Was ist Spannung?
Was ist Spannung?
Spannung ist ein Begriff, dem wir alle im täglichen Leben oder in Lehrbüchern begegnet sind. Sie wissen vielleicht, dass AA-Batterien eine Spannung von 1 haben. 5 Volt (V) und Rauchmelderbatterien haben eine Spannung von 9 Volt (V). Wir wissen auch, dass Netzstrom oder Haushaltsstrom alle 110-120 Volt (in den USA) haben, während die Spannung, die von großen Übertragungsleitungen übertragen wird, etwa 110 bis 765 Kilovolt (KV) beträgt. Daraus können wir schließen, dass niedrige Spannungen, wie sie von Batterien erzeugt werden, harmlos sind, während hohe Spannungen gefährlich sein können. Aber was ist Spannung und was hat sie mit Schaltungen zu tun?
Was ist Spannung? Spannungsdefinition, Potentialdifferenz und mehr
Kurz gesagt kann man sich Spannung als eine Kraft vorstellen, die Elektrizität (Strom) durch einen Stromkreis zieht. Wenn eine Hochspannung an einen Stromkreis angelegt wird, erfährt er einen hohen Stromfluss (d. e aktueller Durchfluss). Wenn eine niedrigere Spannung an einen Stromkreis angelegt wird, erfährt er einen geringeren Stromfluss. Es gibt eine gute Analogie für Spannung, nämlich Wasserdruck. Wenn Sie einen Wassertank hoch über dem Boden halten, schießt das Wasser schneller aus dem Boden, als der Tank näher am Boden war.
Während diese Analogie eines Wassertanks großartig ist, um die Grundlagen der Spannung zu lernen, deckt sie jedoch nicht alles ab. Beispielsweise können Spannungen positiv oder negativ sein (d. e die Richtung, in die sie Ladungen ziehen). Darüber hinaus gibt es zwei Arten von Spannungen, je nachdem, was beschrieben wird. Einer ist die elektromotorische Kraft (EMF) und ein anderer ist die Potentialdifferenz (PD).
Wenn die Spannung erzeugt wird, wird die erzeugte resultierende Spannung als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet. Wenn die Spannung über einer Komponente verloren geht, wird die resultierende Spannung als Potentialdifferenz bezeichnet. Die Potentialdifferenz kann als Verlust der Schubkraft betrachtet werden.
Spannungsdefinition: Die Kraft, die elektrischen Strom durch einen Stromkreis zieht.
Was ist ein Potenzialunterschied: Verlust der Schubkraft.
Außerdem wissen wir vielleicht, dass die Spannung die Standardeinheit der elektromotorischen Kraft (EMF) oder der Potentialdifferenz ist. Spannung ist die Anhäufung von statischer elektrischer Ladung, die in eine Richtung fließt, wie ein Überschuss oder Mangel an gemessenen Elektronen, der immer mit Spannung zusammenhängt. Spannung wird in einer elektrochemischen Reaktion erzeugt und durch Licht verursacht, das auf einen speziellen Halbleiterchip fällt. Wenn sich ein Objekt in einem Magnetfeld bewegt oder in ein schwankendes Magnetfeld gebracht wird, wird ein Magnetfeld erzeugt.
Die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten erzeugt ein elektrisches Feld. Es gibt immer einen relativ positiven Pol (mit weniger Elektronen) und einen relativ negativen Pol (mit mehr Elektronen). Verglichen mit dem neutralen Objekt hat der positive Pol nicht unbedingt einen Elektronenmangel und der negative Pol möglicherweise keinen Elektronenüberschuss in Bezug auf neutrale Dinge. Aber die Ladung zwischen den beiden Polen ist immer unterschiedlich. Der Pluspol hat immer weniger Elektronen als der Minuspol.
Spannungsverlauf
Die Spannung lässt sich auf Alessandro Volta zurückführen, der für die Herstellung der ersten Batterie, der Voltasäule, verantwortlich war. Diese Batterie ist unglaublich einfach und kann mit ein paar Vorräten, die im Haushalt zu finden sind, zu Hause hergestellt werden. Diese Batterie besteht aus abwechselnden Schichten von Kupfermünzen, Zink und in Salzwasser getränktem Papier, die alle übereinander gestapelt sind. Obwohl dies keine starke Elektrizitätsquelle ist, wurde gezeigt, dass Elektrizität chemisch hergestellt werden kann, und Experimente an toten Fröschen zeigten, dass die Nerven eher Elektrizität als eine spezielle biologische Elektrizität verwendeten. Der Begriff Spannung stammt nicht von Alessandro Volta, sondern wurde nach seinen Leistungen auf diesem Wissenschaftsgebiet benannt.
Spannungsspezifikationen – Spannungseinheiten
Spannung wird in Volt gemessen und als V symbolisiert. Wir wissen zwar, dass die Spannung als eine Kraft betrachtet werden kann, die elektrische Stromladungen zieht. Wir wissen jedoch immer noch nicht, was ein Volt ist und wie es definiert ist. Die wissenschaftliche Definition von einem Volt ist, wenn ein Coulomb Ladung ein Joule Arbeit leistet, aber wenn man sich mit Elektronik beschäftigt, wird dies selten erneut aufgegriffen oder sogar in Betracht gezogen.
