Spänning: Vad är det?

Electrical4u

Fält: Grundläggande elteknik

China

Vad är spänning?

Spänning (även känd som elektrisk potentialskillnad, elektromotorisk kraft emf, elektrisk tryck eller elektrisk spänning) definieras som den elektriska potentialskillnaden per enhet laddning mellan två punkter i ett elektriskt fält. Spänning uttrycks matematiskt (dvs. i formler) med symbolen "V" eller "E".

Om du letar efter en mer intuitiv förklaring för att förstå vad spänning är, hoppa till den här delen av artikeln.

Annars fortsätter vi nedan med en mer formell definition av spänning.

I ett statiskt elektriskt fält är det arbete som krävs för att flytta per enhet laddning mellan två punkter känd som spänning. Matematiskt kan spänningen uttryckas som,

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

Där utfört arbete är i joule och laddning är i coulomb.

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

Vi kan definiera spänning som mängden potentiell energi mellan två punkter i en krets.

En punkt har ett högre potential och de andra punkterna har lägre potential. Skillnaden i laddning mellan högre potential och lägre potential kallas för spänning eller potentialskillnad.

Spänningen eller potentialskillnaden ger elektronerna kraft att flöda genom kretsen.

Ju högre spänningen, desto större kraften, och därför fler elektroner flödar genom kretsen. Utan spänning eller potentialskillnad skulle elektroner röra sig slumpmässigt i fritt rum.

Spänning kallas ibland också "elektrisk spänning". Till exempel refereras kablers spänningshållförmåga som 1 kV, 11 kV och 33 kV till respektive lågspänning, högspänning och superhögspänning.

Definition av potentialskillnad som potential i elektriskt fält

Som nämnts tidigare definieras spänning som den elektriska potentialskillnaden per enhet laddning mellan två punkter i ett elektriskt fält. Låt oss beskriva detta med ekvationer.

Betrakta två punkter A och B.

Potentialen för punkt A med avseende på punkt B definieras som arbetet som utförs vid förflyttning av en per enhet laddning från punkt A till B i närvaro av elektriskt fält E.

Matematiskt kan detta uttryckas som,

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

Detta är också en potentialskillnad mellan punkterna A och B med punkt B som referenspunkt. Det kan också uttryckas som,

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

Nu kan spänning vara en ganska svår koncept att förstå.

Så vi kommer att använda en analogi till något konkret—något i den verkliga världen—för att göra det lättare att förstå spänning.

Förstå Spänning Genom Analogi

"Hydrauliska analogin" är en vanlig analogi som används för att hjälpa till att förklara spänning.

I hydrauliska analogin:

Spänningen eller elektriska potentialen motsvarar hydrauliskt vattentryck
Elektrisk ström motsvarar hydraulisk flödeshastighet
Elektrisk laddning motsvarar en mängd vatten
En elektrisk ledare motsvarar en rörledning

Analogi 1

Fundera på en vattentank som visas i figuren nedan. Figur (a) visar två tankar fyllda med samma vattenstapel. Så vatten kan inte flyta från en tank till en annan tank eftersom det inte finns någon tryckskillnad.

Nu visar figur (b) två tankar fyllda med olika vattennivåer. Därför finns det ett tryckskillnad mellan dessa två tankar. Vattnet kommer därför att flöda från en tank till den andra tills vattnets nivå i båda tankarna blir lika.

På samma sätt, om vi ansluter två batterier genom ledande tråd med olika spänningsnivåer, kan laddningar flyta från batteriet med högre potential till batteriet med lägre potential. Batteriet med lägre potential laddas därför tills potentialen i båda batterierna blir densamma.

Analogi 2

Tänk på en vattentank placerad vid en viss höjd över marken.

Trycket på slangen är ekvivalent med spänningen eller potentialskillnaden i en elektrisk krets. Vattnet i tanken är ekvivalent med elektriska laddningen. Om vi ökar mängden vatten i tanken utvecklas mer tryck i slutet av slangens.

Omvänt, om vi tömmer en viss mängd vatten ur tanken minskar trycket som skapas i slutet av slangens. Vi kan anta att denna vattentank liknar en lagringsbatteri. När batteriets spänning minskar blir lamporna svagare.

Analogi 3

Låt oss förstå hur arbete kan utföras av spänning eller potentialskillnad i en elektrisk krets. Den elektriska kretsen visas i figuren nedan.

