mini|Batterier er eksempler på spenningskilder.
mini|Symbolet for en likespenningskilde mini|Symbolet for en vekselspenningskilde
Elektrisk spenning, eller elektrisk potensialforskjell, er en fysisk størrelse som angir differansen for potensiell energi mellom to punkter i et elektrisk felt per ladningsenhet. En kan også definere spenning som differansen mellom to elektriske potensialer. Vanlig symbol er U og måleenheten i SI-systemet er volt. Spenning kan måles med et voltmeter. Spenningen fra en spenningskilde driver strømmen i en elektrisk krets, og samtidig oppstår spenningsfall på grunn av motstand (resistans) i kretsen.
Symbolet brukes også for spenning, men da for å gjøre oppmerksom på at det er en elektromotorisk spenning (ems) det er snakk om. Ems kalles også for drivende spenning, og navnet henspiller på at denne spenningen er årsak til at en strøm drives frem i en krets. Ems oppstår i spenningskilder som batterier, generatorer og solceller, men også i spoler, elektriske motorer og transformatorer. Den kan være forårsaket av kjemiske prosesser som i et batteri, induksjon som i en generator eller fotovoltaisk effekt som i en solcelle. Sammenhengen mellom spenning og strøm for en elektrisk krets er gitt av Ohms lov.
I en elektrisk krets må det være til stede en drivende spenning, altså ems, men det vil også være et spenningsfall på grunn av motstand i kretsen. Når en tilknytter en spenningskilde til en elektrisk krets settes det opp et elektrisk felt gjennom hele lederen. Ladningbærere er den egentlige strømmen, disse består av elektroner eller ioner som er elektrisk ladet. På grunn av det elektriske feltet virker det en kraft i én retning på disse som får ladningene til å bevege seg, og det oppstår resistans som følge av motstanden de møter. Resistansen gir et spenningsfall med motsatt retning av det påsatte ytre elektriske feltet.
I elektriske systemer med vekselstrøm er drivende spenning tidsvarierende og kan beskrives av en sinusfunksjon. Dette fører til at også strømmen blir sinusformet om kretselementene er lineære. Ohms lov kan da anvendes. I slike kretser kan det også være tilstede spoler, transformatorer, elektriske motorer og annet som også har ems. Dette skaper en egen elektrisk vekselstrømmotstand som kommer i tillegg til den ohmske motstanden.
Notasjon og måleenheter mini|Et voltmeter fra at skolelaboratorium.
Elektrisk spenning er en enhet i SI-systemet, men er ikke en grunnenhet. Den er definert slik at 1 V (volt) er den spenning som skal til for at en strøm på 1 A (ampere) skal avgi en elektrisk effekt på 1 W (watt) til en resistans. Enheten volt er oppkalt etter den italienske fysikeren Alessandro Volta (1745-1827),Hallseth (1990), s. 77 som holdes for å være oppfinneren av det første elektriske batteriet, kjent som voltasøylen.
I engelsk litteratur brukes ofte symbolet V for spenning. I engelsk språkbruk brukes betegnelsen «voltage» for «spenning», men «volts» V brukes alltid for måleenheten.
Opphav til ladning Alle elektriske fenomener, inkludert begrepet spenning, kan i elektromagnetismen knyttes til elektriske felter. Elektriske ladninger omgir seg med et elektrisk felt, og en sier at det elektriske feltet går ut fra positive ladninger og inn mot de negative.
Elektrisk ladning finnes i naturen og er en grunnleggende egenskap ved elementærpartiklene. Elementærpartiklenes ladninger er bipolare, noe som vil si at en har to typer: positive og negative. En annen egenskap med ladninger er at de er diskrete: Alle ladninger kan beskrives som multipler av elektronets ladning på 1,6022·10−19 C. Spenning har å gjøre med separasjon av ladninger, og når positive og negative ladninger blir separert så må det brukes energi.James W. Nilsson (1990), s. 5-6
Potensial i et elektrisk felt
I klassisk mekanikk er begrepene arbeid, potensiell energi og regelen om konservering av energi mye brukte konsepter. Også i forbindelse med elektriske felter brukes disse reglene. Kraft og potensiell energi er direkte relatert; en gjenstand som står på et bord har større potensiell energi enn om den samme gjenstanden stod nede på gulvet under bordet.
