Spenning i serieforbindelser
Hvad er spændinger i serie?
En serieforbindelse eller seriekobling refererer til, når to eller flere elektriske komponenter er forbundet sammen i en kædeagtig opstilling i en kredsløb. I denne type kredsløb er der kun én vej for ladningen at passere gennem kredsløbet. Potentielle variationer i ladning mellem to punkter i et elektrisk kredsløb kaldes spænding. I denne artikel vil vi udforske spændinger i en serieforbindelse i detaljer.
Batteriet i et kredsløb leverer energi til, at ladningen kan passere gennem batteriet og skabe en potentiaforskels mellem enderne af den eksterne kredsløb. Hvis vi antager en celle på 2 volt, vil det skabe en potentiaforskel på 2 volt over den eksterne kredsløb.
Den elektriske potentielle værdi ved den positive terminal er 2 volt højere end ved den negative terminal. Så, når ladningen flyder fra den positive til den negative terminal, forårsager det en tab på 2 volt i elektrisk potentiale.
Dette kaldes spændningsfald. Dette sker, når den elektriske energi i ladningen bliver konverteret til andre former (mekanisk, varme, lys osv.) mens den passerer gennem komponenterne (modstandere eller belastning) i kredsløbet.
Hvis vi betragter et kredsløb med mere end en modstander forbundet i serie og strømført med en 2V celle, vil det samlede tab af elektrisk potentiale være 2V. Det vil sige, at der vil være et bestemt spændingsfald i hver forbundet modstander. Men vi kan se, at summen af spændingsfaldet for alle komponenterne vil være 2V, hvilket er lig med spændingen på strømforsyningen.
Matematisk kan vi udtrykke det som
Ved hjælp af Ohms lov kan de individuelle spændingsfald beregnes som
Nu kan vi antage, at et seriekredsløb består af 3 modstandere og strømføres af en 9V energikilde. Her vil vi finde potentiaforskellen på forskellige steder under passage af strøm gennem hele seriekredsløbet.
Stederne er markeret i rød farve i kredsløbet nedenfor. Vi ved, at strømmen passerer i retningen fra den positive terminal mod den negative terminal af kilden. Den negative tegn på spændingen eller potentiaforskellen repræsenterer tabet i potentiale på grund af modstanderen.
Den elektriske potentiaforskell på forskellige punkter i kredsløbet kan vises med en diagram, der kaldes for et elektrisk potentiaaldiagram, som vist nedenfor.
I dette eksempel er den elektriske potential ved A = 9V, da det er den højere potentielle terminal. Den elektriske potential ved H = 0V, da det er den negative terminal. Når strømmen passerer gennem 9V-strømforsyningen, vinder ladningen 9V i elektrisk potential, som er fra H til A. Mens strømmen passerer gennem den eksterne kredsløb, mister ladningen disse 9V fuldstændigt.
Her sker dette i tre trin. Der vil være et spændingsfald, når strømmen passerer gennem modstanderne, men ingen spændingsfald forekommer, når passage er gennem ren ledning. Så vi kan se, at mellem punkterne AB, CD, EF og GH, er der ingen spændingsfald. Men mellem punkterne B og C, er spændingsfaldet 2V.
Det vil sige, at kildens spænding på 9V bliver 7V. Herefter, mellem punkterne D og E, er spændingsfaldet 4V. På dette tidspunkt bliver spændingen 7V til 3V. Til sidst, mellem punkterne F og G, er spændingsfaldet 3V. På dette tidspunkt bliver spændingen 3V til 0V.
I den del af kredsløbet mellem punkterne G og H, er der ingen energi til ladningen. Så det ønsker en energiforhøjelse for at kunne passere gennem den eksterne kredsløb igen. Dette leveres af strømkilden, da ladningen passerer fra H til A.
De flere spændingskilder i serie kan erstattes af en enkelt spændingskilde ved at tage summen af alle spændingskilderne. Men vi skal tage hensyn til polariteten, som vist nedenfor.
AC-spændingskilder i serie
I tilfælde af AC-spændingskilder i serie, kan spændingskilderne lægges sammen eller kombineres til en enkelt kilde, forudsat at vinkelhastigheden (ω) af de forbundne kilder er identisk. Hvis AC-spændingskilder forbundet i serie har forskellige vinkelhastigheder, kan de lægges sammen, hvis strømmen gennem de forbundne kilder er den samme.
Anvendelse af spændinger i seriekredsløb
Anvendelsen af spændinger i seriekredsløb inkluderer:
