sin tur:

Først og fremst:

Den andre:

Og den tredje:

I følge Kirchhoffs spenningslov skal disse tre spenningsfallene legge opp til 12 V:

Dette tilsvarer 12 V til to desimaler, hvor den lille avviket skyldes avrundingsfeil.

I diskusjonen om hvordan man måler spenning ovenfor, ble det lagt merke til at spenningsfall over parallelle komponenter i en krets er de samme. Dette forklares medKirchhoffs spenningslov, som sier at summen av alle spenninger (den positive spenningen fra strømkilden og spenningen faller fra komponenter) i en lukket sløyfe må være lik null​.

For en parallell krets, med flere grener, kan du lage en slik løkke inkludert hvilken som helst av de parallelle grenene og batteriet. Uavhengig av komponenten på hver gren, faller spenningen over en hvilken som helst grenmåderfor være lik spenningen fra batteriet (ignorerer muligheten for andre komponenter i serie, for enkelhets skyld). Dette gjelder for alle grener, og så vil parallelle komponenter alltid ha like spenningsfall over dem.

Ohms lov kan også utvides til å forholde seg til makt (P), som er energiforsyningshastigheten i joule per sekund (watt,W), og det viser seg at P = IV.

For en kretskomponent som en lyspære, viser dette at kraften den forsvinner (dvs. blir til lys) avhenger av spenningen over den, med høyere spenninger som fører til høyere effekt. I tråd med diskusjonen om parallelle komponenter i forrige avsnitt gløder flere lyspærer parallelt lysere enn de samme pærene som er ordnet i serie, fordi full batterispenning faller over hver lyspære når den er koblet parallelt, mens bare en tredjedel av den gjør når de er koblet til serie.