Spannung: Was ist das?

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Feld: Grundlagen der Elektrotechnik

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Was ist Spannung?

Spannung (auch als elektrisches Potentialdifferenz, elektromotorische Kraft emf, elektrischer Druck oder elektrische Spannung bezeichnet) wird definiert als die elektrische Potentialdifferenz pro Einheit Ladung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld. Spannung wird mathematisch (d.h. in Formeln) mit dem Symbol „V“ oder „E“ ausgedrückt.

Wenn Sie eine intuitivere Erklärung suchen, um zu verstehen, was Spannung ist, springen Sie zu diesem Abschnitt des Artikels.

Andernfalls fahren wir unten mit einer formalen Definition der Spannung fort.

In einem statischen elektrischen Feld wird die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Einheit Ladung zwischen zwei Punkten zu bewegen, als Spannung bezeichnet. Mathematisch kann die Spannung ausgedrückt werden als,

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

Dabei ist die verrichtete Arbeit in Joule und die Ladung in Coulomb.

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

Wir können Spannung als die Menge an potentieller Energie zwischen zwei Punkten in einem Schaltkreis definieren.

Ein Punkt hat ein höheres Potential und die anderen Punkte haben ein niedrigeres Potential. Der Unterschied im Ladungszustand zwischen dem höheren und dem niedrigeren Potential wird als Spannung oder Potenzialdifferenz bezeichnet.

Die Spannung oder Potenzialdifferenz gibt den Elektronen die Kraft, durch den Schaltkreis zu fließen.

Je höher die Spannung, desto größer die Kraft und daher desto mehr Elektronen fließen durch den Schaltkreis. Ohne Spannung oder Potenzialdifferenz würden Elektronen zufällig im freien Raum bewegen.

Spannung wird manchmal auch als „elektrische Spannung“ bezeichnet. Zum Beispiel werden die Spannungsbelastbarkeiten von Kabeln wie 1 kV, 11 kV und 33 kV als Niederspannung, Hochspannung und Überspannung bezeichnet.

Definition der Potenzialdifferenz als Potenzial des elektrischen Feldes

Wie bereits erwähnt, wird Spannung als das elektrische Potenzialdifferenz pro Einheitsladung zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld definiert. Lassen Sie uns dies mit Gleichungen beschreiben.

Betrachten wir zwei Punkte A und B.

Das Potenzial des Punktes A in Bezug auf Punkt B ist definiert als die Arbeit, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von Punkt A nach B im Vorhandensein des elektrischen Feldes E zu bewegen.

Mathematisch kann dies ausgedrückt werden als,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

Dies ist auch die Potenzialdifferenz zwischen den Punkten A und B, wobei Punkt B als Referenzpunkt dient. Es kann auch ausgedrückt werden als,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

Spannung ist ein Konzept, das auf konzeptioneller Ebene schwierig zu verstehen sein kann.

Daher werden wir eine Analogie zu etwas Greifbarem—etwas in der realen Welt—verwenden, um Spannung leichter verständlich zu machen.

Spannung durch Analogie

Die „Hydraulische Analogie“ ist eine häufig verwendete Analogie, um Spannung zu erklären.

In der hydraulischen Analogie:

Die Spannung oder elektrische Potentialdifferenz entspricht dem hydraulischen Wasserdruck
Der elektrische Strom entspricht dem hydraulischen Wasserdurchfluss
Die elektrische Ladung entspricht einer Menge an Wasser
Ein elektrischer Leiter entspricht einem Rohr

Analogie 1

Betrachten Sie einen Wassertank, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Abbildung (a) zeigt zwei Tanks, die mit dem gleichen Wasserstand gefüllt sind. Daher kann kein Wasser von einem Tank in den anderen fließen, da es keinen Druckunterschied gibt.

Nun zeigt Abbildung (b) zwei Tanks mit unterschiedlichen Wasserständen. Daher besteht ein Druckunterschied zwischen diesen beiden Tanks. Somit fließt das Wasser von einem Tank in den anderen, bis der Wasserstand in beiden Tanks gleich ist.

Ähnlich verhält es sich, wenn wir durch einen Leiter zwei Batterien mit unterschiedlichen Spannungen verbinden. Dann können Ladungen von der Batterie mit dem höheren Potential zur Batterie mit dem niedrigeren Potential fließen. Die Batterie mit dem niedrigeren Potential wird aufgeladen, bis das Potential beider Batterien gleich ist.

Analogie 2

Stellen Sie sich einen Wassertank vor, der in einer bestimmten Höhe über dem Boden platziert ist.

