Spänning - Voltage

Spänning
AA AAA AAAA A23 batteri jämförelse-1.jpg
Batterier är spänningskällor i många elektriska kretsar .
Vanliga symboler
V ,V , U ,U
SI -enhet volt
I SI -basenheter kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
Avledningar från
andra mängder
Spänning = Energi / laddning
Dimensionera M L 2 T −3 I −1

Spänning , elektrisk potentialskillnad , elektrisk tryck eller elektrisk spänning är skillnaden i elektrisk potential mellan två punkter, som (i ett statiskt elektriskt fält ) definieras som det arbete som behövs per laddningsenhet för att flytta en testladdning mellan de två punkterna. I det internationella enhetssystemet heter den härledda enheten för spänning (potentialskillnad) volt . I SI -enheter uttrycks arbete per laddningsenhet som joule per coulomb , där 1 volt = 1 joule (arbete) per 1 coulomb (laddning). Den gamla SI -definitionen för volt används effekt och ström ; från 1990 användes quantum Hall och Josephson -effekten , och nyligen (2019) har grundläggande fysiska konstanter införts för definitionen av alla SI -enheter och härledda enheter. Spänning eller elektrisk potentialskillnad betecknas symboliskt med , förenklat V eller U , till exempel i samband med Ohms eller Kirchhoffs kretslagar .

Elektriska potentialskillnader mellan punkter kan orsakas av uppbyggnad av elektrisk laddning (t.ex. en kondensator ) och från en elektromotorisk kraft (t.ex. elektromagnetisk induktion i generator , induktorer och transformatorer ). På en makroskopisk skala kan en potentialskillnad orsakas av elektrokemiska processer (t.ex. celler och batterier), den tryckinducerade piezoelektriska effekten och värmeinducerad elektromotorisk kraft över metall-metallkorsningar. Dessa senare processer på mikroskopisk nivå har det tidigare nämnda fysiska ursprunget.

En voltmeter kan användas för att mäta spänningen (eller potentialskillnaden) mellan två punkter i ett system. Ofta används en gemensam referenspotential som systemets mark som en av punkterna. En spänning kan representera antingen en energikälla eller förlust, avledning eller lagring av energi.

Definition

Det finns flera användbara sätt att definiera spänning, inklusive standarddefinitionen som nämnts tidigare. Det finns också andra användbara definitioner av arbete per laddning (se § Galvanipotential mot elektrokemisk potential ).

Spänning definieras så att negativt laddade objekt dras mot högre spänningar, medan positivt laddade objekt dras mot lägre spänningar. Därför flyter den konventionella strömmen i en tråd eller ett motstånd alltid från högre spänning till lägre spänning.

Historiskt sett har spänning hänvisats till med hjälp av termer som "spänning" och "tryck". Än idag används termen "spänning" fortfarande, till exempel inom frasen " högspänning " (HT) som vanligtvis används i termionisk ventil ( vakuumrör ) baserad elektronik.

Definition i elektrostatik

Det elektriska fältet runt stången utövar en kraft på den laddade gropkulan, i ett elektroskop
I ett statiskt fält är arbetet oberoende av vägen

I elektrostatik ges spänningsökningen från punkt till någon punkt av förändringen i elektrostatisk potential från till . Per definition är detta:

I detta fall är spänningsökningen från punkt A till punkt B lika med arbetet per laddningsenhet, mot det elektriska fältet, för att flytta laddningen från A till B utan att orsaka någon acceleration. Matematiskt uttrycks detta som linjeintegralen för det elektriska fältet längs den vägen. Inom elektrostatik är denna linjeintegral oberoende av den väg som tas.

Enligt denna definition kommer varje krets där det finns tidsvarierande magnetfält, såsom växelströmskretsar , inte att ha en väldefinierad spänning mellan noder i kretsen, eftersom den elektriska kraften inte är en konservativ kraft i dessa fall. Men vid lägre frekvenser när de elektriska och magnetiska fälten inte snabbt förändras, kan detta försummas (se elektrostatisk approximation ).

Generalisering till elektrodynamik

Den elektriska potentialen kan generaliseras till elektrodynamik, så att skillnader i elektrisk potential mellan punkterna är väldefinierade även i närvaro av tidsvarierande fält. Men till skillnad från elektrostatik kan det elektriska fältet inte längre uttryckas endast i termer av elektrisk potential. Vidare kommer betydelsen och värdet av potentiella skillnader att bero på valet av mätare .

I detta allmänna fall använder vissa författare ordet "spänning" för att referera till det elektriska fältets linjeintegral, snarare än till skillnader i elektrisk potential. I detta fall ges spänningsökningen längs någon väg från till av:

Men i detta fall beror "spänningen" mellan två punkter på den väg som tas.

Behandling i kretsteori

I kretsanalys och elektroteknik används klumpade elementmodeller för att representera och analysera kretsar. Dessa element är idealiserade och fristående kretselement som används för att modellera fysiska komponenter.

När man använder en klumpad elementmodell antas det att effekterna av förändrade magnetfält som alstras av kretsen lämpligen innehåller varje element. Enligt dessa antaganden är det elektriska fältet i området utanför till varje komponent konservativt, och spänningar mellan noder i kretsen är väldefinierade, där

så länge integrationsvägen inte går igenom insidan av någon komponent. Ovanstående är samma formel som används i elektrostatik. Denna integral, med integrationsvägen längs testledningarna, är vad en voltmeter faktiskt kommer att mäta.

Om okontakterade magnetfält i hela kretsen inte är försumbara, kan deras effekter modelleras genom att lägga till ömsesidiga induktanselement . När det gäller en fysisk induktor är den ideala klumpade representationen dock ofta korrekt. Detta beror på att induktornas yttre fält i allmänhet är försumbara, särskilt om induktorn har en stängd magnetisk väg . Om externa fält är försumbara finner vi det

är vägoberoende och det finns en väldefinierad spänning över induktorns terminaler. Detta är anledningen till att mätningar med en voltmeter över en induktor ofta är någorlunda oberoende av placeringen av testledningarna.

Volt

Volt (symbol: V ) är den härledda enheten för elektrisk potential , elektrisk potentialskillnad och elektromotorisk kraft . Voltn heter till den italienska fysikern Alessandro Volta (1745–1827), som uppfann den voltaiska högen , möjligen det första kemiska batteriet .

Hydraulisk analogi

En enkel analogi för en elektrisk krets är vatten som flödar i en sluten krets av rörledningar , driven av en mekanisk pump . Detta kan kallas en "vattenkrets". Potentialskillnaden mellan två punkter motsvarar tryckskillnaden mellan två punkter. Om pumpen skapar en tryckskillnad mellan två punkter, kommer vatten som rinner från en punkt till den andra att kunna fungera, till exempel att köra en turbin . På samma sätt kan arbete utföras med en elektrisk ström som drivs av potentialskillnaden från ett batteri . Till exempel kan spänningen från ett tillräckligt laddat bilbatteri "skjuta" en stor ström genom lindningarna på en bils startmotor . Om pumpen inte fungerar ger den ingen tryckskillnad och turbinen roterar inte. På samma sätt, om bilens batteri är mycket svagt eller "dött" (eller "urladdat"), kommer det inte att starta startmotorn.

Den hydrauliska analogin är ett användbart sätt att förstå många elektriska koncept. I ett sådant system, är lika med "det arbete som utförs för att flytta vatten tryck droppe" (jämför pd) multiplicerat med volymen av vatten flyttas. På samma sätt, i en elektrisk krets, är arbetet som utförs för att flytta elektroner eller andra laddningsbärare lika med "elektrisk tryckskillnad" multiplicerat med mängden elektriska laddningar som flyttas. I förhållande till "flöde", ju större "tryckskillnad" mellan två punkter (potentialskillnad eller vattentrycksskillnad), desto större flöde mellan dem (elektrisk ström eller vattenflöde). (Se " elektrisk kraft ".)

Ansökningar

Arbetar på högspänningskraftledningar

Att specificera en spänningsmätning kräver en uttrycklig eller implicit specifikation av de punkter över vilka spänningen mäts. När man använder en voltmeter för att mäta potentialskillnaden måste en elektrisk ledning på voltmetern vara ansluten till den första punkten, en till den andra punkten.

En vanlig användning av termen "spänning" är att beskriva spänningen som sjunker över en elektrisk enhet (t.ex. ett motstånd). Den spänningsfallet över anordningen kan förstås som skillnaden mellan mätningarna vid varje terminal av anordningen med avseende på en gemensam referenspunkt (eller marken ). Spänningsfallet är skillnaden mellan de två avläsningarna. Två punkter i en elektrisk krets som är anslutna med en idealisk ledare utan motstånd och inte inom ett föränderligt magnetfält har en spänning på noll. Alla två punkter med samma potential kan anslutas av en ledare och ingen ström kommer att flöda mellan dem.

Tillägg av spänningar

Spänningen mellan A och C är summan av spänningen mellan A och B och spänningen mellan B och C . De olika spänningarna i en krets kan beräknas med Kirchhoffs kretslagar .

När man talar om växelström (AC) finns det en skillnad mellan momentan spänning och medelspänning. Instantana spänningar kan läggas till för likström (DC) och AC, men genomsnittsspänningar kan meningsfullt bara läggas till när de gäller signaler som alla har samma frekvens och fas.

Mätinstrument

Multimeter inställd för att mäta spänning

Instrument för mätning av spänningar inkluderar voltmeter , potentiometer och oscilloskop . Analoga voltmetrar , till exempel rörelsespoleinstrument, fungerar genom att mäta strömmen genom ett fast motstånd, vilket enligt Ohms lag är proportionellt mot spänningen över motståndet. Potentiometern fungerar genom att balansera den okända spänningen mot en känd spänning i en bryggkrets . Katodstråleoscilloskopet fungerar genom att förstärka spänningen och använda den för att avleda en elektronstråle från en rak väg, så att avböjningen av strålen är proportionell mot spänningen.