Som visas i den hydrauliska vattenkretsen, flyter vatten genom en rördriven av en mekanisk pump. Ett rör är ekvivalent med en ledande tråd i en elektrisk krets.

Om en mekanisk pump producerar en tryckskillnad mellan två punkter, kan tryckbelagt vatten utföra arbete, såsom att driva en turbin.

På samma sätt, i en elektrisk krets, kan batteriets potentialskillnad orsaka strömflöde genom leden, och därmed kan arbete utföras av flytande elektrisk ström, som att tända en lampa.

Vad mäts spänning i (spänning enheter)?

SI-enhet för spänning

SI-enheten för spänning är volt. Detta representeras av en V. Volt är en härledd SI-enhet för spänning. Den italienske fysikern Alessandro Volta (1745-1827), som uppfinnade den voltaiska stapeln, vilket var den första elektriska batteriet, därför är enheten volt uppkallad efter honom.

Volt i SI-grundenheter

Volt kan definieras som det elektriska potentialskillnaden mellan två punkter i ett elektriskt kretslopp som dissipar en joule energi per coulomb laddning som passerar genom det elektriska kretsloppet. Matematiskt kan det uttryckas som,

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

Därför kan volt uttryckas i termer av SI-grundenheter som $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ eller $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

Det kan också mätas i watt per ampere eller ampere gånger ohm.

Spänningsformel

Grundformeln för spänning visas i bilden nedan.

Spänningsformel 1 (Ohms lag)

Enligt Ohms lag kan spänningen uttryckas som,

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

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

Exempel 1

Enligt kretsen nedan flödar en ström på 4 A genommotståndet på 15 Ω. Bestämspänningsfallet över kretsen.

Lösning:

Givna data: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

Enligt Ohms lag,

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

Genom att använda ekvationen erhålls ett spänningsfall över kretsen på 60 volt.

Spänningsformel 2 (Effekt och ström)

Den överfördaeffekten är produkten av spänningsmatning och elektrisk ström.

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

Nu sätt in $I=\frac{V}{R}$ i ovanstående ekvation får vi,

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

Således får vi spänningen lika med effekten delat med strömmen. Matematiskt,

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

Exempel 2

Som visas i nedanstående krets flödar en ström på 2 A genom en lampa på 48 W. Bestäm nätspänningen.

Lösning:

Givna data: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Enligt formeln mellan spänning, effekt och ström som nämns ovan,

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

Således får vi med ekvationen en spänningsmatning på 24 volt.

Spänningsformel 3 (Effekt och resistans)

Enligt ekvation (1) är spänning kvadratroten ur produkten av effekt och resistans. Matematiskt,

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

Exempel 3

Bestäm den nödvändiga spänningen för att tända en 5 W-lampa med ett motstånd på 2 Ω, som visas i nedanstående krets.

Lösning:

Givna data: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Enligt formeln ovan,

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

Med hjälp av ekvationen får vi den nödvändiga spänningen för att tända en $5 W, 2\Omega$ lampa 3.16 Volt.

Spänningskrets Symbol (AC och DC)

AC Spänningsymbol

Symbolen för AC (växelström) spänning visas nedan:

企业微信截图_17098668569432.png — AC Spänningsymbol

DC Spänningsymbol

Symbolen för DC (likström) spänning visas nedan:

Spänningsdimensioner

Spänning (V) är en representation av elektrisk potential energi per enhet laddning.

Spänningsdimensionerna kan uttryckas i termer av massa (M), längd (L), tid (T) och ampere (A) som ges av $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

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

Observera att vissa använder I istället för A för att representera ström. I detta fall kan spänningsdimensionen i stället representeras som $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Hur man mäter spänning

I en elektrisk och elektronisk krets är mätningen av spänning en viktig parameter som behöver mätas. Vi kan mäta spänningen mellan ett specifikt punkt och jorden eller nollspänningslinjen i en krets.

I en trefasig krets, om vi mäter spänningen mellan någon av faserna från de tre faserna och neutralpunkten, kallas det för fas-jordspänning.

På samma sätt, om vi mäter spänningen mellan två faser från de tre faserna, kallas det för fas-fasspänning.

Det finns olika instrument som används för att mäta spänning. Låt oss diskutera varje metod.

Spänningsmätaremetod

Spänningen mellan två punkter i ett system kan mätas med hjälp av en spänningsmätare. För att mäta en spänning måste en spänningsmätare anslutas parallellt till komponenten vars spänning ska mätas.