Der Wasserdruk am Ende des Schlauchs entspricht der Spannung oder dem Potenzialunterschied in einem elektrischen Schaltkreis. Das Wasser im Tank entspricht der elektrischen Ladung. Wenn wir die Menge an Wasser im Tank erhöhen, wird am Ende des Schlauchs ein größerer Druck entstehen.

Umgekehrt, wenn wir eine bestimmte Menge Wasser aus dem Tank ablassen, wird der Druck, der am Ende des Schlauchs entsteht, abnehmen. Wir können diesen Wassertank als eine Speicherbatterie betrachten. Wenn die Spannung der Batterie abnimmt, werden die Lampen schwächer.

Analogie 3

Lassen Sie uns verstehen, wie Arbeit durch Spannung oder Potenzialunterschied in einem elektrischen Schaltkreis geleistet werden kann. Der elektrische Schaltkreis ist in der unten stehenden Abbildung dargestellt.

Wie in der hydraulischen Wasserleitung gezeigt, fließt Wasser durch eine Rohrleitung, die von einer mechanischen Pumpe angetrieben wird. Eine Rohrleitung entspricht dem Leiter in einem elektrischen Schaltkreis.

Wenn nun eine mechanische Pumpe einen Druckunterschied zwischen zwei Punkten erzeugt, kann das unter Druck stehende Wasser Arbeit leisten, wie zum Beispiel das Antrieben eines Turbins.

Ähnlich dazu kann in einem elektrischen Schaltkreis das Potenzialunterschied einer Batterie einen Stromfluss durch den Leiter verursachen und somit Arbeit durch den fließenden elektrischen Strom geleistet werden, wie zum Beispiel das Beleuchten einer Lampe.

In welchen Einheiten wird Spannung gemessen (Spannungseinheiten)?

SI-Einheit der Spannung

Die SI-Einheit für Spannung ist Volt. Dies wird durch ein V dargestellt. Volt ist eine abgeleitete SI-Einheit für Spannung. Der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827), der den voltaischen Pile erdacht hat, der die erste elektrische Batterie war, daher wurde die Einheit Volt zu seiner Ehren benannt.

Volt in SI-Grundeinheiten

Volt kann als elektrisches Potenzialunterschied zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Schaltkreis definiert werden, das eine Joule Energie pro Coulomb Ladung, die durch den elektrischen Schaltkreis fließt, dissipiert. Mathematisch ausgedrückt ergibt sich,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

Daher kann Volt in SI-Grundeinheiten als $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ oder $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ ausgedrückt werden.

Es kann auch in Watt pro Ampere oder Ampere mal Ohm gemessen werden.

Spannungsformel

Die grundlegende Formel für die Spannung ist im folgenden Bild dargestellt.

Spannungsformel 1 (Ohmsches Gesetz)

Gemäß dem Ohmschen Gesetz kann die Spannung ausgedrückt werden als,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Beispiel 1

Wie in dem unten gezeigten Schaltkreis dargestellt, fließt ein Strom von 4 A durch den Widerstand von 15 Ω. Bestimmen Sie den Spannungsabfall im Schaltkreis.

Lösung:

Gegebene Daten: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Gemäß Ohmschem Gesetz,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

Daher erhalten wir mithilfe der Gleichung einen Spannungsabfall im Schaltkreis von 60 Volt.

Spannungsgleichung 2 (Leistung und Strom)

Die übertragene Leistung ist das Produkt aus Versorgungsspannung und elektrischem Strom.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Nun setzen wir $I=\frac{V}{R}$ in die obige Gleichung ein, erhalten wir,

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Daraus ergibt sich, dass die Spannung gleich der Leistung geteilt durch den Strom ist. Mathematisch ausgedrückt:

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,Volts \end{align*}$

Beispiel 2

Wie im folgenden Schaltbild dargestellt, fließt ein Strom von 2 A durch eine Lampe mit 48 W. Bestimmen Sie die Versorgungsspannung.

Lösung:

Gegebene Daten: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Gemäß der oben erwähnten Formel zwischen Spannung, Leistung und Strom,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

Daher erhalten wir mit der Gleichung eine Versorgungsspannung von 24 Volt.

Spannungsformel 3 (Leistung und Widerstand)

Gemäß Gleichung (1) ist die Spannung die Quadratwurzel aus dem Produkt von Leistung und Widerstand. Mathematisch ausgedrückt,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

Beispiel 3

Bestimmen Sie die notwendige Spannung, um eine 5 W Glühbirne mit einem Widerstand von 2 Ω zu beleuchten.

Lösung:

Gegebene Daten: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Gemäß der oben genannten Formel,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

Daher erhalten wir durch die Verwendung der Gleichung die notwendige Spannung, um die $5 W, 2\Omega$ Glühbirne mit 3.16 Volt zu beleuchten.

