Elektrische spanning (potentiaalverschil): uitleg, eenheid (volt) en AC/DC
Elektrische spanning & potentiaalverschil uitgelegd: wat het is, hoe de volt werkt en het verschil tussen AC en DC — heldere uitleg, voorbeelden en basisformules.
Spanning (in de wetenschappelijke literatuur meestal elektrisch potentiaalverschil genoemd) is de oorzaak dat elektrische ladingen gaan bewegen. Men kan spanning zien als de ‘duwkracht’ die ladingen langs een draad of door een andere elektrische geleider laat stromen, maar strikt genomen is spanning geen kracht: het is het verschil in elektrische potentiaal tussen twee punten. Wanneer ladingen bewegen noemen we dat stroom; spanning kan dus een stroom veroorzaken als er een geleidend pad aanwezig is.
De eenheid van spanning is de volt, vernoemd naar Alessandro Volta. Eén volt komt overeen met één joule per coulomb (1 V = 1 J/C). Het symbool voor de eenheid volt is een hoofdletter V (bijvoorbeeld 9 V). Volgens de regels van het Internationaal Stelsel van Eenheden (SI) krijgt een eenheid die naar een persoon is vernoemd een hoofdletter in het symbool.
Belangrijk onderscheid: de volt is een meeteenheid, terwijl spanning of elektrisch potentiaalverschil de grootheid is die we meten. In formules wordt de spanning vaak met een cursieve letter aangegeven (bijv. v of V) en in schakelingstekens of elektrotechnische berekeningen gebruiken sommigen ook e of E voor spanning of elektromotorische kracht (EMV). Voorbeelden van veelgebruikte relaties zijn Ohm's wet en uitdrukkingen voor spanning:
Ohm's wet: spanning = stroom × weerstand; geschreven als v = i r 
.
Elektrotechnici gebruiken soms de letter e voor spanning en schrijven dan bijvoorbeeld e = i r 
om het onderscheid tussen de grootheid en de eenheid te benadrukken.
Technische uitleg en meten
Spanning is altijd een verschil tussen twee punten. Je meet spanning met een voltmeter door de twee meetsnoeren aan die twee punten te verbinden (bijvoorbeeld tussen de plus- en de minpool van een batterij, tussen een draad en aarde, of tussen twee punten in een schakeling). Een voltmeter is ontworpen om zo min mogelijk stroom te trekken, zodat de gemeten spanning het minst mogelijk door de meter zelf wordt beïnvloed.
In huishoudelijke netten wordt vaak gesproken over “120 V” of “230 V”, maar dit zijn doorgaans effectieve (RMS) waarden bij wisselspanning. In de Verenigde Staten is een gebruikelijke netspanning ongeveer 120 V (rms) en in Europa en het Verenigd Koninkrijk ongeveer 230 V (rms). De werkelijke wisselspanningsgolf heeft een piekwaarde die √2 keer de RMS-waarde is (dus bij 230 V rms is de piek ongeveer 325 V). In de VS wisselt de netfrequentie 60 keer per seconde (60 Hz), in veel Europese landen is dat 50 Hz.
EMV (elektromotorische kracht) en bronnen van spanning
Sources van spanning (zoals batterijen, dynamo's of spanningsbronnen in elektronische voedingen) leveren een potentiaalverschil door chemische reacties, inductie of andere effecten. Voor een ideale spanningsbron geldt dat de spanning tussen zijn twee klemmen nagenoeg constant blijft, onafhankelijk van de aangesloten belasting (in werkelijkheid is er altijd een interne weerstand).
Veiligheid en grensgevallen
Om vermogen (energie per tijd) te verplaatsen zijn zowel spanning als stroom nodig. Een draad met hoge spanning die niet is aangesloten geeft geen stroom naar bijvoorbeeld een vogel die erop zit, omdat de vogel doorgaans met beide poten ongeveer op hetzelfde potentiaal zit en er dus geen groot potentiaalverschil over het lichaam loopt. Als echter een mens of dier een pad vormt tussen twee punten met een groot potentiaalverschil (bijvoorbeeld handen en voeten op verschillende potentialen of contact met aarde en een geleidende fase), kan er gevaarlijk veel stroom vloeien en is er risico op letsel of overlijden.
Soorten spanning: DC en AC
- Gelijkspanning (DC, direct current): de spanning heeft een vaste polariteit (positief of negatief ten opzichte van een referentie). Batterijen en veel elektronische voedingen leveren DC. DC is geschikt voor elektronische circuits en apparaten die constante spanningen nodig hebben.
- Wisselspanning (AC, alternating current): de spanning wisselt periodiek van teken en grootte. Huishoudelijke elektriciteit is AC: in de VS met 60 Hz, in Europa met 50 Hz. AC is efficiënt voor transport over lange afstanden en voor het aandrijven van veel soorten motoren.
Samenvattend
- Spanning = elektrisch potentiaalverschil tussen twee punten; de oorzaak dat ladingen kunnen bewegen.
- Eenheid: volt (V), en 1 V = 1 J/C.
- Spanning moet altijd tussen twee punten worden gemeten; een voltmeter meet dat verschil.
- Er is zowel spanning als een gesloten geleidend pad nodig om stroom en dus vermogen te krijgen.
- Er zijn twee hoofdtypen: DC (constante polariteit) en AC (wisselende polariteit, gekenmerkt door frequentie en vaak gegeven als RMS-waarde).
Het aansluiten van een hoogspanningskabel
Definitie
Spanning is de verandering in Elektrisch Potentiaal tussen twee plaatsen
of de verandering in Elektrisch Potentiaal Energie per coulomb tussen twee plaatsen.
