Fysikk

Spenning

11. mai 2008 av Karo_
Hei:)
Jeg lurer på en ganske grunnleggende sak:
1. Hva er egentlig spenning, hva er det vi måler?
2. Og hva menes når en sier at en måler spenningen over f.eks. en lampe?

Håper noen vil hjelpe meg med dette og forklare det forståelig!:)

Brukbart svar (0)

Svar #1
11. mai 2008 av elmsly

Kort forklart: spenning er potensiell energi mellom to punkter som kan hentes ut per enhet ladning. Tenk at jeg har en spenning 2V mellom punkt A og B, det betyr at hvis jeg tar en ladning på 1C og flytter fra A til B, vil jeg få en energi på 1C*2V=2J.

Når man snakker om spenningen over en lampe, f.eks, er det altså snakk om hvor mye energi en ladning vil hente ut ved å gå fra den ene enden av lampetråden til den andre. Dette dikteres gjerne av ohms lov.

En analogi som fungerer veldig bra er potensiell energi i tyngdefeltet. Som vi alle vet er potensiell energi gitt av
, der m er massen til objektet det er snakk om, g er tyngdeakselerasjonen og h er høyden i et visst punkt. Vi kan her definere oss en potensiell energi per enhet masse, en "tyngdespenning", som er gitt av

"Tyngdespenningen" over en høydeforskjell på to meter er da
Hvis jeg slipper x antall kg med stein to meter får jeg da ut
joule med energi.

Hjalp dette? Ikke nøl med å stille spørsmål. Spenning er et konsept som erfaringsvis mange har vansker med å få et grep om, men det er en veldig anvendelig størrelse, nettop fordi det ikke er avhengig av ladning.

Svar #2
11. mai 2008 av Karo_

Tusen takk, dette var veldig nyttig:)!

Svar #3
12. mai 2008 av Karo_

Er det da slik at når det kobles en lampe i en krets, så vil den "hente ut" den nødvendige energien (hvis det er tilgjengelig) den trenger?
Er det slik at store deler av den energien ladningene vil avgi ved å gå fra A til B kan brukes til å få glødetråden til å gløde?

Brukbart svar (0)

Svar #4
12. mai 2008 av elmsly

En lampe vil ikke egentlig "hente ut" energi, nei. En lampe vil utnytte en viss mengde av den potensielle energien som er lagret i batteriet, alt dette avhenger av hvordan kretsen er koblet opp. Det er lettest her å ty til ohms lov.

En lampe kan hente ut en god del energi, ja. Jeg er ikke helt sikker på hvor effektiv den er (og jeg har ikke tenkt til å regne på det akkurat nå), men ideen er at elektronene stadig blir sakket ned av å kollidere med atomer i glødetråden. Drivhastigheten som følge av dette er ganske mye lavere enn det man får hvis man ikke har resistans, så det impliserer vel at en god del energi kan nyttegjøres.

Svar #5
12. mai 2008 av Karo_

Takk:)
En ting til jeg lurer på:
VI snakker om spenniong på 240 V på strømnettet. Dette betyr altså arbeidet pr. ladning. Men vet vi antall ladninger? Hva forteller det oss ?

"Kort forklart: spenning er potensiell energi mellom to punkter som kan hentes ut per enhet ladning. Tenk at jeg har en spenning 2V mellom punkt A og B, det betyr at hvis jeg tar en ladning på 1C og flytter fra A til B, vil jeg få en energi på 1C*2V=2J."


Kan jeg hente ut all denne energien på 2 J i ett punkt på ledningen?

Brukbart svar (0)

Svar #6
12. mai 2008 av elmsly

Godt spørsmål. :)

Hvis vi også vet strømmen, så vet vi ladningen(strøm er ladning som passerer et punkt/tverrsnitt per enhet tid. Strømmen kan man finne ved hjelp av for eksempel ohms lov, alt utifra hva som passer.