Spannungsschaltzeichen (Wechsel- und Gleichstrom)

Wechselspannungssymbol

Das Symbol für Wechselspannung (Wechselstrom) ist unten dargestellt:

企业微信截图_17098668569432.png — Wechselspannungssymbol

Gleichspannungssymbol

Das Symbol für Gleichspannung (Gleichstrom) ist unten dargestellt:

Dimensionen der Spannung

Die Spannung (V) ist eine Darstellung des elektrischen Potentials Energie pro Einheitsladung.

Die Dimensionen der Spannung können in Bezug auf Masse (M), Länge (L), Zeit (T) und Ampere (A) ausgedrückt werden, wie folgt gegeben: $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

Es ist zu beachten, dass einige auch I anstelle von A verwenden, um den Strom darzustellen. In diesem Fall kann die Dimension der Spannung stattdessen als $M L^2 T^-^3 I^-^1$ dargestellt werden.

Wie man Spannung misst

In einem elektrischen oder elektronischen Schaltkreis ist die Messung der Spannung ein wesentlicher Parameter, der gemessen werden muss. Wir können die Spannung zwischen einem bestimmten Punkt und dem Erdpunkt oder der Nullspannungsleitung in einem Schaltkreis messen.

In einem 3-Phasen-Schaltkreis, wenn wir die Spannung zwischen einer beliebigen Phase der 3-Phasen und dem Neutralpunkt messen, wird dies als Leitung-Erdspannung bezeichnet.

Ähnlich, wenn wir die Spannung zwischen zwei Phasen der 3-Phasen messen, wird dies als Leitung-Leitungsspannung bezeichnet.

Es gibt verschiedene Instrumente zur Messung der Spannung. Lassen Sie uns jede Methode besprechen.

Voltmesser-Methode

Die Spannung zwischen zwei Punkten in einem System kann mit einem Voltmesser gemessen werden. Um eine Spannung zu messen, muss der Voltmesser parallel zum Bauteil geschaltet werden, dessen Spannung gemessen werden soll.

Eine Anschlussleitung des Voltmessers muss an den ersten Punkt und die andere an den zweiten Punkt angeschlossen werden. Beachten Sie, dass der Voltmesser niemals in Serie geschaltet werden sollte.

Ein Voltmeter kann auch verwendet werden, um den Spannungsabfall über jedes Bauteil oder die Summe des Spannungsabfalls über zwei oder mehr Bauteile innerhalb eines Schaltkreises zu messen.

Ein analoges Voltmeter funktioniert, indem es den Strom durch einen festen Widerstand misst. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ist der Strom durch den Widerstand direkt proportional zur Spannung oder Potentialdifferenz über dem festen Widerstand. So können wir die unbekannte Spannung bestimmen.

Ein weiteres Beispiel für eine Voltmeter-Verbindung zur Messung der Spannung an einer 9-V-Batterie ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Multimeter-Methode

Heutzutage ist eine der gängigsten Methoden zur Messung von Spannungen die Verwendung eines Multimeters. Das Multimeter kann entweder analog oder digital sein, aber digitale Multimeter werden am häufigsten verwendet, aufgrund ihrer höheren Genauigkeit und geringeren Kosten.

Die Spannung oder Potentialdifferenz über einem Gerät kann einfach durch Anschluss der Sonde des Multimeters an die beiden Punkte gemessen werden, an denen die Spannung gemessen werden soll. Die Messung der Batteriespannung mit einem Multimeter ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Multimeter for Voltage Measurement — Multimeter-Verbindung zur Messung der Batteriespannung

Potentiometer-Methode

Das Potentiometer arbeitet nach dem Prinzip der Nullbalancetechnik. Es misst die Spannung, indem es eine unbekannte Spannung mit einer bekannten Referenzspannung vergleicht.

Andere Instrumente wie ein Oszilloskop oder ein elektrostatisches Voltmeter können ebenfalls zum Messen der Spannung verwendet werden.

Unterschied zwischen Spannung und Strom (Spannung vs. Strom)

Der wesentliche Unterschied zwischen Spannung und Strom besteht darin, dass die Spannung das Potenzialunterschied der elektrischen Ladungen zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld ist, während der Strom den Fluss der elektrischen Ladungen von einem Punkt zu einem anderen Punkt in einem elektrischen Feld beschreibt.

Wir können einfach sagen, dass die Spannung die Ursache für den Stromfluss ist, während der Strom die Wirkung der Spannung ist.

Je höher die Spannung, desto größer der Strom, der zwischen zwei Punkten fließt. Beachten Sie, dass, wenn zwei Punkte in einem Schaltkreis das gleiche Potenzial haben, kein Strom zwischen diesen Punkten fließen kann. Die Größe der Spannung und des Stroms hängen voneinander ab (gemäß Ohms Gesetz).

