Av Jeffrey Ober | 21 april 2023 | 13:06 EST
Potentiell skillnad, vanligen kallad spänning, är drivkraften bakom elektrisk ström. En högre spänning driver mer ström genom en krets, precis som en brantare backe uppmuntrar till en snabbare rullning. I en sluten slinga är spänning den energi per laddningsenhet som förflyttar en laddad partikel från en punkt till en annan. Uttryckt i joule per coulomb är dess SI-enhet volt (V).
Matematiskt definieras spänning som:
V =E / Q =J / C
Här, E är den elektriska energin i joule (J) och Q är den elektriska laddningen i coulombs (C). Spänningen avgör hur starkt en positiv laddning (eller en negativ laddning i motsatt riktning) trycks över ett givet avstånd.
Volt är uppkallad efter Alessandro Volta, en pionjär inom elektricitet och magnetism.
Spänning kan också ses som kraft (newton) som verkar över ett avstånd (meter). I denna mening representerar det arbetet som gjorts för att flytta laddning mellan två punkter.
I praktiska kretsar mäts spänningen vanligtvis över ett batteri, ett motstånd eller något annat element. Batteriets potentialskillnad mellan dess negativa och positiva poler ställer in strömflödet. Motståndet i sin tur begränsar detta flöde och upprätthåller jämvikt.
Dessa tre fundamentala storheter – ström (I), spänning (V) och resistans (R) – är sammanbundna av Ohms lag:
I =V / R
Ström kvantifierar mängden laddning som passerar en punkt per sekund, mätt i ampere (A). En ampere är lika med en coulomb per sekund. Även om definitionen är cirkulär – en ampere är coulombs per sekund – klargör denna representation att ström är ett verkligt, mätbart laddningsflöde.
Konventionell ström antar att positiva laddningar flyttas från batteriets positiva pol till det negativa. I verkligheten rör sig elektroner – negativt laddade partiklar – i motsatt riktning, men båda beskrivningarna återspeglar samma energiöverföring.
Elektriker, ingenjörer och forskare använder vanligtvis en multimeter för att mäta spänning, ström och motstånd i en enda enhet.
Även stationära laddningar genererar ett elektriskt fält som beskrivs av Coulombs lag:
E =kQ / r²
där Q är laddningen i coulombs, k är Coulombs konstant och r är avståndet från laddningen i meter. Detta fälts styrka gör att vi kan beräkna den elektriska potentiella energin vid en given punkt.
Samma förhållande leder till den elektriska kraften mellan laddningar:F =Ekv . Denna gren av fysiken är känd som elektrostatik.
Med hjälp av en testladdning kan vi härleda den elektriska potentialen på grund av en punktladdning:
V =kQ / r
Till skillnad från det elektriska fältet, som minskar med kvadraten på avståndet, minskar potentialen linjärt med avståndet.
Spänning är hörnstenen i modern elektronik – strömuttag, bilbatterier, smartphones och belysning. I mer komplexa kretsar formar komponenter som kondensatorer (två plattor åtskilda av ett dielektrikum) och induktorer strömflödet för att uppnå önskade effekter.
Dessutom genererar rörliga laddningar magnetiska fält som kopplar elektrisk potentialskillnad till det bredare elektromagnetiska spektrumet. Detta samspel ligger till grund för teknologier som radio, satellitkommunikation och trådlös kraftöverföring.
