Spanning

Daar is verskeie nuttige maniere om spanning te definieer, insluitend die standaarddefinisie wat vroeër genoem is. Daar is ook ander nuttige definisies van werk per heffing (sien hierdie afdeling ).

Spanning word gedefinieer sodat voorwerpe wat negatief gelaai word na hoër spanning getrek word, terwyl positiewe voorwerpe na laer spanning getrek word. Daarom vloei die konvensionele stroom in 'n draad of weerstand altyd van hoër spanning na laer spanning.

Histories is daar verwys na spanning met terme soos "spanning" en "druk". Vandag nog word die term 'spanning' steeds gebruik, byvoorbeeld in die frase ' hoë spanning ' (HT) wat algemeen gebruik word in elektroniese gebaseerde termiese kleppe ( vakuumbuis ).

Definisie as potensiaal van elektriese veld

Die spanning neem toe vanaf punt ${\ displaystyle x_ {A}}$ tot op 'n sekere punt ${\ displaystyle x_ {B}}$ word gegee deur

${\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta V_ {AB} & = V (x_ {B}) - V (x_ {A}) \\ & = - \ int _ {r_ {0}} ^ {x_ { B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} - \ links (- \ int _ {r_ {0}} ^ {x_ {A}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ right) \\ & = - \ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ einde {belyn}}}$

Die elektriese veld rondom die staaf oefen 'n krag uit op die gelaaide bal in 'n elektroskoop

In hierdie geval is die spanningstoename van punt A na punt B gelyk aan die werk wat gedoen is per eenheidslading, teenoor die elektriese veld, om die lading van A na B te skuif sonder om enige versnelling te veroorsaak. Wiskundig word dit uitgedruk as die lynintegraal van die elektriese veld langs daardie pad. Onder hierdie definisie word die spanningsverskil tussen twee punte nie uniek gedefinieer as daar tydsveranderende magnetiese velde is nie, aangesien die elektriese krag in sulke gevalle nie 'n konserwatiewe krag is nie .

In 'n statiese veld is die werk onafhanklik van die pad

As hierdie definisie van spanning gebruik word, sal enige stroombaan met magnetiese velde wat wissel, ^{[noot 1]} , soos stroombane wat induktore bevat , nie 'n goed gedefinieerde spanning tussen die nodusse in die stroombaan hê nie. As magnetiese velde egter geskik is vir elke komponent, is die elektriese veld konserwatief in die buitekant van die gebied ^{[opmerking 2]} van die komponente, en die spanning is goed gedefinieër in die streek. ^[6] In hierdie geval blyk die spanning oor 'n induktor, ekstern gesien, te wees

${\ displaystyle U = \ Delta V = -L {\ frac {dI} {dt}}}$

ondanks die feit dat, binne die elektriese veld in die spoel nul is ^[6] (as ons aanvaar dat dit 'n perfekte geleier is).

Definisie via ontbinding van elektriese veld

Met behulp van bogenoemde definisie word die elektriese potensiaal nie gedefinieër wanneer magnetiese velde mettertyd verander nie. In fisika is dit soms nuttig om die elektriese potensiaal te veralgemeen deur slegs die konserwatiewe deel van die elektriese veld in ag te neem. Dit word gedoen deur die volgende ontbinding wat in die elektrodinamika gebruik word :

${\ displaystyle {\ vec {E}} = - \ nabla V - {\ frac {\ gedeeltelik {\ vec {A}}} {\ gedeeltelik t}}}$

waar ${\ displaystyle {\ vec {A}}}$is die magnetiese vektorpotensiaal . Bogenoemde ontbinding word geregverdig deur Helmholtz se stelling .

In hierdie geval neem die spanning toe vanaf ${\ displaystyle x_ {A}}$ aan ${\ displaystyle x_ {B}}$ word gegee deur

${\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta V_ {AB} & = - \ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {\ vec {E}} _ {\ mathrm {konserwatief}} \ cdot d {\ vec {l}} \\ & = - \ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} \ left ({\ vec {E}} + {\ frac {\ partial {\ vec {A}}} {\ gedeeltelik t}} \ regs) \ cdot d {\ vec {l}} \\ & = - \ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} ({\ vec { E}} - {\ vec {E}} _ {\ mathrm {induced}}) \ cdot d {\ vec {l}} \ end {align}}}$

waar ${\ displaystyle {\ vec {E}} _ {\ mathrm {induced}}}$is die rotasie-elektriese veld as gevolg van magnetiese velde wat wissel deur tyd. In hierdie geval word die spanning tussen punte altyd uniek gedefinieer.

Behandeling in stroombaanteorie

In stroombaanontleding en elektriese ingenieurswese word die spanning oor 'n induktor nie as nul of ongedefinieerd beskou nie, soos die standaarddefinisie sou voorstel. Dit is omdat elektriese ingenieurs 'n klomp-elementmodel gebruik om stroombane voor te stel en te ontleed.

Wanneer 'n enkel elementmodel gebruik word, word aanvaar dat daar geen magnetiese velde in die omgewing van die stroombaan is nie en dat die effekte daarvan vervat is in 'klontelemente', geïdealiseerde en selfstandige stroombaanelemente wat gebruik word om fisiese komponente te modelleer. . ^[7] As die aanname van weglaatbare gelekte velde te onakkuraat is, kan die gevolge daarvan deur parasitiese komponente gemodelleer word .

In die geval van 'n fisiese induktor, is die ideale klontvoorstelling dikwels akkuraat. Dit is omdat die lekke velde van die induktor oor die algemeen weglaatbaar is, veral as die induktor 'n toroid is . As gelekte velde weglaatbaar is, vind ons dit

${\ displaystyle \ int _ {\ mathrm {exterior}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} = - L {\ frac {dI} {dt}}}$

is baan-onafhanklik, en daar is 'n goed gedefinieerde spanning oor die terminale van die induktor. ^[6] Dit is die rede waarom metings met 'n voltmeter oor 'n induktor dikwels redelik onafhanklik is van die plasing van die toetsleidings.

Die volt (simbool: V ) is die afgeleide eenheid vir elektriese potensiaal , elektriese potensiaalverskil en elektromotoriese krag . Die volt is vernoem ter ere van die Italiaanse fisikus Alessandro Volta (1745–1827), wat die voltaïese stapel uitgevind het , moontlik die eerste chemiese battery .

'N Eenvoudige analogie vir 'n elektriese stroombaan is water wat in 'n geslote pypleiding stroom , aangedryf deur 'n meganiese pomp . Dit kan 'n "waterkringloop" genoem word. Potensiële verskil tussen twee punte stem ooreen met die drukverskil tussen twee punte. As die pomp 'n drukverskil tussen twee punte skep, kan water wat van die een punt na die ander vloei, werk verrig, soos om 'n turbine te bestuur . Net so kan werk gedoen word deur 'n elektriese stroom wat aangedryf word deur die potensiaalverskil wat deur 'n battery verskaf word . Die spanning wat deur 'n voldoende opgelaaide motorbattery voorsien word, kan byvoorbeeld 'n groot stroom deur die windings van 'n motor se aansittermotor "druk" . As die pomp nie werk nie, lewer dit geen drukverskil nie, en die turbine sal nie draai nie. As die motor se battery baie swak of "pap" (of "pap") is, sal dit nie die aansittermotor draai nie.

Die hidrouliese analogie is 'n nuttige manier om baie elektriese konsepte te verstaan. In so 'n stelsel, die werk wat gedoen is om water te beweeg, is gelyk aan die " druk drop" (vergelyk PD) vermenigvuldig met die volume van water beweeg. Net so, in 'n elektriese stroombaan is die werk wat gedoen word om elektrone of ander ladingdraers te beweeg, gelyk aan 'elektriese drukverskil' vermenigvuldig met die hoeveelheid elektriese ladings wat beweeg word. Hoe groter die "drukverskil" tussen twee punte (potensiaalverskil of waterdrukverskil) is, hoe groter is die vloei tussen hulle (elektriese stroom of watervloei). (Sien " elektriese krag ".)

Werk op 'n hoë spanning kraglyne

Om 'n spanningsmeting te spesifiseer, word eksplisiete of implisiete spesifikasies van die punte waaroor die spanning gemeet word, vereis. As u 'n voltmeter gebruik om die potensiaalverskil te meet, moet een elektriese kabel van die voltmeter op die eerste punt gekoppel word, een op die tweede punt.

