Wat is een spanningsval in een elektrisch circuit?

In deze veelgestelde ingenieursvraag geven we een korte conceptuele uitleg van spanningsvallen en bespreken we de polariteit van spanningsvallen over weerstanden, condensatoren en inductoren.

Voltage, arbeid en stroom

Een batterij zet chemische energie om in elektrische energie en produceert daarbij een spanning – d.w.z. een verschil in elektrische potentiaal – tussen de twee aansluitpunten. Een weerstand is een component die een bepaalde hoeveelheid weerstand creëert voor elektrische stroom. Wanneer we de twee aansluitingen van een weerstand verbinden met de twee aansluitingen van een batterij, verplaatsen ladingsdragers zich door het circuit en noemen we dit elektrische stroom.

Voltage geeft het vermogen aan om het werk te verrichten van het verplaatsen van lading van het ene punt naar het andere. Een batterij van 5 V, bijvoorbeeld, kan 5 joule arbeid verrichten per coulomb lading. Wanneer er stroom door een weerstand loopt, kunnen we de hoeveelheid werk meten (per eenheid lading) die nodig is om de stroom door de weerstand te laten lopen.

Dit is de essentie van spanningsverlies: een batterij (of spanningsbron) levert energie om het werk van het verplaatsen van lading te doen. Wanneer er stroom loopt, verbruiken componenten zoals weerstanden energie, en de hoeveelheid werk per ladingseenheid in verband met de stroom die door een bepaalde component loopt, is het spanningsverlies van de component.

Het spanningsverlies van een component is goed voor een deel van de spanning die door de batterij wordt gegenereerd. Met andere woorden, het werk dat door de batterij wordt verricht, wordt verdeeld over de componenten in het circuit.

We kunnen intuïtief inzien dat een bepaalde hoeveelheid stroom door meer weerstanden meer werk zal vergen. Als dus twee weerstanden in serie staan (d.w.z. dat ze dezelfde stroom doorlaten), heeft de weerstand met de grotere weerstand een grotere spanningsval. Dit is de basis voor de werking van de spanningsdeler-schakeling.

Polariteit van spanningsdalingen

Een weerstand functioneert altijd als een belasting, dat wil zeggen als een component die energie verbruikt. Als we het conventionele stroomverloopmodel volgen, waarbij de stroom van een hogere spanning naar een lagere spanning loopt, is de spanningsval over een weerstand positief waar de stroom de weerstand ingaat en negatief waar de stroom de weerstand verlaat:

Een stroomverloopmodel dat laat zien hoe een spanningsval positief is waar de stroom een weerstand ingaat en negatief waar de stroom de weerstand verlaat.

Deze polariteit “staat tegenover” de bronspanning: als we een batterij met dezelfde polariteit zouden aansluiten, zou deze de stroom in tegengestelde richting sturen (of hij zou de bronspanning tegenwerken, afhankelijk van hoe je erover denkt).

Capacitors en inductors slaan energie op, en kunnen dus zowel als een belasting of als een bron fungeren. Als ze als belasting werken, hebben ze dezelfde spanningsvalpolariteit als een weerstand.

Als ze als belasting werken, hebben condensatoren en spoelen dezelfde spanningsvalpolariteit als een weerstand.

De spanningsvalpolariteit van een condensator verandert niet als hij begint te ontladen. Hoewel hij als bron fungeert, produceert hij stroom waarvan de richting tegengesteld is aan die van de laadstroom.

Wanneer echter een spoel ontlaadt, probeert hij de stroom in stand te houden. De polariteit van de spanningsval van de spoel verandert dus, omdat hij stroom produceert waarvan de richting dezelfde is als die van de laadstroom die door de bron wordt geproduceerd.