Spænding - Voltage

Spænding
AA AAA AAAA A23 batterisammenligning-1.jpg
Batterier er spændingskilder i mange elektriske kredsløb .
Fælles symboler
V ,V , U ,U
SI -enhed volt
I SI -basenheder kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
Afledninger fra
andre mængder
Spænding = Energi / ladning
Dimension M L 2 T −3 I −1

Spænding , elektrisk potentialforskel , elektrisk tryk eller elektrisk spænding er forskellen i elektrisk potentiale mellem to punkter, som (i et statisk elektrisk felt ) defineres som det arbejde, der er nødvendigt pr. Ladningsenhed for at flytte en testladning mellem de to punkter. I det internationale enhedssystem hedder den afledte enhed for spænding (potentialeforskel) volt . I SI -enheder udtrykkes arbejde pr . Enhedsladning som joule pr. Coulomb , hvor 1 volt = 1 joule (arbejde) pr. 1 coulomb (ladning). Den gamle SI -definition for volt brugt strøm og strøm ; Fra 1990 blev kvante Hall og Josephson -effekten brugt, og for nylig (2019) er der blevet introduceret grundlæggende fysiske konstanter til definitionen af ​​alle SI -enheder og afledte enheder. Spænding eller elektrisk potentialforskel betegnes symbolsk med , forenklet V eller U , for eksempel i forbindelse med Ohms eller Kirchhoffs kredslovlove .

Elektriske potentialeforskelle mellem punkter kan skyldes opbygning af elektrisk ladning (f.eks. En kondensator ) og fra en elektromotorisk kraft (f.eks. Elektromagnetisk induktion i generator , induktorer og transformere ). På en makroskopisk skala kan en potentiel forskel skyldes elektrokemiske processer (f.eks. Celler og batterier), den trykinducerede piezoelektriske effekt og varmeinducerede elektromotoriske kraft over metal-metal-kryds. Disse sidstnævnte processer på mikroskopisk niveau har den tidligere nævnte fysiske oprindelse.

Et voltmeter kan bruges til at måle spændingen (eller potentialeforskellen) mellem to punkter i et system. Ofte bruges et fælles referencepotentiale såsom systemets grund som et af punkterne. En spænding kan repræsentere enten en energikilde eller tab, spredning eller lagring af energi.

Definition

Der er flere nyttige måder at definere spænding på, herunder standarddefinitionen nævnt tidligere. Der er også andre nyttige definitioner af arbejde pr. Ladning (se § Galvani -potentiale vs. elektrokemisk potentiale ).

Spænding defineres således, at negativt ladede objekter trækkes mod højere spændinger, mens positivt ladede objekter trækkes mod lavere spændinger. Derfor flyder den konventionelle strøm i en ledning eller modstand altid fra højere spænding til lavere spænding.

Historisk set er der refereret til spænding ved hjælp af udtryk som "spænding" og "tryk". Selv i dag bruges udtrykket "spænding" stadig, for eksempel inden for udtrykket " høj spænding " (HT), som almindeligvis bruges i termionisk ventil ( vakuumrør ) baseret elektronik.

Definition inden for elektrostatik

Det elektriske felt omkring stangen udøver en kraft på den ladede pith -kugle i et elektroskop
I et statisk felt er arbejdet uafhængigt af stien

I elektrostatik er spændingsforøgelsen fra punkt til et punkt givet ved ændringen i elektrostatisk potentiale fra til . Per definition er dette:

I dette tilfælde er spændingsforøgelsen fra punkt A til punkt B lig med arbejdet pr. Ladningsenhed mod det elektriske felt for at flytte ladningen fra A til B uden at forårsage acceleration. Matematisk udtrykkes dette som linjeintegralet af det elektriske felt langs denne vej. I elektrostatik er denne linieintegral uafhængig af den vej, der er taget.

Under denne definition vil ethvert kredsløb, hvor der er tidsvarierende magnetfelter, såsom vekselstrømskredsløb , ikke have en veldefineret spænding mellem knudepunkter i kredsløbet, da den elektriske kraft ikke er en konservativ kraft i disse tilfælde. Men ved lavere frekvenser, når de elektriske og magnetiske felter ikke hurtigt ændrer sig, kan dette negligeres (se elektrostatisk tilnærmelse ).

Generalisering til elektrodynamik

Det elektriske potentiale kan generaliseres til elektrodynamik, så forskelle i elektrisk potentiale mellem punkter er veldefinerede, selv i nærvær af tidsvarierende felter. I modsætning til i elektrostatik kan det elektriske felt imidlertid ikke længere kun udtrykkes i form af det elektriske potentiale. Desuden vil betydningen og værdien af ​​potentielle forskelle afhænge af valget af måler .

I dette generelle tilfælde bruger nogle forfattere ordet "spænding" til at referere til det elektriske felts linjeintegral frem for forskelle i elektrisk potentiale. I dette tilfælde er spændingsstigningen langs en vej fra til givet af:

I dette tilfælde afhænger "spændingen" mellem to punkter imidlertid af den valgte vej.

