Vad är ett spänningsfall i en elektrisk krets?
I denna vanliga tekniska fråga ger vi en kort begreppslig förklaring av spänningsfall och diskuterar polariteten hos spänningar som faller över motstånd, kondensatorer och induktorer.
Spänning, arbete och strömflöde
Ett batteri omvandlar kemisk energi till elektrisk energi genom att producera en spänning, det vill säga en skillnad i elektrisk potential, över dess två terminaler. Ett motstånd är en komponent som skapar ett specificerat motstånd mot elektrisk ström. När vi ansluter de två terminalerna på ett motstånd till de två terminalerna på ett batteri rör sig laddningsbärare genom kretsen, och vi kallar detta för elektrisk ström.
Spänning förmedlar förmågan att utföra arbetet med att flytta laddning från en punkt till en annan. Ett batteri på 5 V kan till exempel utföra 5 joule arbete per coulomb laddning. När strömmen flyter genom ett motstånd kan vi mäta hur mycket arbete (per laddningsenhet) som krävs för att hålla strömmen flytande genom motståndet.
Detta är kärnan i spänningsfall: ett batteri (eller en spänningskälla) levererar energi för att utföra arbetet med att flytta laddning. När strömmen flyter förbrukar komponenter som motstånd energi, och mängden arbete per laddningsenhet i samband med att strömmen flyter genom en viss komponent är komponentens spänningsfall.
Den spänning som faller från en komponent står för en del av den spänning som genereras av batteriet. Med andra ord fördelas det arbete som utförs av batteriet mellan komponenterna i kretsen.
Vi kan intuitivt inse att det kräver mer arbete att driva en given mängd ström genom ett större motstånd. Om två motstånd är i serie (vilket innebär att de har samma strömflöde) har alltså motståndet med mer motstånd ett större spänningsfall. Detta är grunden för spänningsdelarkretsens funktion.
Spänningsfallens polaritet
Ett motstånd fungerar alltid som en belastning – det vill säga som en komponent som förbrukar energi. Om vi antar den konventionella strömflödesmodellen, där strömmen flyter från högre spänning till lägre spänning, är spänningsfallet över ett motstånd positivt där strömmen går in i motståndet och negativt där strömmen går ut ur motståndet:
En strömflödesmodell som visar hur ett spänningsfall är positivt där strömmen går in i ett motstånd och negativt där den går ut ur motståndet.
Denna polaritet ”motverkar” källspänningen: om vi anslöt ett batteri med samma polaritetsorientering skulle det driva strömmen i motsatt riktning (eller så skulle det motverka källspänningen, beroende på hur man ser på saken).
Kapacitorer och induktorer lagrar energi, och följaktligen kan de fungera som antingen en belastning eller en källa. När de fungerar som belastning har de samma spänningsfallspolaritet som ett motstånd.
När de fungerar som belastning har kondensatorer och induktorer samma spänningsfallspolaritet som ett motstånd.
Spänningsfallspolariteten hos en kondensator ändras inte när den börjar urladdning. Även om den agerar som källa producerar den ström vars riktning är motsatt till laddningsströmmen.
Däremot försöker en induktans, när den urladdas, att upprätthålla strömflödet. Polariteten hos induktorns spänningsfall ändras således, eftersom den genererar ström vars riktning är densamma som den laddningsström som produceras av källan.