Stromspannung

Stromspannung
AA AAA AAAA A23 battery comparison-1.jpg
Batterien sind Spannungsquellen in vielen Stromkreise.
Gemeinsame Symbole
V , V , U , U
SI-Einheit Volt
Im Si -Basiseinheiten kgoge2⋅S–3⋅a–1
Ableitungen von
Andere Mengen
Spannung = Energie / aufladen
Abmessungen M L2 T–3 I–1

Stromspannung, elektrische Potentialdifferenz, elektrischer Druck oder elektrische Spannung ist der Unterschied in elektrisches Potenzial zwischen zwei Punkten, die (in einer statischen elektrisches Feld) ist definiert als die Arbeit benötigt pro Ladungseinheit, um a zu bewegen Testgebühr zwischen den beiden Punkten. In dem Internationales System der Einheiten, das abgeleitete Einheit Für die Spannung (Potentialdifferenz) wird benannt Volt.[1]: 166 In SI -Einheiten wird die Arbeit pro Einheit Ladung ausgedrückt als Joule pro Coulomb, wobei 1 Volt = 1 Joule (der Arbeit) pro 1 Coulomb (der Ladung). Die alte SI -Definition für Volt Gebraucht Energie und aktuell; Ab 1990 die Quantenhalle und Josephson -Effekt wurden verwendet und kürzlich (2019) grundlegende physikalische Konstanten wurden zur Definition aller SI -Einheiten und abgeleiteten Einheiten eingeführt.[1]: 177f, 197f Spannung oder elektrische Potentialdifferenz wird symbolisch durch bezeichnet , vereinfacht V,[2] besonders in Englisch-speakende Länder oder internationale U,[3] zum Beispiel im Kontext von Ohm's oder Kirchhoffs Schaltungsgesetze.

Elektrische potenzielle Unterschiede zwischen Punkten können durch den Aufbau von verursacht werden elektrische Ladung (z. B. a Kondensator) und von einem elektromotorische Kraft (z.B., Elektromagnetische Induktion in Generator, Induktoren, und Transformer).[4][5] Auf einer makroskopischen Skala kann eine Potentialdifferenz durch elektrochemische Prozesse (z. B. Zellen und Batterien) verursacht werden, die druckinduzierte Drucke piezoelektrischer Effekt, und die Thermoelektrischer Effekt.

A Voltmeter Kann verwendet werden, um die Spannung (oder Potentialdifferenz) zwischen zwei Punkten in einem System zu messen. Oft ein gemeinsames Referenzpotential wie das Boden des Systems wird als einer der Punkte verwendet. Eine Spannung kann entweder eine Energiequelle oder den Verlust, die Verlust oder die Lagerung von Energie darstellen.

Definition

Es gibt mehrere nützliche Möglichkeiten, um Spannungen zu definieren, einschließlich der zuvor genannten Standarddefinition. Es gibt auch andere nützliche Definitionen von Arbeit pro Ladung (siehe § Galvani -Potential im Vergleich zu elektrochemischer Potential).

Die Spannung wird so definiert, dass negativ geladene Objekte zu höheren Spannungen gezogen werden, während positiv geladene Objekte in niedrigere Spannungen gezogen werden. deshalb, die Konventioneller Strom in einem Draht oder Widerstand Fließt immer von höherer Spannung zu niedrigerer Spannung.

In der Vergangenheit wurde die Spannung auf die Verwendung von Begriffen wie "Spannung" und "Druck" verwiesen. Noch heute wird der Begriff "Spannung" verwendet, zum Beispiel innerhalb der Phrase "Hochspannung"(HT), das üblicherweise in der thermionischen Klappe verwendet wird (Vakuumröhre) Basierte Elektronik.

