Wikisage is op 1 na de grootste internet-encyclopedie in het Nederlands. Iedereen kan de hier verzamelde kennis gratis gebruiken, zonder storende advertenties. De Koninklijke Bibliotheek van Nederland heeft Wikisage in 2018 aangemerkt als digitaal erfgoed.
- Wilt u meehelpen om Wikisage te laten groeien? Maak dan een account aan. U bent van harte welkom. Zie: Portaal:Gebruikers.
- Bent u blij met Wikisage, of wilt u juist meer? Dan stellen we een bescheiden donatie om de kosten te bestrijden zeer op prijs. Zie: Portaal:Donaties.
Elektrische spanning
De elektrische spanning is het potentiaalverschil tussen twee punten in een elektrisch circuit.
Meeteenheid
De grootheid elektrische spanning wordt in het SI-systeem gemeten in volt (symbool: V). Deze eenheid is genoemd naar Alessandro Volta. Eén volt is gedefinieerd als één joule per coulomb. Voor de verschillende toepassingen zijn er decimale voorvoegsels nodig, omdat de grootte van elektrische spanningen enorm kan verschillen.
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 (U = I × R) 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.
Spanningsbereiken
| Symbool | Voluit | Decimaal | Voorbeelden |
|---|---|---|---|
| nV | nanovolt | 0,000000001 V | Zenuwen |
| µV | microvolt | 0,000001 V | Ontvangers van radio- en tv-signalen |
| mV | millivolt | 0,001 V | Audio- en videosignalen |
| V | volt | 1 V | Huishoudelektronica, draagbare apparaten, motorvoertuigen |
| kV | kilovolt | 1.000 V | Distributie van elektriciteit, treinen, trolleys |
| MV | megavolt | 1.000.000 V | Hoogspanningslijnen, bliksem |
Het verschil tussen een kleine 'm' en een grote 'M' is dus een factor 1.000.000.000
Voorkomen van elektrische spanning
Elektrische spanningen komen op zeer veel plaatsen voor. Van de zeer lage spanningen in zenuwen in levende wezens, redoxreacties in vloeistoffen, van signalen uit allerlei sensors en ontvangers van alle mogelijke zenders, via toepassingen zoals in draagbare en huishoudelijke apparatuur, tot in hoogspanning voor transport van elektriciteit, voor aandrijving van allerlei voertuigen en voor het zichtbaar maken van allerlei beelden toe.
Die spanning kan bijvoorbeeld bestaan tussen een geladen wolk en de aarde (statische elektriciteit) of tussen twee geleidende punten in een elektrisch circuit. De elektrische aarde is de belangrijkste potentiaalreferentie: de elektrische potentiaal van de aarde is per definitie nul volt. In een auto heeft het metalen chassis de nulpotentiaal.
Een opgeladen batterij, accu of condensator, een draaiende generator of dynamo, een zonnecel waar licht op valt leveren alle een elektrische spanning. Zolang deze spanning weinig of niet verandert als de bron wordt belast met een weerstand (bijvoorbeeld een lampje), spreekt men wel van spanningsbron. Naast de spanningsbron waarbij de afgegeven spanning onafhankelijk van de belasting (zoveel mogelijk) constant wordt gehouden, kennen we als tegenhanger de stroombron waarbij de stroom (zoveel mogelijk) constant wordt gehouden, waarbij de afgegeven spanning nauwelijks belangrijk is. In de elektronica wordt veel gebruik gemaakt van de constante spanningsbron, de zogenaamde gestabiliseerde voeding, en van de constante stroombron.
Toepassingen
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 sommige andere delen van de wereld is dit 110 volt. Omdat het lichtnet in drievoud is uitgevoerd, driefasenspanning, kan door gebruik van alle fasen zg. krachtstroom van 400 volt verkregen worden, bijvoorbeeld voor zwaardere apparatuur. Hiervoor zijn speciale vijfpolige aansluitingen nodig. Normale huishoudens zijn slechts op één fase aangesloten.
De Nederlandse elektrische treinen gebruiken 1500 volt gelijkspanning (nominaal, in de praktijk 1800 V), 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 en trams op 600 V.
Definitie van potentiaalverschil
Het potentiaalverschil wordt gedefinieerd als de hoeveelheid arbeid die per ladingseenheid verricht moet worden om een elektrische lading van het eerste punt naar het tweede punt te verplaatsen. Een equivalente definitie is de hoeveelheid arbeid die een eenheidslading kan verrichten die van het tweede naar het eerste punt stroomt. Voor de elektrische spanning wordt vaak het symbool U gebruikt, afgeleid van het Latijnse Urgere.
Spanningsverschil is een veel gebruikt onjuist woord voor potentiaalverschil.
Elektrisch veld
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 vaak wordt gedacht - de wrijving verantwoordelijk, maar het van en naar elkaar toe bewegen van twee isolators met onderling verschillende elektrostatische eigenschappen. In de twee isolators ontstaat hierbij een tegenovergestelde lading, die onderling een elektrische spanning vormen. De wrijving intensiveert het contact en daarmee de efficiëntie van het vergroten van de spanning.
Gelijkspanning en wisselspanning
Bij bovengenoemde toepassingen kan onderscheid gemaakt worden in technologie die gebruik maakt van gelijkspanning (DC, van direct current) en die gebruik maakt van wisselspanning (AC, van alternating current). 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 voor energiedistributie 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 eenvoudiger/efficiënter is te gebruiken voor mechanische tractie d.m.v. elektromotoren.
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 (verlies-)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).
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 waardoor niet elke kunststof voor elke isolerende toepassing geschikt is.
Voordat de doorslag plaats kan vinden moet een hoge spanning aanwezig zijn, hoog genoeg om de atomen van een stof te doen ioniseren. Een geïoniseerde stof is wel in staat om elektrische stroom te geleiden, waardoor een geleidingsbrug ontstaat tussen de twee punten. De elektronen vliegen dan door de geleidingsbrug van het ene naar het andere punt, dit is soms te zien als een vonk. Een doorslag wordt ook wel overslag genoemd, een bekend voorbeeld uit de natuur van overslag is bliksem.
Analogieën
Om het verschijnsel elektrische spanning begrijpelijker te maken, heeft men analogieën met intuïtief bekende verschijnselen verzonnen. De Bondgraaf-theorie bestudeert dergelijke analogieën. Zoals alle analogieën gaan ook deze niet in alle situaties op. Ze zijn bijvoorbeeld niet erg nuttig voor het beschrijven van wisselspanning.
Water
De analogie tussen elektriciteit en water noemt met de hydraulische analogie. 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 (emitterstroom) waarbij een watermolentje (basis-stroom) de trechterklep openzet. (Het water dat het molentje aandrijft komt ook in de trechter-uitlaat terecht.)
Warmtetransport
Indien een temperatuurverschil aangebracht wordt op een materiaal, zal warmtetransport (in de vorm van een warmteflux q) optreden. De optredende q hangt af van het aangebrachte temperatuurverschil, maar ook de 'weerstand' van de muur speelt een rol. Zo heeft koper een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt k (k~400 W/m/K) dan warmte-isolatoren als asbest (k=0,16W/m/K) of argon (k=0,0179 W/m/K). Dit laatste wordt gebruikt als tussenlaag in dubbel glas.
Trivia
- In plaats van spanning wordt vanwege de eenheid volt ook vaak voltage gezegd, wat volgens wetenschappers onjuist is, maar voor veel mensen duidelijker. Het woord kan echter ook als anglicisme betiteld worden.
- Op 17 mei 1979 werd in Tennessee de hoogste spanning ooit opgewekt: 3,215 × 108 (321,5 miljoen) volt.
- Volt is ook de naam van een Vlaams debatprogramma: Volt.