Du kan hente ut denne energien hvor som helst på ledningen, ja, det viktige poenget her er at punktene det er snakk om er egentlig tilkoblingspunktene til dynamoen langt inne i kraftverket (forutsatt at man er koblet direkte på den, noe man sjelden er, men hvis vi skal trekke inn transformatorstasjoner i dette her blir ting unødvendig komplisert). Regelen er at spenningen endrer seg ikke i et metallstykke, så det er ingen spenningsforskjell mellom to punkter i kobbertråden. Snarere er det en spenningsforskjell mellom de to polene på dynamoen i kraftverket eller trafostasjonen (dette er egentlig en hvit løgn, indusert spenning på grunn av endring i magnetisk felt, slik som man har med vekselspenning følger ikke de vanlige reglene for V-felt som du lærer på videregående. For alle formål er dog matematikken helt lik).

Svar #7
13. mai 2008 av Karo_

Tusen takk:)
Er det også slik at ladningene, hvis vi gjør det enkelt og sier elektronene, går fra den negative polen til den positive, og i spenningskilden løftes elektronene opp til et høyere energinivå, akkurat som om de lades opp og så går ut på en ny "vandring"?
Eller er det slik at spenningkilden hele tiden "dytter" på ladningene mens de går gjennon ledningen? Hvordan utnytter en i så fall denne energien.
Jeg tror ikke jeg har forstått helt hva spenning egentlig er. Er det energi som er lagret i ladningene og kan brukes, eller er det energi som brukes til å drive ladningene rundt i kretsen? Jeg er ganske sikker på at det er det siste, men jeg forstår da ikke hvordan en utnytter denne energien.
Eller er det ikke slik at det er denne energien vi utnytter, men heller bare strømmen av ladninger. Og at strømmen øker når spenningene øker for da beveger ladningene seg raskere (de utføres et større arbeid pr. ladning)

Unnskyld at jeg plager deg med mange, rare spørsmål, men jeg er litt nyskjerrig av meg. Og jeg er utrolig takknemlig på hjelpen:)!

Brukbart svar (0)

Svar #8
13. mai 2008 av Mayhassen

Du kan vel sammenligne til en hviss grad med potensiell energi i gravitasjonsfeltet.
Tenk på en demning full av vann har mye "spenning, vannet ligger bare der med opplagret energi. Hvis du nå åpner en kran i bunn får du en strøm, avhengig av tverrsnittet som bestemmer hvor mye som tømmes ut.
For at dette skal komme opp i demningen igjen, f.eks at du bærer det opp igjen (får håpe at røret ikke var stort :-o ) må du bruke energi, du tilfører vannet potensiell energi igjen.

Mer tilbake til ladninger er det dette som skjer i et batteri, her er det kjemiske reaksjoner som "løfter" ladningene opp til et høyere potensial igjen. Deretter går de ut på ny vandring om du vil.

Jo høyere demningen er jo fortere vil vannet renne ut i bunn i det samme tverrsnittet, det samme skjer med spenningen, klarer å dytte flere ladninger gjennom samme hull, ergo større strøm av ladninger.

Brukbart svar (0)

Svar #9
14. mai 2008 av elmsly

Er det også slik at ladningene, hvis vi gjør det enkelt og sier elektronene, går fra den negative polen til den positive, og i spenningskilden løftes elektronene opp til et høyere energinivå, akkurat som om de lades opp og så går ut på en ny "vandring"? Eller er det slik at spenningkilden hele tiden "dytter" på ladningene mens de går gjennon ledningen? Hvordan utnytter en i så fall denne energien.


Vel, her begynner ting å bli litt rotete. Drivhastigheten for elektroner i en vanlig krets er veldig lav. Tenk på elektronene som en lang rekke personer som står med hendene på skuldrene til personen foran seg. Batteriet "dytter" på det bakerste elektronet, som i sin tur dytter på det foran seg osv. Det forreste elektronet blir etterhvert dyttet inn i batteriet. De elektronene som kommer ut av batteriet går neppe gjennom hele kretsen, men de dytter på elektroner som allerede var i kretsen. Hva gjelder om batteriet "flytter elektroner" opp til et høyere energinivå, eller om det simpelthen sitter med to kammere og har "lagret opp" elektroner er jeg faktisk ikke sikker på. Litt flaut, kanskje, men jeg kan tilnærmet ingen ting om kjemi, så jeg vet ikke hvilke prosesser som foregår i batterier. Matematisk sett er det ingen forskjell på de to.