I fysikk er arbeid produktet av kraft og vei, dette gjelder også for elektriske felt. Om en tenker seg en elektrisk ladd partikkel i et elektrisk felt vil arbeidet W som en kraft F utfører på partikkelen være lik produktet av kraften og den tilbakelagte veilengden s, altså W = F· s.
Det er en tydelig analogi mellom potensiell energi for en elektrisk partikkel og for potensiell energi for et legeme i et gravitasjonsfelt: Den potensielle energi av et legeme i jordens tyngdefelt er Ep = gmh, der g er tyngdeakselerasjonen, m er massen og h er høyden over bakken. På samme måte er potensiell energi for en ladet partikkel q0 i et elektrisk felt gitt av Vp = q0Ey der Vp er potensiell energi i hvilken som helst posisjon i feltet og y er distansen fra det som er satt til å være nullpotensialet.
thumb|En testladning i et homogent elektrisk felt mellom to elektrisk ladete plater med forskjellig polaritet. Kraften virker på den elektriske testpartikkelen i feltet . De stiplede linjen markerer to posisjoner Ua og Ub der det elektrisk potensial har forskjellige nivåer. I bildet til høyre viser en elektrisk partikkel i et homogent elektrisk felt som er satt opp mellom to plater med motsatt polaritet. Det virker en kraft markert med rød pil på testladningen på grunn av feltet. Kraften er konstant og beveger testpartikkelen fra punkt a til b, dermed endres partikkelens potensielle energinivå. Endringen er gitt av:
der alle symbolene er de samme som tidligere.
Det som er viktig egenskap med dette uniforme elektriske feltet er at det er et konservativt felt, noe som betyr at veien fra a til b som testladningen beveges er irrelevant. Dermed er den potensielle energien for et gitt punkt i feltet kun avhengig av distansen y fra et definert referansenivå. En annen konsekvens av dette er at summen av potensiell og kinetisk energi på grunn av bevegelse er konstant, altså at total mekanisk energi er konservert:
der Ka og Kb er kinetisk energi ved henholdsvis a og b. Dette er igjen en analogi til bevegelse av et legeme i jordens tyngdefelt.Young og Freedman (2008), s. 781
Elektrisk potensial er definert som potensiell energi per ladningsenhet. Definisjonen kan gjelde testladningen som ble introdusert over: For en testladning er potensialet U et sted i et elektrisk felt der den potensielle energien V per ladningsenhet q0 er det samme. Dette kan uttrykkes:Young og Freedman (2008), s. 787
I bildet til høyre over med den positiv testladning er de to posisjonene Ua og Ub markert med linjer der det elektriske potensialet har forskjellig nivå. Om partikkelen beveger seg langs en av de stiplede linjene vil ikke potensialet endre nivå.
Spenning eller elektrisk potensialforskjell Formelen øverst i forrige avsnitt, som viser endring av energi for en testladning som beveges i et elektrisk felt fra posisjonen a til b, kan skrives om med definisjonen av potensial satt inn:Young og Freedman (2008), s. 788
der Ua = Va/q0 er potensiell energien per ladningsenhet ved punkt a og Ub = Vb/q0 er tilsvarende energien per ladningsenhet ved punkt b. Videre er Ua og Ub potensialet ved henholdsvis posisjonen a og b. Arbeidet per enhetsladning som gjøres av et elektrisk felt når ladningen forflyttes fra a til b er med andre ord lik potensialforskjellen ved a minus den ved b. Dermed sier en at Ua - Ub er potensialet ved posisjon a i forhold til b, som er en differanse som ofte skrives Uab, altså:
Denne forskjellen mellom to elektriske potensialer kalles spenning. For kretsanalyse er dette definisjonen av spenning i henhold til IEC.electropedia, definisjon 131-11-56. I en elektrisk leder som tilknyttes en spenningskilde vil det gå et elektrisk felt, dette feltet er sterkere jo større potensialdifferensen Uab mellom terminalene Ua og Ub til spenningskilden er. Dette igjen avgjør hvor stor strøm I som går i lederen, noe som er gitt av Ohms lov.
