Beregning af potentialforskel (spænding):En praktisk vejledning til ingeniører og studerende

Af Jeffrey Ober | 21. april 2023 | 13:06 EST

Potentialforskel, almindeligvis omtalt som spænding, er drivkraften bag elektrisk strøm. En højere spænding skubber mere strøm gennem et kredsløb, ligesom en stejlere bakke tilskynder til en hurtigere rulning. I en lukket sløjfe er spænding den energi pr. ladningsenhed, der flytter en ladet partikel fra et punkt til et andet. Udtrykt i joule pr. coulomb er dens SI-enhed volt (V).

Matematisk er spænding defineret som:
V =E / Q =J / C

Her, E er den elektriske energi i joule (J) og Q er den elektriske ladning i coulombs (C). Spændingen bestemmer, hvor kraftigt en positiv ladning (eller en negativ ladning i den modsatte retning) skubbes over en given afstand.

TL;DR

Volt er opkaldt efter Alessandro Volta, en pioner inden for elektricitet og magnetisme.

Spænding kan også ses som kraft (newton), der virker over en afstand (meter). I denne forstand repræsenterer det det arbejde, der er udført for at flytte ladningen mellem to punkter.

Sådan beregnes potentiel forskel

I praktiske kredsløb måles spændingen typisk over et batteri, en modstand eller et hvilket som helst andet element. Batteriets potentialforskel mellem dets negative og positive poler sætter strømstrømmen. Modstanden begrænser til gengæld denne strømning og opretholder ligevægt.

Disse tre fundamentale størrelser – strøm (I), spænding (V) og modstand (R) – er bundet sammen af Ohms lov:

I =V / R

Hvad er aktuelt?

Strøm kvantificerer mængden af ladning, der passerer et punkt i sekundet, målt i ampere (A). En ampere er lig med en coulomb i sekundet. Selvom definitionen er cirkulær - en ampere er coulombs pr. sekund - tydeliggør denne repræsentation, at strøm er en reel, målbar ladningsstrøm.

Konventionel strøm antager, at positive ladninger bevæger sig fra batteriets positive pol til den negative. I virkeligheden rejser elektroner – negativt ladede partikler – i den modsatte retning, men begge beskrivelser afspejler den samme energioverførsel.

TL;DR

Elektrikere, ingeniører og videnskabsmænd bruger typisk et multimeter til at måle spænding, strøm og modstand i en enkelt enhed.

Elektrisk potentiale ved en enkelt opladning

Selv stationære ladninger genererer et elektrisk felt beskrevet af Coulombs lov:

E =kQ / r²

hvor Q er ladningen i coulombs, k er Coulombs konstant og r er afstanden fra ladningen i meter. Dette felts styrke giver os mulighed for at beregne den elektriske potentielle energi på et givet punkt.

TL;DR

Det samme forhold fører til den elektriske kraft mellem ladninger:F =Ækv. . Denne gren af fysikken er kendt som elektrostatik.

Ved hjælp af en testladning kan vi udlede det elektriske potentiale på grund af en punktladning:

V =kQ / r

I modsætning til det elektriske felt, som aftager med kvadratet af afstanden, falder potentialet lineært med afstanden.

Potentiel forskel i hverdagen

Spænding er hjørnestenen i moderne elektronik – strømudtag, bilbatterier, smartphones og belysning. I mere komplekse kredsløb former komponenter såsom kondensatorer (to plader adskilt af et dielektrikum) og induktorer strømmen af strøm for at opnå de ønskede effekter.

Desuden genererer bevægelige ladninger magnetiske felter, der forbinder elektrisk potentialforskel med det bredere elektromagnetiske spektrum. Dette samspil understøtter teknologier som radio, satellitkommunikation og trådløs strømoverførsel.