Definition in der Elektrostatik

Das elektrische Feld um die Stange übt eine Kraft auf den geladenen Markkugel aus, in einem Elektroskop
In einem statischen Bereich ist die Arbeit unabhängig vom Weg

Im Elektrostatik, die Spannungszunahme vom Punkt Bis zu einem anderen Zeitpunkt wird durch die Änderung in gegeben elektrostatisches Potential aus zu . Per Definition,[6]: 78 das ist:

In diesem Fall entspricht die Spannungserhöhung von Punkt A bis Punkt B der Arbeit pro Ladung der Einheit gegenüber dem elektrischen Feld, um die Ladung von A nach B zu bewegen, ohne eine Beschleunigung zu verursachen.[6]: 90–91 Mathematisch wird dies als die ausgedrückt Linienintegral des elektrisches Feld auf diesem Weg. In der Elektrostatik ist dieses Linienintegral unabhängig vom Weg.[6]: 91

Unter dieser Definition jeder Schaltung, in der zeitlich variierende Magnetfelder vorhanden sind, wie z. AC -Schaltungen, hat keine genau definierte Spannung zwischen Knoten in der Schaltung, da die elektrische Kraft nicht a ist konservative Kraft In diesen Fällen.[Anmerkung 1] Bei niedrigeren Frequenzen, wenn sich die elektrischen und magnetischen Felder nicht schnell ändern, kann dies vernachlässigt werden (siehe elektrostatische Näherung).

Verallgemeinerung zur Elektrodynamik

Das elektrische Potential kann auf die Elektrodynamik verallgemeinert werden, so dass Unterschiede im elektrischen Potential zwischen den Punkten auch in Gegenwart zeitlich variierender Felder genau definiert sind. Im Gegensatz zu Elektrostatik kann das elektrische Feld jedoch nicht mehr nur in Bezug auf das elektrische Potential ausgedrückt werden.[6]: 417 Darüber hinaus ist das Potential nicht mehr eindeutig bis zu einer Konstante bestimmt und kann je nach Wahl von signifikant unterschiedlichen Formen annehmen Messgerät.[Anmerkung 2][6]: 419–422

In diesem allgemeinen Fall einige Autoren[7] Verwenden Sie das Wort "Spannung", um sich auf das Linienintegral des elektrischen Feldes zu beziehen und nicht auf Unterschiede im elektrischen Potential. In diesem Fall steigt die Spannung auf einem Pfad an aus zu wird gegeben durch:

In diesem Fall hängt die "Spannung" zwischen zwei Punkten jedoch vom Weg ab.

Behandlung in der Schaltungstheorie

Im Schaltungsanalyse und Elektrotechnik, MODELLE RURDED -Elemente werden verwendet, um Schaltungen darzustellen und zu analysieren. Diese Elemente sind idealisierte und in sich geschlossene Schaltungselemente, die zur Modellierung physikalischer Komponenten verwendet werden.[8]

Bei Verwendung eines Modells mit einem angeklammelten Element wird angenommen, dass die Auswirkungen der von der Schaltung erzeugten Auswirkungen von Magnetfeldern für jedes Element entsprechend enthalten sind.[8] Unter diesen Annahmen ist das elektrische Feld im Bereich von jeder Komponente konservativ, und Spannungen zwischen Knoten in der Schaltung sind gut definiert, wo[8]

Solange der Integrationsweg nicht durch die Innenseite einer Komponente verläuft. Die oben genannte ist dieselbe Formel, die in der Elektrostatik verwendet wird. Dieses Integral, wobei der Integrationsweg entlang der Testleitungen liegt, wird ein Voltmeter tatsächlich messen.[9][Notiz 3]

Wenn nicht in der gesamte Schaltung nicht verbundene Magnetfelder nicht vernachlässigbar sind, können ihre Effekte durch Hinzufügen modelliert werden gegenseitige Induktivität Elemente. Bei einem physischen Induktor ist jedoch häufig die ideale zusammengefasste Darstellung genau. Dies liegt daran Magnetischer Weg. Wenn externe Felder vernachlässigbar sind, finden wir das

ist Pfadunabhängiger und es gibt eine genau definierte Spannung über den Anschlüssen des Induktors.[10] Dies ist der Grund, warum Messungen mit einem Voltmeter über einen Induktor häufig unabhängig von der Platzierung der Testleitungen sind.