V = Δ ( E P E / q ) = ( E P E / q ) 2 - ( E P E / q ) 1 {\\\Delta (EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE/q)_{1}} 
Waarbij V=Voltage, EPE=Elektrische Potentiële Energie, q=lading, ∆=verschil in.
Aardingsspanning
De spanning wordt altijd tussen twee punten gemeten, en één daarvan wordt vaak de "grond" genoemd, of het nulpunt van de spanning (0V). In de meeste AC-installaties is er een verbinding met de aarde. Een verbinding met de echte aarde wordt gemaakt via een waterleiding, een aardingsstaaf die in de aarde is begraven of gedreven, of een handige metalen geleider (geen gasleiding) die ondergronds is begraven. Deze verbinding wordt gemaakt bij de ingang van de elektrische installatie in een gebouw, bij elke paal waar een transformator op straat staat (vaak op een elektrische paal), en op andere plaatsen in de installatie. De hele planeet Aarde wordt gebruikt als referentiepunt voor het meten van de spanning. In een gebouw wordt deze aarde aan twee draden naar elk elektrisch apparaat gedragen. De ene is de 'aardingsgeleider' (de groene of kale draad) en wordt gebruikt als veiligheidsaarde om metalen onderdelen van apparatuur met de aarde te verbinden. De andere wordt gebruikt als een van de elektrische geleiders in de circuits van het systeem en wordt de 'nulleider' genoemd. Deze draad, die zich op het aardpotentiaal bevindt, vult alle circuits aan door de stroom van alle elektrische apparatuur terug te voeren naar het ingangspunt van het systeem in de gebouwen en vervolgens naar de transformator, die meestal op straat staat. Op veel plaatsen buiten de gebouwen wordt het onnodig om een draad te hebben om de circuits te voltooien en de stroom van de gebouwen naar de generatoren te transporteren. Het retourpad dat alle stroom terugvoert is de aarde zelf.
In DC-circuits wordt het negatieve uiteinde van een generator of batterij vaak het "massa"- of nulspanningspunt (0V)
genoemd, ook al is er al dan niet een verbinding met de aarde. Er kunnen meerdere massa's op dezelfde printplaat (PCB) zitten, bijvoorbeeld bij gevoelige analoge schakelingen, dat deel van de schakeling kan een "analoge massa" gebruiken, en het digitale deel, heeft een "digitale massa".
In elektrische apparatuur kan het 0 volt punt het metalen chassis zijn dat een "chassis ground" wordt genoemd of een verbinding met de eigenlijke aarde die een "aarde" wordt genoemd, elk met een eigen symbool dat in elektrische schema's (schakelschema's)
wordt gebruikt.
Meetinstrumenten
Enkele gereedschappen voor het meten van de spanning zijn de voltmeter en de oscilloscoop.
De voltmeter meet de spanning tussen twee punten en kan worden ingesteld op de DC- of de AC-modus. De voltmeter kan bijvoorbeeld de DC-spanning van een batterij meten (meestal 1,5V of 9V), of de AC-spanning van het stopcontact op de muur (meestal 120V).
Voor complexere signalen kan een oscilloscoop de gemeten DC- en/of AC-spanning gebruiken, bijvoorbeeld om de spanning over een luidspreker te meten.
Potentieel verschil
De spanning, of het potentiaalverschil van punt a naar punt b is de hoeveelheid energie in joule (als gevolg van elektrisch veld) die nodig is om 1 coulomb van positieve lading te verplaatsen van punt a naar punt b. Een negatieve spanning tussen punt a en b is een spanning waarbij 1 coulomb van energie nodig is om een negatieve lading te verplaatsen van punt a naar b. Als er een uniform elektrisch veld is over een geladen voorwerp, zullen negatief geladen voorwerpen naar hogere spanningen worden getrokken, en positief geladen voorwerpen naar lagere spanningen worden getrokken. Het potentiaalverschil/Voltage tussen twee punten is onafhankelijk van de weg die wordt afgelegd om van punt a naar b te komen.
Vragen en antwoorden
V: Wat is spanning?
A: Spanning is een elektrisch potentiaalverschil, het verschil in elektrische potentiaal tussen twee plaatsen. Het kan worden beschouwd als de kracht die ladingen in een draad of andere elektrische geleider doet bewegen.
V: Welke eenheid wordt gebruikt om spanning te meten?
A: De eenheid voor het meten van spanning is de volt. Het symbool voor deze eenheid wordt geschreven met een hoofdletter V (9V).
V: Hoe veroorzaakt spanning stroom?
A: Spanning kan ladingen doen bewegen, en aangezien bewegende ladingen een stroom veroorzaken, kan spanning een stroom veroorzaken.
V: Wie was Alessandro Volta en waarom is de volt naar hem genoemd?
A: Alessandro Volta was een Italiaanse natuurkundige die in 1800 de eerste batterij uitvond. De volt werd naar hem genoemd om zijn bijdrage aan de wetenschap te eren.
V: Zijn volt en spanning twee verschillende dingen?
A: Ja, volts zijn eenheden waarmee we iets meten, terwijl spanning verwijst naar wat we met die eenheden meten.
V: Wat zijn de twee soorten spanning?
A: Er zijn twee soorten spanning - DC (gelijkstroom) en AC (wisselstroom). Gelijkstroom heeft altijd dezelfde polariteit, terwijl wisselstroom afwisselend positief en negatief is.
V: Kunnen vogels zonder schade op hoogspanningslijnen landen?
A: Ja, vogels kunnen op hoogspanningslijnen zoals 12kV en 16kV landen zonder te sterven, omdat er zowel spanning als stroom aanwezig moeten zijn om er stroom (energie) doorheen te laten gaan - als er slechts één element aanwezig is, gebeurt er niets.
Zoek in de encyclopedie