Elektrische spanning

De elektrische spanning, ook wel voltage genoemd, is het potentiaalverschil (spanning) tussen twee punten in een elektrische kring. Het potentiaalverschil wordt gedefinieerd als de hoeveelheid arbeid die per ladingseenheid verricht moet worden om een elektrische lading van het tweede punt naar het eerste punt te verplaatsen. Een equivalente definitie is de hoeveelheid arbeid die een eenheidslading kan verrichten die van het eerste naar het tweede punt stroomt. In het SI-systeem wordt de elektrische spanning gemeten in volt (symbool: V), genoemd naar Alessandro Volta. Eén volt is gedefinieerd als één joule per coulomb.

Een elektrische spanning tussen twee punten veroorzaakt een elektrisch veld en daarmee een kracht op een elektrische lading. Deze kracht is meestal niet erg groot, maar kan bijvoorbeeld wel veroorzaken dat droog en goed gewassen haren overeind gaan staan, doordat deze door gelijke lading onderling worden afgestoten. De haren worden hierbij aangetrokken door de gebruikte kam, die door het kammen een andere elektrische lading heeft gekregen dan het haar. Hiervoor is niet - zoals zo vaak wordt gedacht - de wrijving verantwoordelijk, maar het tijdelijke contact. De wrijving intensiveert uiteraard wel het contact en daarmee de efficiëntie van het vergroten van de spanning.

Een batterij of accu, een generator of dynamo, of een condensator (in alle gevallen opgeladen dan wel in werking) levert een elektrische spanning. Zolang deze spanning niet verandert, spreekt men wel van spanningsbron. Naast de spanningsbron waarbij de afgegeven spanning (zoveel mogelijk) constant wordt gehouden, kennen we als tegenhanger de stroombron waarbij de stroom (zoveel mogelijk) constant wordt gehouden.

Toepassingen

Wereldkaart met lichtnetspanning en frequentie.png Er bestaan zeer vele toepassingen van elektrische spanning. Veelal wordt spanning gebruikt om elektrische energie om te zetten in mechanische energie (bijvoorbeeld in een elektrische trein, of een elektrische tandenborstel). Ook wordt de elektrische spanning omgezet in licht, via een lamp, of in warmte door veel stroom te laten lopen door een groot uitgevoerde weerstand (in een wasmachine of in een elektrische kachel).

De verdeling van de netspanning loopt via het zogenoemde lichtnet. De spanning hierop bedraagt in Europa meestal 230 volt. In andere delen van de wereld is dit soms 110 volt.

De Nederlandse elektrische treinen gebruiken 1800 volt gelijkspanning, de Belgische 3000, maar in de toekomst zal men steeds meer overgaan op 25.000 volt wisselspanning in verband met de nadelen van (een relatief) lage spanning over lange trajecten (grote energie-verliezen in de leidingen). Metrotreinen rijden veelal op 750 volt gelijkspanning, trolleybussen op 600 V.

Gelijkspanning en wisselspanning

Bij bovengenoemde toepassingen kan onderscheid gemaakt worden in technologie die gebruik maakt van gelijkspanning (DC) en die gebruik maakt van wisselspanning (AC). Bij gelijkspanning is het teken van het potentiaalverschil steeds hetzelfde en in toepassingen meestal ook het niveau, terwijl bij wisselspanning het potentiaalverschil steeds van teken wisselt, veelal sinusvormig.

Gelijkspanning wordt veel gebruikt in toepassingen waar een relatief lage stroom voldoende energie levert. Het kan eenvoudig worden geleverd door een batterij en dus ook opgeslagen worden. Vanaf de 19e eeuw is de toepassing van gelijkspanning meer en meer verlaten ten gunste van wisselspanning, die als voordeel heeft dat zij met behulp van een transformator naar een ander niveau kan worden omgezet, zonder dat daarbij veel energie verloren gaat en energietransport over grote afstanden met minder verliezen gepaard gaat bij hoge spanningen. Voordeel is ook dat wisselspanning veel eenvoudiger is om te zetten in mechanische energie d.m.v. elektromotoren. Een nadeel van wisselspanning is dat zij niet opgeslagen kan worden.

Spanning in een stroomkring

Een elektrische spanning in een stroomkring ontstaat alleen over twee punten waartussen een zekere impedantie aan de stroom wordt geboden. Als er stroom loopt door een perfect geleidende draad, zal er geen spanning te meten zijn over de uiteinden van die draad.

Spanning is een grootheid die zich additief gedraagt. De spanning tussen twee punten A en C (via B) is gelijk aan de spanning tussen A en B plus de spanning tussen B en C (spanningswet van Kirchhoff).