Volt

Das Volt (Symbol: V) ist der abgeleitete Einheit zum elektrisches Potenzial, elektrische Potentialdifferenz und elektromotorische Kraft. Der Volt wird zu Ehren des italienischen Physikers benannt Alessandro Volta (1745–1827), der das erfunden hat Voltaic Stapelmöglicherweise die erste Chemikalie Batterie.

Hydraulische Analogie

Eine einfache Analogie für eine Elektrischer Kreislauf fließt Wasser in einem geschlossenen Stromkreis von Rohrleitungen, angetrieben von einem mechanischen Pumpe. Dies kann als "Wasserkreis" bezeichnet werden. Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten entspricht der Druckunterschied zwischen zwei Punkten. Wenn die Pumpe einen Druckunterschied zwischen zwei Punkten erzeugt, kann Wasser von einem Punkt zum anderen arbeiten, z. B. das Fahren von a Turbine. In ähnlicher Weise kann die Arbeit von einem erledigt werden elektrischer Strom Angetrieben von der von a bereitgestellten Potentialdifferenz Batterie. Beispielsweise kann die Spannung, die durch eine ausreichend aufgeladene Automobilbatterie bereitgestellt wird, einen großen Strom durch die Wicklungen eines Automobils "drücken" Anlasser. Wenn die Pumpe nicht funktioniert, erzeugt sie keinen Druckunterschied, und die Turbine dreht sich nicht. Wenn die Batterie des Automobils sehr schwach oder "tot" (oder "flach") ist, dreht er den Startermotor nicht.

Die hydraulische Analogie ist eine nützliche Möglichkeit, viele elektrische Konzepte zu verstehen. In einem solchen System entspricht die Arbeit, um Wasser zu bewegen, dem "gleich"Druck Drop "(vergleiche p.d.) multipliziert mit dem Volumen von Wasser bewegt. In ähnlicher Weise ist in einem Stromkreis die Arbeiten zum Bewegen von Elektronen oder anderen Ladungsprägern der "elektrischen Druckdifferenz" multipliziert mit der Menge der bewegten elektrischen Ladungen. In Bezug auf "Fluss", je größer die "Druckdifferenz" zwischen zwei Punkten (Potentialdifferenz oder Wasserdruckdifferenz), desto größer ist der Fluss zwischen ihnen (elektrischer Strom oder Wasserfluss). (Sehen "elektrische Energie".)

Anwendungen

Arbeiten an Hochspannung Stromleitungen

Das Angeben einer Spannungsmessung erfordert eine explizite oder implizite Spezifikation der Punkte, über die die Spannung gemessen wird. Bei Verwendung eines Voltmeters zur Messung der Potentialdifferenz muss eine elektrische Blei des Voltmeteres an den ersten Punkt angeschlossen werden, einer mit dem zweiten Punkt.

Eine häufige Verwendung des Begriffs "Spannung" besteht darin, die Spannung zu beschreiben, die über ein elektrisches Gerät (z. B. einen Widerstand) gesunken ist. Das Spannungsabfall Über das Gerät über das Gerät kann als Differenz zwischen den Messungen an jedem Terminal des Geräts in Bezug auf einen gemeinsamen Referenzpunkt (oder) verstanden werden Boden). Der Spannungsabfall ist der Unterschied zwischen den beiden Messwerten. Zwei Punkte in einem elektrischen Stromkreis, die von einem idealen Leiter ohne Widerstand und nicht in einem änderenden Veränderungen verbunden sind Magnetfeld eine Spannung von Null haben. Zwei Punkte mit dem gleichen Potential können durch einen Leiter verbunden sein und kein Strom fließt zwischen ihnen.