Typiska spänningar

En vanlig spänning för ficklampa batterier är 1,5 volt (DC). En vanlig spänning för bilbatterier är 12 volt (DC).

Vanliga spänningar som levereras av kraftföretag till konsumenterna är 110 till 120 volt (AC) och 220 till 240 volt (AC). Spänningen i elektriska kraftöverföringsledningar som används för att distribuera elektricitet från kraftstationer kan vara flera hundra gånger större än konsumentspänningar, vanligtvis 110 till 1200 kV (AC).

Spänningen som används i luftledningar för att driva järnvägslok är mellan 12 kV och 50 kV (AC) eller mellan 0,75 kV och 3 kV (DC).

Galvanipotential mot elektrokemisk potential

Inuti ett ledande material påverkas energin i en elektron inte bara av den genomsnittliga elektriska potentialen utan också av den specifika termiska och atommiljö som den befinner sig i. När en voltmeter är ansluten mellan två olika metalltyper mäter den inte den elektrostatiska potentialskillnad, men istället något annat som påverkas av termodynamik. Mängden som mäts av en voltmeter är negativ för skillnaden mellan elektronernas elektrokemiska potential ( Fermi -nivå ) dividerat med elektronladdningen och kallas vanligtvis spänningsskillnaden, medan den rena ojusterade elektrostatiska potentialen (inte mätbar med en voltmeter) är kallas ibland för Galvanipotential . Termerna "spänning" och "elektrisk potential" är tvetydiga genom att de i praktiken kan hänvisa till någon av dessa i olika sammanhang.

Historia

Uttrycket elektromotorisk kraft användes först av Volta i ett brev till Giovanni Aldini 1798 och uppträdde först i en publicerad tidning 1801 i Annales de chimie et de physique . Volta menade med detta en kraft som inte var en elektrostatisk kraft, specifikt en elektrokemisk kraft. Termen togs upp av Michael Faraday i samband med elektromagnetisk induktion på 1820 -talet. En tydlig definition av spänning och mätmetod hade dock inte utvecklats vid denna tidpunkt. Volta utmärkte elektromotorisk kraft (emf) från spänning (potentialskillnad): den observerade potentialskillnaden vid terminalerna i en elektrokemisk cell när den var öppen krets måste exakt balansera cellens emf så att ingen ström flödade.

Se även

Referenser

  1. ^ a b International Bureau of Weights and Measures (2019-05-20), SI Broschyr: The International System of Units (SI) (PDF) (9: e upplagan), ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ^ IEV: elektrisk potential
  3. ^ IEV: spänning
  4. ^ Demetrius T. Paris och F. Kenneth Hurd, grundläggande elektromagnetisk teori , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN  0-07-048470-8 , s. 512, 546
  5. ^ P. Hammond, Elektromagnetism för ingenjörer , s. 135, Pergamon Press 1969 OCLC  854336 .
  6. ^ a b c d e Griffiths, David J. (1999). Introduktion till elektrodynamik (3: e upplagan). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
  7. ^ Moon, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Grunden för elektrodynamik . Dover Publications. sid. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
  8. ^ a b c A. Agarwal & J. Lang (2007). "Kursmaterial för 6.002 kretsar och elektronik" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Hämtad 4 december 2018 .
  9. ^ Bossavit, Alain (januari 2008). "Vad mäter voltmätare?". COMPEL - Den internationella tidskriften för beräkning och matematik inom elektrisk och elektronisk teknik . doi : 10.1108/03321640810836582 - via ResearchGate.
  10. ^ Feynman, Richard; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew. "The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 22: AC Circuits" . Caltech . Hämtad 2021-10-09 .
  11. ^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Grundläggande elektrokemi . sid. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  12. ^ a b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Elektromotorisk kraft: Voltas bortglömda koncept" , American Journal of Physics , vol. 48, iss. 5, s. 405–408, maj 1980.
  13. ^ CJ Brockman, "Ursprunget till voltaisk elektricitet: kontakten kontra kemisk teori innan begreppet EMF utvecklades" , Journal of Chemical Education , vol. 5, nej. 5, s. 549–555, maj 1928

Fotnoter

  1. ^ Detta följer av Maxwell-Faraday-ekvationen : Om det finns förändrade magnetfält i något enkelt anslutet område, så ärdet elektriska fältets krullning i det området icke-noll, och som ett resultat är det elektriska fältet inte konservativt. För mer, se Konservativ kraft § Matematisk beskrivning .
  2. ^ Detta uttalande gör några antaganden om voltmeterns beskaffenhet (dessa diskuteras i det citerade dokumentet). Ett av dessa antaganden är att strömmen som dras av voltmätaren är försumbar.

externa länkar