Spänning: Definition, ekvation, enheter (med exempel)

Föreställ dig att vattnet rinner nedförsbacke genom ett rörsystem. Din intuition bör berätta vilka faktorer som skulle få vattnet att strömma snabbare och vad som skulle få det att flyta långsammare. Ju högre kulle desto snabbare kommer strömmen att vara och ju fler hinder i röret, desto långsammare kommer den att strömma.

Allt beror på enpotentiell energiskillnad​ ​mellan toppen av kullen och botten, eftersom vattnet har gravitationell potentiell energi på toppen av kullen och ingen när den når botten.

Detta är en bra analogi för elSpänning. På samma sätt, när det finns en elektrisk potentialskillnad mellan två punkter på en elektrisk krets, flyter elektrisk ström från en del av kretsen till en annan.

Precis som i vattenexemplet är den potentiella energidifferensen mellan de två punkterna (skapad av fördelningen av elektrisk laddning) det som skapar strömflödet. Naturligtvis har fysiker mer exakta definitioner än detta, och inlärningsekvationer som Ohms lag ger dig en bättre förståelse för spänning.

Spänning är namnet på en elektrisk potentialenergiskillnad mellan två punkter och definieras som den elektriska potentialenergin per laddningsenhet. Fastänelektrisk potentialär en mer exakt term, det faktum att SI-enheten med elektrisk potential är volt (V) betyder att den vanligen kallas spänning, särskilt när människor pratar om potentialskillnaden mellan polerna på ett batteri eller andra delar av en krets.

Definitionen kan skrivas matematiskt som:

VarVär den potentiella skillnaden,E​_el är den elektriska potentiella energin (i joule) ochqär laddningen (i coulombs). Från detta borde du kunna se att 1 V = 1 J / C, vilket innebär att en volt definieras som en joule per coulomb (dvs. per enhetsladdning). Ibland ser duEanvänds som symbol för spänning, eftersom en annan term för samma kvantitet är "elektromotorisk kraft" (EMF), men många källor använderVför att matcha den dagliga användningen av termen.

Volt tar sitt namn från den italienska fysikern Alessandro Volta, som är mest känd för att uppfinna det första elektriska batteriet (kallat "voltaisk hög").

Ovanstående ekvation är dock inte den vanligaste ekvationen för spänning, eftersom de flesta av när du stöter på termen kommer det att involvera en elektrisk krets och den mest användbara ekvationen för detta ärOhms lag. Detta relaterar spänningen till strömflödet i kretsen och motståndet mot strömflödet från ledningarna och komponenterna i kretsen och har formen:

VarVär den potentiella skillnaden i volt (V);Jagär strömflödet, med en enhet av ampere eller kort förstärkare (A); ochRär motståndet i ohm (Ω). I en överblick säger denna ekvation att för samma motstånd ger högre spänningar högre strömmar (analogt med att höja höjden på inledningen) och för samma spänning reduceras strömflödet för högre motstånd (analogt med hinder för rören i exempel). Om det inte finns någon spänningsskillnad kommer ingen ström att strömma.

Olika komponenter i en krets kommer att ha olikaspänningsfallöver dem, och du kan använda Ohms lag för att ta reda på vad de kommer att bli. I linje med Kirchhoffs spänningslag,summan av spänningsfall runt en hel slinga i en krets måste vara lika med noll​.

Spänningen över ett element i en elektrisk krets kan mätas med en voltmeter eller en multimeter, där den senare innehåller en voltmeter men också andra verktyg som en amperemeter (för att mäta ström). Du ansluter voltmätaren parallellt över elementet som mäts för att bestämma spänningsfallet mellan de två punkterna - anslut aldrig den i serie!

Analoga voltmetrar arbetar med en galvanometer (en enhet för att mäta små elektriska strömmar) i serie med ett högt ohm-motstånd, med galvanometern som innehåller en trådspole i ett magnetfält. När en ström flyter genom ledningen skapar den ett magnetfält som interagerar med det befintliga magnetfält för att få spolen att rotera, vilket sedan flyttar pekaren på enheten för att indikera Spänning.

Eftersom spolens rotation är proportionell mot strömmen och strömmen är i sin tur proportionellt mot spänningen (enligt Ohms lag), ju mer spolen roterar, desto större är spänningen mellan de två punkterna. Detta är mer komplicerat om du mäter växelström snarare än likström, men olika konstruktioner gör det också möjligt.

Du måste ansluta en voltmeter parallellt eftersom två parallella kretselement har samma spänning över sig. En voltmeter måste ha högt motstånd eftersom detta förhindrar att den drar för stor ström från huvudkretsen och därmed stör resultatet. Dessutom är voltmetrar inte konstruerade för att dra stora strömmar, så om du ansluter en i serie kan den lätt bryta eller spränga en säkring.

Att lära sig att arbeta med elektrisk potential innebär att lära sig att använda Ohms lag och lära sig att tillämpa Kirchhoffs spänningslag för att bestämma spänningsfall över olika element i en krets. Det enklaste att göra är att tillämpa Ohms lag på en hel krets.

Om en krets drivs av ett 12 V-batteri och har totalt 70 ohm motstånd, vilken ström strömmar genom kretsen?

Här behöver du helt enkelt ordna om Ohms lag för att skapa ett uttryck för elektrisk ström. Lagen säger:

Allt du behöver göra är att dela båda sidor medRoch backa för att få:

Att infoga värden ger:

Så strömmen är 0,1714 A, eller 171,4 milliampere (mA).

Men föreställ dig nu att detta 70 Ω motstånd är uppdelat över tre olika motstånd i serie, med värden på 20 Ω, 10 Ω och 40 Ω. Vad är spänningsfallet över varje komponent?

Återigen kan du använda Ohms lag för att titta på varje komponent i tur och ordning och notera den totala elektriska strömmen runt kretsen på 0,1714 A. Använda V = IR för vart och ett av de tre motstånden i tur och ordning:

För det första:

Den andra:

Och det tredje:

Enligt Kirchhoffs spänningslag bör dessa tre spänningsfall falla upp till 12 V:

Detta motsvarar 12 V till två decimaler, varvid den lilla avvikelsen beror på avrundningsfel.

I diskussionen om hur man mäter spänningen ovan noterades det att spänningsfall över parallella komponenter i en krets är desamma. Detta förklaras avKirchhoffs spänningslag, som anger att summan av alla spänningar (den positiva spänningen från strömkällan och spänningen sjunker från komponenter) i en sluten slinga måste vara lika med noll​.

För en parallell krets, med flera grenar, kan du skapa en sådan slinga inklusive vilken som helst av de parallella grenarna och batteriet. Oavsett komponenten på varje gren faller spänningen över vilken gren som helstmåstedärför vara lika med spänningen från batteriet (ignorerar möjligheten för andra komponenter i serie, för enkelhetens skull). Detta gäller för alla grenar, så parallella komponenter kommer alltid att ha lika spänningsfall över dem.

Ohms lag kan också utvidgas till att gälla makten (P), vilket är energiförsörjningshastigheten i joule per sekund (watt,W), och det visar sig att P = IV.

För en kretskomponent som en glödlampa visar detta att effekten den släpper ut (dvs förvandlas till ljus) beror på spänningen över den, med högre spänningar som leder till en högre effekt. I linje med diskussionen om parallella komponenter i föregående avsnitt glödar flera glödlampor parallellt ljusare än samma glödlampor som är ordnade i serie, eftersom den fulla batterispänningen sjunker över varje glödlampa när den är ansluten parallellt, medan bara en tredjedel av den gör när de är anslutna serier.