'N Algemene gebruik van die term "spanning" is om die spanning wat oor 'n elektriese toestel (soos 'n weerstand) val, te beskryf. Die spanningsval oor die toestel kan verstaan ​​word as die verskil tussen metings by elke aansluiting van die toestel ten opsigte van 'n gemeenskaplike verwysingspunt (of aarde ). Die spanningsval is die verskil tussen die twee metings. Twee punte in 'n elektriese stroombaan wat deur 'n ideale geleier sonder weerstand verbind word en nie binne 'n veranderende magneetveld is nie, het 'n spanning van nul. Enige twee punte met dieselfde potensiaal kan deur 'n geleier verbind word en daar sal geen stroom tussen hulle vloei nie.

Toevoeging van spanning

Die spanning tussen A en C is die som van die spanning tussen 'n en B en die spanning tussen B en C . Die verskillende spannings in 'n stroombaan kan met behulp van Kirchhoff se stroomwette bereken word .

As daar van wisselstroom (AC) gepraat word , is daar 'n verskil tussen oombliklike spanning en gemiddelde spanning. Oombliklike spanning kan bygevoeg word vir gelykstroom (WS) en WS, maar gemiddelde spanning kan slegs betekenisvol bygevoeg word as dit van toepassing is op seine wat almal dieselfde frekwensie en fase het.

Multimeter stel om spanning te meet

Instrumente vir die meet van spanning sluit die voltmeter , die potensiometer en die ossilloskoop in . Analoog voltmeters , soos instrumente met bewegende spoel, werk deur die stroom deur 'n vaste weerstand te meet, wat volgens Ohm se wet eweredig is aan die spanning oor die weerstand. Die potensiometer werk deur die onbekende spanning teen 'n bekende spanning in 'n brugbaan te balanseer . Die katodestraaloscilloscoop werk deur die spanning te versterk en dit te gebruik om 'n elektronstraal van 'n reguit pad af te buig , sodat die afbuiging van die bundel eweredig is aan die spanning.

'N Algemene spanning vir flitsligbatterye is 1,5 volt (DC). 'N Algemene spanning vir motorbatterye is 12 volt (GS).

Gewone spannings wat kragondernemings aan verbruikers lewer, is 110 tot 120 volt en 220 tot 240 volt. Die spanning in transmissielyne vir elektriese krag wat gebruik word om elektrisiteit vanaf kragstasies te versprei, kan 'n paar honderd keer groter wees as verbruikerspannings, gewoonlik 110 tot 1200 kV (AC).

Die spanning wat in lugleiding gebruik word om spoorweglokomotiewe aan te dryf, is tussen 12 kV en 50 kV (AC) of tussen 0,75 kV en 3 kV (DC).

Binne 'n geleidende materiaal word die energie van 'n elektron nie net beïnvloed deur die gemiddelde elektriese potensiaal nie, maar ook deur die spesifieke termiese en atoomomgewing waarin dit is. As 'n voltmeter tussen twee verskillende soorte metaal verbind word, meet dit nie die elektrostatiese potensiaalverskil, maar eerder iets anders wat deur termodinamika beïnvloed word. ^[8] Die hoeveelheid wat deur 'n voltmeter gemeet word, is die negatiewe van die verskil tussen die elektrochemiese potensiaal van elektrone ( Fermi-vlak ) gedeel deur die elektronlading en gewoonlik die spanningsverskil genoem, terwyl die suiwer onaangepaste elektrostatiese potensiaal (nie meetbaar met 'n voltmeter) word soms Galvani-potensiaal genoem . Die terme "spanning" en "elektriese potensiaal" is dubbelsinnig deurdat dit in die praktyk na een van die twee in verskillende kontekste kan verwys .

Die term elektromotoriese krag word vir die eerste keer deur Volta gebruik in 'n brief aan Giovanni Aldini in 1798, en verskyn die eerste keer in 'n gepubliseerde artikel in 1801 in Annales de chimie et de physique . ^{[9] : 408} Volta bedoel hiermee 'n krag wat nie 'n elektrostatiese krag was nie , spesifiek 'n elektrochemiese krag. ^{[9] : 405} Die term is opgeneem deur Michael Faraday in verband met elektromagnetiese induksie in die 1820's. 'N Duidelike definisie van spanning en metode om dit te meet is egter nog nie ontwikkel nie. ^{[10] : 554} Volta onderskei elektromotoriese krag (emk) van spanning (potensiaalverskil): die waargenome potensiaalverskil aan die terminale van 'n elektrochemiese sel as dit 'n oop stroombaan is, moet die emk van die sel presies balanseer sodat geen stroom vloei nie. ^{[9] : 405}

• Elektriese spanning V , stroom I , weerstand R , impedansie Z , watt P