Zugabe von Spannungen

Die Spannung zwischen A und C ist die Summe der Spannung zwischen A und B und die Spannung zwischen B und C. Die verschiedenen Spannungen in einer Schaltung können mithilfe von berechnet werden Kirchhoffs Schaltungsgesetze.

Wenn ich darüber spreche Wechselstrom (AC) Es gibt einen Unterschied zwischen der momentanen Spannung und der durchschnittlichen Spannung. Instantane Spannungen können für hinzugefügt werden Gleichstrom (DC) und Wechselstrom, aber durchschnittliche Spannungen können nur dann sinnvoll hinzugefügt werden, wenn sie für Signale gelten, die alle die gleiche Frequenz und Phase haben.

Messgeräte

Multimeter So eingestellt, um die Spannung zu messen

Instrumente zur Messung von Spannungen umfassen die Voltmeter, das Potentiometer, und die Oszilloskop. Analoge Voltmeter, wie z. B. Umzugsinstrumente, arbeiten, indem der Strom durch einen festen Widerstand gemessen wird, was nach Angaben nach Ohm'sches Gesetz, ist proportional zur Spannung über den Widerstand. Das Potentiometer wirkt, indem die unbekannte Spannung gegen eine bekannte Spannung in a Brückenkreis. Das Kathodenray-Oszilloskop funktioniert, indem die Spannung verstärkt und verwendet wird, um eine abzulenken Elektron Strahlen von einem geraden Pfad, so dass die Ablenkung des Strahls proportional zur Spannung ist.

Typische Spannungen

Eine gemeinsame Spannung für Taschenlampenbatterien IS 1,5 Volt (DC). Eine gemeinsame Spannung für Automobilbatterien IS 12 Volt (DC).

Gemeinsame Spannungen, die von Stromversorgungsunternehmen an Verbraucher geliefert werden, betragen 110 bis 120 Volt (AC) und 220 bis 240 Volt (AC). Die Spannung in Elektrisches Stromübertragung Linien, die zur Verteilung von Strom von Stromstationen verwendet werden, können mehrere hundertmal höher sein als Verbraucherspannungen, typischerweise 110 bis 1200 kV (AC).

Die Spannung in verwendet in Überkopfleitungen Die Lokomotiven der Eisenbahn liegt zwischen 12 kV und 50 kV (AC) oder zwischen 0,75 kV und 3 kV (DC).

Galvani -Potential gegen elektrochemisches Potential

In einem leitfähigen Material wird die Energie eines Elektrons nicht nur durch das durchschnittliche elektrische Potential, sondern auch von der spezifischen thermischen und atomaren Umgebung, in der es sich befindet, beeinflusst. Wenn a Voltmeter ist zwischen zwei verschiedenen Metalltypen verbunden, es misst nicht die elektrostatische Potentialdifferenz, sondern etwas anderes, das von der Thermodynamik beeinflusst wird.[11] Die von einem Voltmeter gemessene Menge ist das negative der Differenz der Differenz der elektrochemisches Potential von Elektronen (Fermi -Spiegel) geteilt durch die Elektronenladung und allgemein als Spannungsdifferenz bezeichnet, während die reinen Unanpassungen elektrostatisches Potential (mit einem Voltmeter nicht messbar) wird manchmal genannt Galvani potential. Die Begriffe "Spannung" und "elektrisches Potential" sind darin mehrdeutig, dass sie sich in der Praxis beziehen können entweder von diesen in verschiedenen Kontexten.