Jeg tror ikke jeg har forstått helt hva spenning egentlig er. Er det energi som er lagret i ladningene og kan brukes, eller er det energi som brukes til å drive ladningene rundt i kretsen? Jeg er ganske sikker på at det er det siste, men jeg forstår da ikke hvordan en utnytter denne energien.


Spenning er, per definisjon, den potensielle energien per ladning som et elektrisk felt kan forårsake. Det er ikke nødvendigvis "lagret i ladningene", men hvis du har et elektrisk felt av en bestemt styrke og type, og putter ladninger inn i dette feltet, for så å flytte de fra ett sted til et annet, så vil dette endre ladningenes energi med en mengde bestemt av spenningsendringen multiplisert med ladningen (selvfølgelig, ethvert elektrisk felt forårsakes igjen av ladninger, men vi kan ofte av praktiske hensyn se bort fra dette).

Eller er det ikke slik at det er denne energien vi utnytter, men heller bare strømmen av ladninger. Og at strømmen øker når spenningene øker for da beveger ladningene seg raskere (de utføres et større arbeid pr. ladning)


Dette er faktisk to sider av samme sak. Når vi lar ladninger flytte seg over en spenningsforskjell, får de typisk økt sin kinetiske energi. Dvs. de beveger seg med større fart. Denne økte hastigheten kan vi utnytte på mange måter. Hvis vi tar for eksempel en glødetråd, så vil elektronene "kollidere" med atomer i glødetråden, og overføre noe av hastigheten sin til glødetråden. Dette fører til at glødetråden blir varmere. Jeg setter "kollidere" i anførselstegn her fordi vi egentlig må til med kvantemekanikk for å beskrive dette nøyaktig, men en fattigmannsversjon av ohms lov kan baseres på denne måten å tenke på.

Digresjon til side, og for å returnere til tyngdefeltanalogien er dette litt som et skovelhjul eller en turbin i et fossefall. Hvis vi lar elektronene våre være representert av, si, en viss mengde vann, så kan vi tenke oss at vi har en dam. Litt som med batteriet kan vi tenke oss at vi, av praktiske hensyn, har en uendelig mengde vann å ta av (dette er ikke tilfelle, på samme måte som et batteri gradvis går tomt, men for små tidsrom er dette en grei tilnærming). Spenningen her er representert ved hvor mye energi en liter av vannet kan tilføres ved å falle x meter, som tidligere nevnt er dette altså
. Hvis vi tar for eksempel fire liter vann, får det ut den kinetiske energien
. Vi kan utnytte noe av denne energien ved å la vannet treffe et skovelhjul, som det så overfører noe av hastigheten sin til. Vannet "dytter" på skovelhjulet, på samme måte som elektronene "kolliderer" med gitteratomer i glødetråden. Hvordan denne energien hentes ut varierer ut fra hva man skal bruke energien til, men dette er ett eksempel.

Unnskyld at jeg plager deg med mange, rare spørsmål, men jeg er litt nyskjerrig av meg. Og jeg er utrolig takknemlig på hjelpen:)!


Intet problem, dette er en velkommen pause fra eksamenslesningen for mitt vedkommende, og det er forfriskende å svare på spørsmål så lenge man føler at den man svarer faktisk følger med på hva man sier. :-)

Brukbart svar (0)

Svar #10
14. mai 2008 av elmsly

...


Det slår meg at jeg burde ha lest hva du skrev før jeg svarte selv. Bra at noen her vet hvordan batterier fungerer.  :-)

Svar #11
14. mai 2008 av Karo_

Tusen, tusen takk for all hjelp:) Utrolig takknemlig!
Jeg ønsker deg lykke til på eksamen:)

Enda en lite tin jeg lurer på:
Hvorfor blir spenningen i en parallellkobling den samme over begge motstandene?