Behandling i kredsløbsteori

I kredsløb analyse og elektroteknik , klumpet element modeller anvendes til at repræsentere og analysere kredsløb. Disse elementer er idealiserede og selvstændige kredsløbselementer, der bruges til at modellere fysiske komponenter.

Når man bruger en klumpet elementmodel, antages det, at virkningerne af skiftende magnetfelter frembragt af kredsløbet passende er indeholdt i hvert element. Under disse antagelser er det elektriske felt i det ydre område for hver komponent konservativt, og spændinger mellem knuder i kredsløbet er veldefinerede, hvor

så længe integrationsvejen ikke passerer ind i en komponent. Ovenstående er den samme formel, der bruges i elektrostatik. Denne integral, hvor integrationsvejen er langs testledningerne, er, hvad et voltmeter faktisk vil måle.

Hvis uindholdte magnetfelter i hele kredsløbet ikke er ubetydelige, kan deres virkninger modelleres ved at tilføje gensidige induktanselementer . I tilfælde af en fysisk induktor er den ideelle klumpede repræsentation dog ofte præcis. Dette skyldes, at induktorernes eksterne felter generelt er ubetydelige, især hvis induktoren har en lukket magnetisk vej . Hvis eksterne felter er ubetydelige, finder vi det

er stiuafhængig, og der er en veldefineret spænding over induktorens terminaler. Dette er grunden til, at målinger med et voltmeter over en induktor ofte er rimeligt uafhængige af placeringen af ​​testledningerne.

Volt

Volt (symbol: V ) er den afledte enhed for elektrisk potentiale , elektrisk potentialeforskel og elektromotorisk kraft . Volt'en er opkaldt til ære for den italienske fysiker Alessandro Volta (1745-1827), der opfandt den voltaiske bunke , muligvis det første kemiske batteri .

Hydraulisk analogi

En simpel analogi til en elektrisk kredsløb er vand, der flyder i et lukket kredsløb af rørledninger , der drives af en mekanisk pumpe . Dette kan kaldes et "vandkredsløb". Potentialeforskellen mellem to punkter svarer til trykforskellen mellem to punkter. Hvis pumpen skaber en trykforskel mellem to punkter, vil vand, der strømmer fra det ene punkt til det andet, kunne udføre arbejde, såsom at køre en turbine . På samme måde kan der udføres arbejde med en elektrisk strøm drevet af potentialforskellen fra et batteri . For eksempel kan spændingen fra et tilstrækkeligt opladet bilbatteri "skubbe" en stor strøm gennem viklingerne af en bils startmotor . Hvis pumpen ikke fungerer, producerer den ingen trykforskel, og turbinen roterer ikke. På samme måde, hvis bilens batteri er meget svagt eller "dødt" (eller "fladt"), vil det ikke dreje startmotoren.

Den hydrauliske analogi er en nyttig måde at forstå mange elektriske koncepter på. I et sådant system er det udførte arbejde at flytte vand er lig med " pres drop" (sammenlign pd) multipliceret med volumen af vand flyttet. På samme måde i et elektrisk kredsløb er arbejdet med at flytte elektroner eller andre ladningsbærere lig med "elektrisk trykforskel" ganget med mængden af ​​elektriske ladninger, der flyttes. I forhold til "flow", jo større "trykforskel" mellem to punkter (potentialeforskel eller vandtryksforskel), desto større strømning mellem dem (elektrisk strøm eller vandstrøm). (Se " elektrisk strøm ".)

Ansøgninger

Arbejde på højspænding elkabler

Angivelse af en spændingsmåling kræver eksplicit eller implicit specificering af de punkter, spændingen måles på tværs af. Når man bruger et voltmeter til at måle potentiel forskel, skal en elektrisk ledning af voltmeteret tilsluttes det første punkt, et til det andet punkt.

En almindelig brug af udtrykket "spænding" er til at beskrive spændingen faldet over en elektrisk enhed (såsom en modstand). Den Spændingsfaldet over anordningen kan forstås som forskellen mellem målingerne ved hver terminal af indretningen i forhold til et fælles referencepunkt (eller jorden ). Spændingsfaldet er forskellen mellem de to aflæsninger. To punkter i et elektrisk kredsløb, der er forbundet med en ideel leder uden modstand og ikke inden for et magnetisk felt, der ændrer sig, har en spænding på nul. To punkter med samme potentiale kan forbindes med en leder, og der vil ikke strømme strøm mellem dem.

Tilføjelse af spændinger

Spændingen mellem A og C er summen af spændingen mellem A og B , og spændingen mellem B og C . De forskellige spændinger i et kredsløb kan beregnes ved hjælp af Kirchhoffs kredslov .

Når man taler om vekselstrøm (AC), er der forskel mellem øjeblikkelig spænding og gennemsnitlig spænding. Øjeblikkelige spændinger kan tilføjes for jævnstrøm (DC) og AC, men gennemsnitlige spændinger kan kun tilføjes meningsfuldt, når de gælder for signaler, der alle har samme frekvens og fase.