Referanser for spenning mini|Et jordspyd i forbindelse med en elektrisk installasjon er et forsøk på å oppnå absolutt null spenning. Begrepet referansejord brukes for dette.
Ved bestemmelse av potensialet til en ladning eller leder, kan det oppstå problemer med hva denne skal refereres mot. En løsning kan være å referere ladningen mot jorden, for jorden er en leder og i prinsippet er dens potensial det samme over alt. Men er jordkloden som helhet ladd eller ikke? Og i så fall, hvor stort er dens potensial? I praksis trenger en ikke å vurdere slike forhold da begrepet potensialforskjell eller spenning er innført, dermed ser en på relative potensialer og ikke absolutte. Konseptet elektrisk spenning skal gjøre det enkelt å regne på energiforandringer hos ladede partikler som beveger seg i elektriske felter.Sigurd Stensholdt (1974), s. 58 Når det gjelder jordens potensial har en innført begrepet referansejord. Med dette begrepet defineres som en konvensjon at jordens potensial er null og ikke mulig å påvirke.electropedia, definisjon 826-13-01
Spenningskilder Spenningskilder frembringer en såkalt elektromotorisk spenning, som i en elektrisk krets også kalles for drivende spenning. Navnet henspiller på at det er denne spenningen som driver strømmen, og dermed sørger for at det blir utført et arbeid, med andre ord overført energi fra en kilde til forbrukere (elektriske laster). Elektromotorisk spenning forkortes gjerne «ems» og gis symbolet . Formelt sett har den samme definisjon som spenning generelt, og en setter at:
der Uab som tidligere er spenningen mellom to punkter, eller terminaler på en spenningskilde a og b, der a er positiv og b negativ terminal. Opphavet til denne spenningen kan være høyst forskjellig blant de ulike spenningskildene en kjenner til.
Nedenfor følger en gjennomgang av hvordan ems oppstår ved induksjon og ved kjemiske prosesser i batterier. Andre kilder til ems er for eksempel solceller og Van de Graaff-generatoren. Spenning har en også over en kondensator som er i stand til å akkumulere energi som et elektrisk felt. En spole er et annet kretselement som skaper ems om strømmen gjennom den endres.
Induksjon
mini|En strømsløyfe som roterer i et magnetisk felt () som er tilknyttet en ytre krets (Load) via sleperinger (Slip ring) og børster (Brush). Spenningen og strømmen som induseres vil skifte retning for hver halve omdreining. Dette er prinsippet for en synkrongenerator som frembringer vekselstrøm.
Elektromagnetisk induksjon skjer ved at en elektrisk ledersløyfe utsettes for et varierende magnetisk felt. Faradays lov som er oppkalt etter den britiske fysikeren Michael Faraday (1791–1867) forteller om størrelsen av den induserte ems. Loven uttrykkes matematisk slik:
der ΦB er magnetisk fluks. Uttrykket sier at det er den tidsderiverte av fluksen som gir en indusert ems. Størrelsen av ems er bestemt av styrken av magnetisk fluks og hvor hurtig den endres. Retningen av den elektromotoriske spenningen er gitt ved Lenz' lov og minustegnet har sammenheng med dette. At det er selve forandringen av et magnetisk felt som gir indusert spenning vil si at det er nødvendig med en stadig endring av fluksen for å få en vedvarende indusert spenning. I en generator utnyttes dette prinsippet ved at elektriske ledere kontinuerlig utsettes for et varierende magnetfelt.
I figuren til høyre er det vist en prinsipiell skisse av en generator der en rotor bestående av en ledersløyfe er i stand til å rotere i et magnetfelt. Magnetfeltet er satt opp av to magneter som har motsatt polaritet, nordpol og sørpol står altså mot hverandre. Feltet mellom nord- og sørpol er konstant, men for den roterende viklingen vil det stadig skje en endring av magnetfeltet. I dette tilfellet blir det indusert en vekselspenning. Vindingen er tilknyttet to sleperinger som igjen er tilknyttet en ekstern krets («Load», eller last på norsk).