Weitere Unterschiede zwischen Spannung und Strom werden in der unten stehenden Tabelle erläutert.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke

Unterschied zwischen Spannung und Potentialdifferenz (Spannung vs. Potentialdifferenz)

Es gibt nicht viel Unterschied zwischen Spannung und Potentialdifferenz. Wir können jedoch den Unterschied zwischen ihnen auf folgende Weise beschreiben.

Die Spannung ist die Menge an Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung zwischen zwei Punkten zu bewegen, während die Potentialdifferenz der Unterschied zwischen dem höheren Potential eines Punkts und dem niedrigeren Potential des anderen Punkts ist.

Aufgrund der Punktladung:

Die Spannung ist das Potential, das an einem Punkt gemessen wird, wenn der andere Referenzpunkt im Unendlichen liegt. Die Potentialdifferenz hingegen ist der Unterschied im Potential zwischen zwei Punkten, die endliche Entfernungen von der Ladung haben. Mathematisch können sie wie folgt ausgedrückt werden,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

Wenn Sie eine Videoerklärung zur Spannung bevorzugen, sehen Sie sich das unten stehende Video an:

Was ist eine gängige Spannung?

Eine gängige Spannung wird definiert als das typische Spannungsniveau oder die Nennspannung elektrischer Geräte oder Ausrüstungen.

Im Folgenden finden Sie eine Liste der gängigen Spannungen für verschiedene elektrische Geräte oder Ausrüstungen.

Bleisäurebatterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden: 12 Volt Gleichstrom. Eine 12-V-Batterie besteht aus 6 Zellen, wobei die typische Spannung jeder Zelle 2,1 V beträgt. Beachten Sie, dass die Zellen in Reihe geschaltet sind, um die Spannung zu erhöhen.
Solarzellen: Erzeugen in der Regel bei offener Schaltung eine Spannung von etwa 0,5 Volt Gleichstrom. Allerdings werden oft mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, um Solarpanele zu bilden, die eine höhere Gesamtspannung liefern können.
USB: 5 Volt Gleichstrom.
Hochspannungs-Stromübertragungsleitung: 110 kV bis 1200 kV Wechselstrom.
Hochgeschwindigkeitszug (Traktionsstrom): 12 kV und 50 kV Wechselstrom oder 0,75 kV und 3 kV Gleichstrom.
TTL/CMOS-Spannungsversorgung: 5 Volt.
Eine einzelne, wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterie: 1,2 Volt.
Taschenlampenbatterien: 1,5 Volt Gleichstrom.

Die gängige Spannung, die von den Versorgungsunternehmen an Haushaltskunden geliefert wird, ist:

100 V, 1-Phasen-Wechselstrom in Japan
120 V, 1-Phasen-Wechselstrom in Amerika
230 V, 1-Phasen-Wechselstrom in Indien, Australien

Die gängige Spannung, die von den Versorgungsunternehmen an Industriekunden geliefert wird, ist:

200 V, 3-Phasen-Wechselstrom in Japan
480 V, 3-Phasen-Wechselstrom in Amerika
415 V, 3-Phasen-Wechselstrom in Indien

Anwendungen von Spannungen

Einige Anwendungen von Spannungen sind:

Eine der häufigsten Anwendungen von Spannungen ist die Bestimmung des Spannungsabfalls über ein elektrisches Gerät oder eine Ausrüstung, wie z.B. einen Widerstand.
Um die Spannung zu erhöhen, wird eine zusätzliche Spannung benötigt. Daher werden Zellen in Reihe geschaltet, um die Spannung zu erhöhen.

Die Spannung ist die grundlegende Energiequelle für jedes elektrische und elektronische Gerät. Von geringen Spannungen (5 V) bis hin zu hohen Spannungen (415 V) werden in verschiedenen Anwendungen verwendet.

Niederspannung wird normalerweise für viele elektronische Geräte und Steuerungssysteme verwendet.

Hochspannung wird für

elektrostatische Druckverfahren, elektrostatische Lackierung, elektrostatische Beschichtung von Materialien
Kosmologische Raumforschung
Elektrostatischer Filter (Luftreinhalteanlagen)
Jet Propulsion Laboratory
Röntgenröhren
Leistungsstarke Verstärker-Vakuumröhren
Massenspektrometrie
Dielektrikumprüfung
Prüfung von Lebensmitteln und Getränken
Elektrospray- und Spinnanwendungen, Elektrophotografie
Plasma-basierte Anwendungen
Füllstandsmessung
Induktive Erwärmung
Blitzlampen
SONAR
Für Prüfung elektrischer Ausrüstung

Quelle: Electrical4u

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Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.