Måleinstrumenter

Multimeter indstillet til måling af spænding

Instrumenter til måling af spændinger omfatter voltmeter , potentiometer og oscilloskop . Analoge voltmetre , såsom instrumenter med bevægelige spoler, arbejder ved at måle strømmen gennem en fast modstand, som ifølge Ohms lov er proportional med spændingen over modstanden. Potentiometeret virker ved at afbalancere den ukendte spænding mod en kendt spænding i et brokredsløb . Katodestråleoscilloskopet virker ved at forstærke spændingen og bruge den til at aflede en elektronstråle fra en lige sti, så afbøjningen af ​​strålen er proportional med spændingen.

Typiske spændinger

En almindelig spænding for lommelygtebatterier er 1,5 volt (DC). En almindelig spænding for bilbatterier er 12 volt (DC).

Almindelige spændinger leveret af strømselskaber til forbrugerne er 110 til 120 volt (AC) og 220 til 240 volt (AC). Spændingen i elektriske kraftoverførselsledninger, der bruges til at distribuere elektricitet fra kraftværker, kan være flere hundrede gange større end forbrugerspændinger, typisk 110 til 1200 kV (AC).

Spændingen, der bruges i luftledninger til at drive jernbanelokomotiver, er mellem 12 kV og 50 kV (AC) eller mellem 0,75 kV og 3 kV (DC).

Galvani potentiale vs. elektrokemisk potentiale

Inde i et ledende materiale påvirkes energien af ​​en elektron ikke kun af det gennemsnitlige elektriske potentiale, men også af det specifikke termiske og atomære miljø, det er i. Når et voltmeter er forbundet mellem to forskellige metaltyper, måler det ikke det elektrostatiske potentialeforskel, men i stedet noget andet, der påvirkes af termodynamik. Mængden målt ved et voltmeter er negativ for forskellen i elektronernes elektrokemiske potentiale ( Fermi -niveau ) divideret med elektronladningen og kaldes almindeligvis spændingsforskellen, mens det rene ujusterede elektrostatiske potentiale (ikke måles med et voltmeter) er undertiden kaldet Galvani -potentiale . Udtrykkene "spænding" og "elektrisk potentiale" er tvetydige, idet de i praksis kan henvise til begge disse i forskellige sammenhænge.

Historie

Udtrykket elektromotorisk kraft blev først brugt af Volta i et brev til Giovanni Aldini i 1798 og optrådte første gang i et offentliggjort papir i 1801 i Annales de chimie et de physique . Volta mente med dette en kraft, der ikke var en elektrostatisk kraft, specifikt en elektrokemisk kraft. Begrebet blev taget op af Michael Faraday i forbindelse med elektromagnetisk induktion i 1820'erne. Imidlertid var der ikke blevet udviklet en klar definition af spænding og metode til måling af den på dette tidspunkt. Volta adskilte elektromotorisk kraft (emf) fra spænding (potentialeforskel): den observerede potentialeforskel ved terminalerne i en elektrokemisk celle, da den var åben, skal nøjagtigt afbalancere cellens emf, så der ikke strømmer nogen strøm.

Se også

Referencer

  1. ^ a b International Bureau of Weights and Measures (2019-05-20), SI Brochure: The International System of Units (SI) (PDF) (9. udgave), ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ^ IEV: elektrisk potentiale
  3. ^ IEV: spænding
  4. ^ Demetrius T. Paris og F. Kenneth Hurd, grundlæggende elektromagnetisk teori , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN  0-07-048470-8 , s. 512, 546
  5. ^ P. Hammond, Elektromagnetisme for ingeniører , s. 135, Pergamon Press 1969 OCLC  854336 .
  6. ^ a b c d e Griffiths, David J. (1999). Introduktion til elektrodynamik (3. udgave). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
  7. ^ Månen, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Grundlaget for elektrodynamik . Dover Publications. s. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
  8. ^ a b c A. Agarwal & J. Lang (2007). "Kursusmateriale til 6.002 kredsløb og elektronik" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Hentet 4. december 2018 .
  9. ^ Bossavit, Alain (januar 2008). "Hvad måler voltmålere?". COMPEL - Det internationale tidsskrift for beregning og matematik i elektrisk og 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 . Hentet 2021-10-09 .
  11. ^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Grundlaget for elektrokemi . s. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  12. ^ a b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Elektromotorisk kraft: Voltas glemte koncept" , American Journal of Physics , bind. 48, iss. 5, s. 405–408, maj 1980.
  13. ^ CJ Brockman, "Oprindelsen til voltaisk elektricitet: Kontakten kontra kemisk teori før begrebet EMF blev udviklet" , Journal of Chemical Education , vol. 5, nej. 5, s. 549–555, maj 1928

Fodnoter

  1. ^ Dette følger af Maxwell-Faraday-ligningen : Hvis der er skiftende magnetfelter i et enkelt forbundet område, er krølningen af det elektriske felt i dette område ikke-nul, og som følge heraf er det elektriske felt ikke konservativt. For mere, se Konservativ kraft § Matematisk beskrivelse .
  2. ^ Denne erklæring gør et par antagelser om voltmeterets art (disse diskuteres i det citerede papir). En af disse antagelser er, at strømmen trukket af voltmeteret er ubetydelig.

eksterne links