elektrisk spenning
Store norske leksikon,Realfag,Fysikk,Elektromagnetisme
Elektrisk spenning er en fysisk størrelse som handler om elektrisitet, og som man kan måle mellom to punkter. Spenningen kan defineres som arbeidet som må utføres per ladningsenhet for å forskyve en ladning fra det ene punktet til det andre.
I elektrostatikken er dette arbeidet uavhengig av veien man velger. Da er spenning akkurat det samme som elektrisk potensialforskjell mellom de to punktene. Spenning for ladninger svarer da til høydeforskjeller (ganger tyngdeakselerasjon) for masser.Enheten for elektrisk spenning er volt, med symbol V. Spenning måles med voltmeter, oscilloskop eller elektrometer.I en elektrisk krets med en spenningskilde og en motstand med resistans, er spenningen U, resistansen R og strømmen I knyttet sammen i Ohms lov: \( I = U/R \). Spenningskilder Hvis en ledning kobles mellom to punkter med forskjellig potensial, vil elektronene i ledningen begynne å bevege seg. Det vil si at det går en elektrisk strøm i ledningen. Batterier (elektrokjemiske strømkilder) kan levere strøm med tilnærmet konstant spenning over lang tid.Spenningskilder har en elektromotorisk spenning, ofte forkortet ems, som sørger for at det går elektrisk strøm i en leder som spenningskilden er koplet til. Dette gjør det mulig å overføre energi fra en kilde til forbrukere.Det finnes mange typer spenningskilder, for eksempel kjemiske batterier, generatorer og solceller. I batterier omdannes kjemisk energi til elektrisk energi, i generatorer bevegelsesenergi til elektrisk energi og i solceller strålingsenergi til elektrisk energi. I et vannkraftverk starter prosessen med at potensiell energi i tyngdefeltet omdannes til bevegelsesenergi når vannet renner i rør ned mot en turbin og får økende fart. Likestrøm og vekselstrøm Noen spenningskilder, for eksempel batterier og solceller, gir strøm som går i samme retning hele tiden. Dette kalles likestrøm. Generatorer i kraftverk som lager spenning ved hjelp av induksjon, forårsaker derimot strøm som periodisk skifter retning. Dette kalles vekselstrøm. Symbolet for en likespenningskilde er vist i figur 1 og for en vekselspenningskilde i figur 2. Batterier Et batteri består av ett eller flere galvaniske elementer eller celler, med en bestemt cellespenning. Hver celle består av en positiv elektrode (med overskudd av protoner), en negativ elektrode (med overskudd av elektroner), og en elektrolytisk løsning samt elektrodeseparatorer plassert i et hensiktsmessig kar.Når cellen avgir elektrisk strøm, foregår det ved en kjemisk reaksjon; i form av oksidasjon ved den negative elektroden og en tilsvarende reduksjon ved den positive elektroden. Dette kalles en redoksreaksjon.Ved oksidasjonsprosessen ved anoden frigis elektroner, som så flyter til den ytre kretsen til katoden, motsatt av positiv strømretning. I katoden tas elektronene opp ved en kjemisk reduksjon. Den videre strømtransporten gjennom batteriet fra katode til anode foregår i form av transport av ioner i den elektrolytiske løsningen.De kjemiske reaksjonene skaper polaritet mellom elektrodene og omgivelsene, slik at løsningen rundt den negative anoden er positivt ladet, mens miljøet rundt katoden er negativt. Dette skaper en strøm av negative ioner fra katoden til anoden, og positive ioner den motsatte veien, slik at det blir en sluttet krets.Batterier kan være serie- eller parallellkoblet. Ved seriekobling kobles den positive polen på et element sammen med den negative polen på det neste. I en slik kobling blir batterispenningen lik summen av spenningen til de enkelte elementene. Ved parallellkobling kobles alle negative poler sammen og alle positive sammen. Spenningen blir da uforandret, men den indre motstanden blir mindre, slik at batteriet kan levere større strøm. Les mer under batteri. Elektrisk krets med batteri og resistans I figur 4 vises potensialfordelingen i en elektrisk krets med et batteri som har en ems på 12 volt og indre resistans på 3 ohm, og hvor det er koplet en motstand med resistans 5 ohm mellom polene på batteriet. Den totale resistansen er 8 ohm. Det følger derfor fra Ohms lov at strømmen er 12 volt/8 ohm = 1,5 ampere.Det er et indre spenningsfall på 3 ohm ganger 1,5 ampere = 4,5 volt i batteriet, så det har en polspenning på 12 volt – 4,5 volt = 7,5 volt. Spenningen over motstandstråden er 5 ohm ganger 1,5 ampere = 7,5 volt.Man kan tenke på potensialet som en høyde over havet (se nederste delen av figur 4). Batteriet «løfter» ladningene opp. I ledningene er det ingen motstand, så ladningene «triller» av seg selv, uten at det er nedoverbakke. I motstandene, derimot, er det motstand/friksjon, og det trengs «nedoverbakker» for å få bevegelse. Spenning i elektrodynamikk Spenning brukes både i elektrostatikk og i elektrodynamikk. I elektrostatikken er spenning akkurat det samme som potensialforskjell. I elektrodynamikken kan arbeidet som kreves når man flytter en ladning være avhengig av veien man velger. Derfor vil spenningen, slik den er definert ovenfor, være avhengig av veien. Hvis man måler spenningen mellom to punkter, vil altså resultatet kunne påvirkes av hvor ledningene plasseres. Dette skjer når det er varierende magnetfelt gjennom målekretsen.I vanlig kretsteori antar man at det magnetiske feltet holder seg inne i de elektroniske komponentene (slik som inne i spoler), og bare i liten grad er utenfor. Ved å bruke en vei utenfor komponentene vil da spenning være veldefinert. Dermed kan spenningsbegrepet brukes også når strømmene er tidsavhengige. Les mer i Store norske leksikon elektrisitet elektrisk potensial elektrisk energi Ohms lov