Analogieën

Water

Men kan een elektrische kring beschouwen in analogie met rondstromend water in een netwerk van pijpen. De batterij in de stroomkring komt dan overeen met een waterpomp in de waterkring. Bij verwaarlozing van de zwaartekracht in deze gedachtegang komt het spanningsverschil overeen met het drukverschil tussen twee punten in het waternetwerk. Als er een drukverschil is tussen twee punten, dan kan het water als het hierlangs stroomt arbeid verrichten (bijvoorbeeld een turbine aandrijven. Als er geen drukverschil is kan er wel water stromen, maar kan er geen arbeid worden verricht.

De analogie met water kan ver worden doorgedacht. Zo zal een grotere druk een sterkere waterstroom veroorzaken. Een grotere spanning veroorzaakt dan ook een grotere stroom. Een weerstand kan worden vergeleken met een vernauwing in de waterpijpen. Over deze vernauwing ontstaat een drukverschil, net zoals over de weerstand een spanningsverschil ontstaat.

Een transistor heeft als equivalent een trechter (emitter-stroom) waarbij een watermolentje (basis-stroom) de trechterklep openzet. (Het water dat het molentje aandrijft komt ook in de trechter-uitlaat terecht.)

In de wetenschap worden deze analogieën bestudeerd onder de bondgraaf-theorie.

Warmtetransport

Indien een temperatuursverschil aangebracht wordt op een materiaal, zal warmtetransport (in de vorm van een warmteflux q) optreden. De optredende q hangt af van het aangebrachte temperatuursverschil, maar ook de weerstand van de muur speelt een rol (zo heeft koper een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt k (k~400 W/m/K) dan warmteisolatoren als asbest (k=0,16W/m/K) of argon (k=0,0179 W/m/K). Deze laatste wordt gebruikt als tussenlaag in dubbel glas).

Meten van spanning

Een spanning (U) kan worden gemeten met een voltmeter. Een analoge voltmeter bestaat in beginsel uit een draaispoelmeter of een elektromagnetische meter voorzien van een voorschakelweerstand. De meting is in feite een meting van het magnetisch veld veroorzaakt door de elektrische stroom door een spoel. Volgens de Wet van Ohm (R=U/I) is de spanning evenredig met de door de weerstand (R) lopende stroom (I) en is de aanwijzing een maat voor het te meten spanningsverschil.
Het aansluiten van het meetinstrument dient de meting zo weinig mogelijk te beïnvloeden. Hiertoe moet de meter zo weinig mogelijk stroom aan het te meten circuit onttrekken. Hoe groter de meterweerstand, hoe beter; in het ideale geval is die oneindig groot. Tevens wordt dan het eigen verbruik van het meetinstrument gereduceerd. Men kan ook een spanning meten met een oscilloscoop. Dit instrument gebruikt de te meten spanning, na die eventueel versterkt te hebben, om een bundel elektronen af te buigen. Deze afbuiging is evenredig met het spanningsverschil. Het voordeel van een oscilloscoop is dat periodiek veranderlijke spanningen zichtbaar gemaakt kunnen worden.

Doorslagspanning

Als de spanning tussen twee punten zonder elektrisch geleidende verbinding hoger wordt dan de doorslagspanning van het materiaal dat zich tussen de punten bevindt, dan ontstaat op een bepaald moment een elektrische doorslag. Dit is een materiaaleigenschap. De spanning slaat dan als het ware door het materiaal heen: er wordt geleiding geforceerd. Veelal is brand of gevaar voor elektrocutie het gevolg. Isolatoren hebben een zeer hoge doorslagspanning. De doorslagspanningen van kunststoffen zijn zeer variabel zodat niet elke kunststof voor elke isolerende toepassing geschikt is.

Als de doorslag plaatsvindt door een gas, zodat men een vonk ziet overspringen, spreekt men wel van 'overslag'. Elektrische overslag is in staat om over isolatoren heen te slaan door bijvoorbeeld een hoge luchtvochtigheid of zout/roetaanslag. Hierbij kan het oppervlak van de isolator ernstig beschadigd worden. Ook hier kan brand het gevolg zijn. Een voorbeeld uit de natuur van overslag is bliksem.

Trivia

Elektrische spanning wordt ook wel "prik" genoemd.

Op 17 mei 1979 wordt in Tennessee de hoogste spanning ooit opgewekt: 3,215 * 10⁸ volt.

Zie ook

Hydraulische analogie

Elektriciteit | Elektronica

Gourt Home::Gourt :: Elektrische spanning