En ledning av spänningsmätaren måste anslutas till den första punkten och en till den andra punkten. Observera att spänningsmätaren aldrig ska anslutas i serie.

Voltmätaren kan också användas för att mäta spänningsfallet över vilken komponent som helst eller summan av spänningsfallet över två eller flera komponenter i en krets.

En analog voltmätare fungerar genom att mäta strömmen genom en fast resistor. Enligt Ohms lag är strömmen genom resistorn direkt proportionell mot spänningen eller potentialskillnaden över den fasta resistorn. På så sätt kan vi bestämma den okända spänningen.

Ett annat exempel på anslutning av en voltmätare för mätning av spänningen över en 9 V-batteri visas i bilden nedan:

Multimetermetod

Numera är en av de vanligaste metoderna att mäta spänning att använda en multimeter. Multimetern kan vara antingen analog eller digital, men digitala multimetrar används mest eftersom de har högre precision och lägre kostnad.

Spänningen eller potentialskillnaden över någon utrustning kan enkelt mätas genom att ansluta sonderna från en multimeter mellan de två punkter där spänningen ska mätas. Mätningen av batterispänning med hjälp av en multimeter visas i bilden nedan.

Multimeter for Voltage Measurement — Multimeteranslutning för mätning av batterispänning

Potentiometernmetod

Potentiometern fungerar enligt principen om nollbalans. Den mäter spänningen genom jämförelse av en okänd spänning med en känd referensspänning.

Andra instrument som oscilloskop, elektrostatiske voltmätare kan också användas för att mäta spänningen.

Skilnad mellan spänning och ström (Spänning vs Ström)

Den största skillnaden mellan spänning och ström är att spänning är det potentiella skillnaden av elektriska laddningar mellan två punkter i ett elektriskt fält, medan ström är flödet av elektriska laddningar från en punkt till en annan punkt i ett elektriskt fält.

Vi kan enkelt säga att spänningen är orsaken till att strömmen flödar, medan strömmen är effekten av spänningen.

Ju högre spänningen, desto mer ström flödar mellan två punkter. Observera att om två punkter i en krets har samma potential så kan ingen ström flöda mellan dessa punkter. Magnituden av spänning och ström beror på varandra (enligt Ohms lag).

Andra skillnader mellan spänning och ström diskuteras i tabellen nedan.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Skillnad mellan spänning och ström

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Skillnad mellan spänning och ström

Skillnad mellan spänning och potentialskillnad (Spänning vs Potentialskillnad)

Det finns inte mycket skillnad mellan spänning och potentialskillnad. Men vi kan beskriva skillnaden mellan dem på följande sätt.

Spänningen är den mängd energi som krävs för att flytta en enhet laddning mellan två punkter, medan potentialskillnaden är skillnaden mellan den högre potentialen av en punkt och den lägre potentialen av den andra punkten.

På grund av punktladdning:

Spänningen är det potential som erhålls vid någon punkt med hänsyn till den andra referenspunkten i oändligheten. Medan potentialskillnaden är skillnaden i potential mellan två punkter vid ändliga avstånd från laddningen. Matematiskt kan de uttryckas som,

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

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

Om du föredrar en videoförklaring om spänning, titta på videon nedan:

Vad är en vanlig spänning?

En vanlig spänning definieras som den typiska spänningsnivån eller spänningsklassningen för elektrisk apparatur eller utrustning.

Nedan listas vanliga spänningar för olika elektriska apparater eller utrustning.

Blybatterier som används i elbilar: 12 Volts DC. 12 V-batteri består av 6 celler där varje cells vanliga spänning är 2.1 V. Observera att cellerna är anslutna i serie för att öka spänningsgraden.
Solceller: Producerar normalt en spänning på cirka 0.5 Volts DC under öppnade kretsförhållanden. Flera solceller sammankopplas ofta i serie för att forma solpaneler, vilket kan ge en högre totalspänning.
USB: 5 Volts DC.
Högtspänningseltransmissionslinjer: 110 kV till 1200 kV AC.
Högspänningsjärnväg (traktion) strömlinjer: 12 kV och 50 kV AC eller 0.75 kV och 3 kV DC.
TTL/CMOS strömförsörjning: 5 Volts.
En enskild cell, laddbar nickel-kadmiumbatteri: 1.2 Volts.
Facklampan batterier: 1.5 Volts DC.