Spannung hat wie Kraft eine Polarität, was bedeutet, dass sie einen elektrischen Strom drücken oder ziehen kann. Spannung ist wie eine Kraft auch relativ, und die Größe einer Spannung hängt tatsächlich davon ab, wo Sie sie messen. Wenn eine Spannung gemessen wird, können wir zwei Punkte nehmen und die Differenz zwischen diesen beiden Punkten messen. Wenn wir also die negative Sonde an den negativen Anschluss und die positive Sonde an den positiven Anschluss anschließen, gibt es 1. 5V zwischen den Klemmen einer 1. 5V Batterie. Wenn wir jedoch die negative Sonde an den positiven Anschluss und die positive Sonde an den negativen Anschluss anschließen, lesen wir stattdessen -1. 5 V (Spannung = Joule ÷ Coulomb, 1 Volt = 1 Joule pro Coulomb).
Wie wird Spannung erzeugt?
Erinnern Sie sich, wie wir vorhin gesagt haben, dass es zwei Arten von Spannung gibt? Dies ist sehr wichtig, wenn es um die Erzeugung von Spannung geht, denn wenn wir elektrische Energie erzeugen, erzeugen wir tatsächlich EMF und nicht die Potentialdifferenz. Wie erstellen wir also einen EMF? Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie ein EMF erzeugt werden kann, einschließlich elektrochemisch, elektromechanisch, thermisch und solar.
Elektrochemische Verfahren schließen Batterien ein und verlassen sich auf die Chemie, um eine Potentialdifferenz zwischen zwei Anschlüssen zu erzeugen. Einige Batterien sind nass und verwenden eine Flüssigkeit als Elektrolyt, um Ladungen zwischen den beiden Anschlüssen zu transportieren, während andere Batterien trocken sind.
Elektromechanische Methoden sind solche, die mechanische Bewegung und Magnetfelder verwenden, um Strom in Drähten zu induzieren. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur Stromerzeugung und findet sich in Kraftwerken, Dynamos und Motoren.
Thermische Methoden beruhen auf unterschiedlichen Metallen, die bei Kontakt eine Spannung erzeugen, und werden oft als Thermoelemente bezeichnet. Peltier-Geräte sind solche, die den Temperaturunterschied zwischen zwei Seiten eines speziellen Halbleiters in elektrische Energie umwandeln, die häufig bei Weltraummissionen (wie Voyager 1, Voyage 2 und New Horizons) zu finden ist.
Solarenergie wird in einer eigenen Kategorie erwähnt, da Licht mit Hilfe spezieller Halbleiteranordnungen direkt in Strom umgewandelt wird. Diese Technologie ermöglicht den Betrieb von Photovoltaikmodulen und wird weltweit immer beliebter als sichere Energiequelle.
Spannungsarten
Es gibt zwei Arten von Spannungen: Wechsel- und Gleichspannung.
Bei Gleichstrom (DC) ist die Spannung immer konstant und der Strom fließt in eine bestimmte Richtung. Im Gegensatz dazu ändert sich beim Wechselstrom (AC) die Spannung periodisch von positiv nach negativ und von negativ nach positiv, und dementsprechend ändert sich auch die Richtung des Stroms periodisch.
Eine andere Analogie kann verwendet werden, um Wechselstrom und Gleichstrom zu veranschaulichen. Um einen Strom aufzubauen, müssen die Elektronen eine geordnete Bewegung beibehalten. Nehmen wir an, das Elektron ist eine große Kiste, die einfach bewegt werden muss. wenn es die große Kiste ganz nach rechts bewegt (das ist DC), oder wenn sie die Kiste weiter nach rechts und links bewegen, abwechselnde Positionen (das ist AC).
Wie funktioniert Spannung mit anderen Spannungen?
Voltage ist unglaublich einfach und leicht zu bedienen und damit zu arbeiten. Spannungen parallel bleiben gleich und Spannungen in Reihe addieren sich. In der Elektronik kommt es häufig vor, eine größere Spannungsversorgung zu erhalten, als eine einzelne Batterie liefern kann. Während eine größere Batterie gewählt werden kann, ist es oft einfacher, zwei identische Batterien in Reihe zu verwenden, deren Spannungen sich addieren. Denken Sie jedoch daran, dass Spannungen eine Polarität haben, was bedeutet, dass wenn eine Batterie vertauscht wird, anstatt sie zur Gesamtspannung hinzuzufügen, stattdessen von ihr abgezogen wird.
Wenn Sie Batterien parallel schalten, müssen Sie sicherstellen, dass diese Batterien alle die gleiche Spannung haben. Wenn zwei Batterien unterschiedlicher Spannung parallel geschaltet werden, versucht die größere Batterie, Strom in die andere Batterie zu drücken, was zu einer Überhitzung und möglicherweise zu einem Brand führen kann.
Allgemeine Beispiele für sichere Spannungsquellen
Spannungsquellen sind an so vielen verschiedenen Orten zu finden, aber nur weil sie existieren, heißt das noch lange nicht, dass Sie sie auch benutzen können. Beleuchtung ist zum Beispiel eine sehr starke Stromquelle, aber einen Beleuchtungsmast zu bauen und einen Arduino daran anzuschließen, wird wahrscheinlich sehr schlecht enden. Die Hauptstromversorgung ist normalerweise eine gebrauchte Stromquelle für Projekte, kann aber auch unsicher sein, insbesondere wenn kein Trenntransformator verwendet wird. Wählen Sie daher immer eine sichere Stromquelle anhand der folgenden Liste aus.
Kleine Solarzellen (nicht die auf dem Dach)
USB
Schlussfolgerung
Spannung ist ein grundlegendes Konzept in der Elektronik und wahrscheinlich das Einzige, worüber Sie sich beim Entwerfen von Schaltkreisen am meisten Gedanken machen. Daher ist es im täglichen Leben sehr hilfreich, mehr über Spannung zu wissen.