Brukbart svar (0)

Svar #12
14. mai 2008 av elmsly

Tusen, tusen takk for all hjelp:) Utrolig takknemlig!
Jeg ønsker deg lykke til på eksamen:)

Takk.  :-)


Hvorfor blir spenningen i en parallellkobling den samme over begge motstandene?


Nok en gang berører du et veldig sentralt spørsmål som jeg har unngått av frykt for komplikasjoner. :-)

Det korte svaret er at spenningsfallet over motstandene er differansen mellom spenningene på hver side av motstandene. Siden de er parallellkoblet er spenningene på hver side lik spenningen i knutepunktene for koblingen, og ergo har vi likt spenningsfall over de to motstandene (om du vil, to separate fossefall begynner i samme høyde og møtes igjen litt senere, da må høydeforskjellen mellom de to punktene være det samme for begge fossefall). Hvis du finner deg i den forklaringen så trenger du ikke å lese videre.

Hvis du derimot vil ha et ordentlig svar, og ikke bare en matematisk variant av "det bare er sånn", les videre.

En kan spørre seg om det nødvendigvis er slik at spenningen assosiert til et bestemt punkt er uavhengig av hvilken vei vi tar for å gå dit (slik det ville være hvis spenningen over to parallellkoblete motstander skulle være forskjellig). Det er her vi må huske både hvordan vi har definert spenningsforskjell, og kanskje nok en gang trekke inn litt analogier til tyngdekraft. Årsaken til at spenningsforskjeller er uavhengige av hvilken vei du går er at det elektriske feltet, som tyngdefeltet, er konservativt. For å vise dette generelt må jeg ty til vektoranalyse, så jeg tror jeg skal la være med det. I stedet kan jeg gi deg et eksempel du kan forholde deg til, og som du er vant til fra tyngdekraft: et rettlinjet, uniformt elektrisk felt (det slår meg forøvrig at jeg ikke på noe tidspunkt har nevnt at spenning alltid er forbundet med et elektrisk felt, dette er litt sentralt for det som følger).

Som du vet fra diskusjoner av tyngdefelt, så er potensiell energi fullstendig forbundet med kinetisk energi for et objekt, hvis vi ser bort fra andre former for krefter. Videre er det også slik at endring i potensiell energi kun er avhengig av den potensielle energien til et objekt i startpunktet og endepunktet, ikke av hvilken vei du går. I et uniformt tyngdefelt er den potensielle energien gitt av
, og videre har vi altså at tyngdespenningsforskjell mellom to punkter med høydeforskjell
er gitt av
, jamfør det jeg har skrevet tidligere. Den vanlige måten å utlede dette på er ved å si at endring i potensiell energi, ved energibevaring, må være like stor (men med motsatt fortegn) som arbeidet som kreves for å flytte objektet. Dette kjenner vi igjen i
, den velkjente kraft ganger vei (men med motsatt fortegn). Har vi et rettlinjet elektrisk felt, kan vi tilsvarende utlede en forskjell i potensiell energi mellom to punkter i en avstand
, det blir da elektrisk kraft ganger veien, så altså
. Siden nå elektrisk felt er konservativt kan vi like gjerne si at dette er endringen i potensiell energi (av fortegnshensyn går vi da motsatt vei av det elektriske feltet, potensiell energi øker når vi går oppover i et tyngdefelt). Så vi får at denne spenningen, som jeg definerte som endring i potensiell energi per enhet ladning, da blir
, uavhengig av veien vi går.

Jeg beklager at jeg ikke klarer å gjøre dette uten en god del vifting med hendene. Jeg vet ikke hvor dypt dere går inn på slike begreper som konservative krefter, men jeg kan neppe se for meg at dere har sett et helt rigid bevis for at et felt er konservativt. Forhåpentligvis kan du kanskje se analogien og slå deg til ro med at det finnes et bevis for denne påstanden, som forøvrig er kjent som Maxwells tredje lov, eller maxwell-faradays lov for konstant magnetisk fluks. :-)

Skriv et svar til: Spenning

Du må være pålogget for å skrive et svar til dette spørsmålet. Klikk her for å logge inn.
Har du ikke en bruker på Skolediskusjon.no? Klikk her for å registrere deg.