Vanliga spänningar som fördelningsbolag levererar till bostadsförsäljare:

100 V, 1-fas AC i Japan
120 V, 1-fas AC i Amerika
230 V, 1-fas AC i Indien, Australien

Vanliga spänningar som fördelningsbolag levererar till industriella konsumenter:

200 V, 3-fas AC i Japan
480 V, 3-fas AC i Amerika
415 V, 3-fas AC i Indien

Användningsområden för spänning

Några av de vanligaste användningsområdena för spänning inkluderar:

Ett av de vanligaste användningsområdena för spänning är att fastställa spänningsfall över ett elektriskt enhet eller utrustning, såsom en resistor.
Läggandet till spänning krävs för att öka spänningsgraden. Därför kopplas celler i serie för att öka spänningsgraden.

Spänning är den grundläggande energikällan för all elektrisk och elektronisk utrustning. Från små spännningar (5 V) till höga spännningar (415 V) används i olika tillämpningar.

Lågspänning används vanligtvis för många elektroniska enheter och styrprogram.

Högspänning används för

Elektrostatiskt skrivning, elektrostatisk måleri, elektrostatiskt beläggning av material
Kosmologiska studier av rymden
Elektrostatisk fallutskiljare (luftföroreningsskydd)
Jetpropulsionslaboratorium
Röntgenrör
Höguttagshögtalarrör
Masspektrometri
Dielektrisk provning
Provning av livsmedel och dryck
Elektrospraying och spinningsapplikationer, elektrofotografi
Plasmaprogram
Nivåmätning
Induktionsuppvärmning
Blixtlampor
SONAR
För provning av elektrisk utrustning

Källa: Electrical4u

Uttryck: Respektera originaltexten, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för borttagning.

Ge en tips och uppmuntra författaren

Ämnen:

Grundläggande el

Spänning

Om experter

Electrical4u

China

Rekommenderad

Mer

Högspeglat SF₆-fritt ringhuvud: Justering av mekaniska egenskaper

(1) Kontaktfjärdet bestäms huvudsakligen av isoleringskoordineringsparametrar, avbrottsparametrar, kontaktmaterial för högspännings-SF₆-fria ringhuvuden och designen av magnetblåsburet. I praktisk tillämpning är ett större kontaktfjärd inte nödvändigtvis bättre; istället bör kontaktfjärdet anpassas så nära som möjligt till dess nedre gräns för att minska driftsenergiförbrukningen och förlänga servicelevnaden.(2) Bestämningen av kontaktöverfart är relaterad till faktorer som egenskaper hos kontak

James

12/10/2025

Lågspänningsfördelningsledningar och elfördelningskrav för byggarbeten

Nät för lågspänningsfördelning hänvisar till kretsar som, genom en fördelningsomvandlare, minskar högspänningen på 10 kV till nivån 380/220 V - dvs. de lågspänningskretsar som går från understationen till slutanvändningsutrustningen.Lågspänningsfördelningslinjer bör beaktas under designfasen av understationskabelförbindelser. I fabriker installeras ofta dedikerade verkstadsunderstationer för verkstäder med relativt hög elkrav, där omvandlare direkt tillhandahåller ström till olika elektriska las

James

12/09/2025

Hur påverkar spänningsharmoniska uppvärmningen av H59-fördelningstransformator?

Påverkan av spänningsharmoniker på temperaturökning i H59-fördelningstransformatorerH59-fördelningstransformatorer är bland det viktigaste utrustningen i elkraftsystem, huvudsakligen fungerar de för att omvandla högspänning från elkraftnätet till lågspänning som slutanvändare behöver. Emellertid innehåller elkraftsystem många icke-linjära belastningar och källor, vilket introducerar spänningsharmoniker som negativt påverkar drift av H59-fördelningstransformatorer. Denna artikel kommer att diskut

Echo

12/08/2025

Huvudsakliga orsaker till H59-fördelningstransformatorns fel

1. ÖverbelastningFör det första, med den förbättrade levnadsstandarden har elförbrukningen generellt ökat snabbt. De ursprungliga H59-fördelningstransformatorerna har liten kapacitet—“en liten häst som drar en stor vagn”—och kan inte uppfylla användarnas behov, vilket gör att transformatorerna fungerar under överbelastningsvillkor. För det andra leder säsongsförändringar och extremt väder till topp i elförbrukning, vilket ytterligare orsakar att H59-fördelningstransformatorerna fungerar överbela

Felix Spark

12/06/2025

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.