Geschichte

Der Begriff elektromotorische Kraft wurde zuerst von Volta in einem Brief an verwendet Giovanni Aldini 1798 und erschien erstmals 1801 in einem veröffentlichten Papier in Annales de Chimie et de Physique.[12]: 408 Volta meinte damit eine Kraft, die nicht eine war elektrostatisch insbesondere eine Kraft elektrochemisch Macht.[12]: 405 Der Begriff wurde von aufgenommen von Michael Faraday in Verbindung mit Elektromagnetische Induktion In den 1820er Jahren. Eine klare Definition von Spannung und Methode zur Messung wurde zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht entwickelt.[13]: 554 Volta unterschiedene elektromotive Kraft (EMF) von Spannung (Potentialdifferenz): Die beobachtete Potentialdifferenz an den Klemmen einer elektrochemischen Zelle, wenn es sich um einen offenen Schaltkreis handelte, muss die EMF der Zelle genau ausgleichen, so dass kein Strom floss.[12]: 405

Siehe auch

Verweise

  1. ^ a b Internationales Büro für Gewichte und Maßnahmen (2019-05-20), SI -Broschüre: Das internationale System der Einheiten (SI) (PDF) (9. Aufl.), ISBN 978-92-822-2272-0{{}}: CS1 Wartung: URL-Status (Link)
  2. ^ IEV: elektrisches Potenzial
  3. ^ IEV: Stromspannung
  4. ^ Demetrius T. Paris und F. Kenneth Hurd, Grundlegende elektromagnetische Theorie, McGraw-Hill, New York 1969, ISBN0-07-048470-8, S. 512, 546
  5. ^ P. Hammond, Elektromagnetismus für Ingenieure, p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336.
  6. ^ a b c d e Griffiths, David J. (1999). Einführung in die Elektrodynamik (3. Aufl.). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
  7. ^ Mond, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Grundlagen der Elektrodynamik. Dover Publications. p. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
  8. ^ a b c A. Agarwal & J. Lang (2007). "Kursmaterialien für 6.002 Schaltkreise und Elektronik" (PDF). MIT openCourseware. Abgerufen 4. Dezember 2018.
  9. ^ Bossavit, Alain (Januar 2008). "Was messen Voltmeter?". Compel - Das Internationale Journal für Berechnung und Mathematik in Elektrotechnik und Elektrotechnik. 27: 9–16. doi:10.1108/03321640810836582 - über ResearchGate.
  10. ^ Feynman, Richard; Leighton, Robert B.; Sand, Matthew. "Die Feynman Vorträge über Physik Vol. II Kap. 22: AC Circuits". Caltech. Abgerufen 2021-10-09.{{}}: CS1 Wartung: URL-Status (Link)
  11. ^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Grundlagen der Elektrochemie. p. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  12. ^ a b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Elektromotive Kraft: Voltas vergessenes Konzept", American Journal of Physics, vol. 48, ISS. 5, S. 405–408, Mai 1980.
  13. ^ C. J. Brockman, "Der Ursprung des Volta -Elektrizität: Der Kontakt gegen die chemische Theorie vor dem Konzept von E. M. F. wurde entwickelt", Journal of Chemical Education, vol. 5, nein. 5, S. 549–555, Mai 1928

Fußnoten

  1. ^ Dies folgt aus dem Maxwell-Faraday-Gleichung: Wenn es in einigen wechselnden Magnetfeldern vorliegt Einfach verbunden Region, dann die Locken des elektrischen Feldes in dieser Region ist ungleich Null, und infolgedessen ist das elektrische Feld nicht konservativ. Für mehr siehe Konservative Kraft § Mathematische Beschreibung.
  2. ^ Zum Beispiel in der Lorenz GaugeDas elektrische Potential ist a zurückgebliebenes Potenzial, was sich an der ausbreitet Lichtgeschwindigkeit; während in der Coulomb MesselDas potenzielle ändert sich sofort, wenn sich die Quellladungsverteilung ändert.
  3. ^ Diese Aussage macht einige Annahmen über die Art des Voltmeteres (diese werden im zitierten Papier erörtert). Eine dieser Annahmen ist, dass der vom Voltmeter gezogene Strom vernachlässigbar ist.

Externe Links