Spanning

Tussen een positieve en een negatieve lading bestaat een aantrekkingskracht. Een bepaalde hoeveelheid van energie moet in de vorm van Arbeid aanwezig zijn om de kracht op te heffen en deze ladingen een bepaalde afstand van elkaar te laten bewegen. Alle tegengestelde ladingen bezitten een bepaalde potentiële energie omwille van de afstand tussen beiden. Het verschil in potentiële energie van de ladingen is het potentiaalverschil of de spanning. Spanning is de drijvende kracht in elektrische schakelingen en is datgene wat stroom door een schakeling veroorzaakt.

Wat onthoud je best?

• De definitie van spanning en zijn kenmerken
• De formule voor spanning.
• Naam en definitie van de eenheid van spanning.
• Beschrijving van de elementaire spanningsbronnen.

De eenheid van spanning: Volt

Spanning is gedefinieerd als energie per eenheid van lading en wordt uitgedrukt als:

$U= \frac{W}{Q}$

(2-2)

Hierin stelt U de spanning voor in volt (V), W de energie in joule (J) en Q de lading in coulomb ©.

Spanning kan je vergelijken met het drukverschil tussen de druk op het water in een watertoren en de luchtdruk van een open kraan. Dit drukverschil zorgt ervoor dat het water uit de leiding stroomt.

Figuur 2-12 : Analogie tussen elektriciteit en het stromen van water in leidingen.

$U= \frac{W}{\mathrm{Q}}= \frac{60 J}{15 C}=4 V$

DC-spanningsbron

Een spanningsbron levert elektrische energie of elektromotorische kracht (EMK). Dit is beter bekend als spanning. Spanning kan worden geproduceerd door middel van chemische energie, lichtenergie of magnetische energie in combinatie met mechanische beweging.

Een ideale spanningsbron is een bron die een constante spanning levert voor elke stroom die door een schakeling vloeit. Echter een ideale spanningsbron bestaat niet. Werkelijke spanningsbronnen kunnen in de praktijk de ideale spanningsbron dicht benaderen. Daarom wordt in deze cursus de spanningsbron als ideaal beschouwd tenzij anders vermeld.

Naast spanningsbronnen die een bepaalde gelijkspanning leveren bestaan er ook bronnen die wisselspanning kunnen leveren. Het symbool van een gelijkspanningsbron is weergegeven in figuur 2-13 (a). Gelijkspanningsbronnen worden meestal DC-bronnen genoemd. DC staat voor Direct Current. Wisselspanningsbronnen worden meestal AC-bronnen genoemd wat Alternated Current betekent.

Figuur 2-13 : (a) Symbool DC-spanningsbron; (b) Spanning-stroom-karakteristiek van een DC-spanningsbron

Figuur 2-13(b) toont de stroom versus spanningskarakteristiek voor een ideale DC-bron en een werkelijke DC-bron. Bij een ideale DC-bron is de spanning constant voor alle stroomwaarden. Voor een praktische (niet-ideale) DC-bron, die verbonden is met een schakeling, neemt de spanning enigszins af bij toenemende stroom (zoals getoond door de stippellijn). Wanneer een belasting wordt aangesloten op een spanningsbron vloeit er steeds stroom van deze bron naar de belasting toe en van deze belasting terug naar de spanningsbron. Deze stroom verlaat de negatieve pool van de spanningsbron, vloeit door de belastingsweerstand en keert terug naar de spanningsbron via de positieve pool.

De batterij

Een batterij bestaat uit één of meerdere cellen die chemische energie direct omzetten in elektrische energie. De verhouding energie op lading ( W/C ) per laadbeurt is de basiseenheid voor de spanningswaarde van de batterij. In feite wordt een batterij niet echt opgeladen maar slaat deze chemische potentiele energie op. Alle batterijen gebruiken een specifiek type chemische reactie die oxidatie-reductie reactie wordt genoemd. In dit type reactie worden de elektronen overgebracht van de ene reactant naar de andere reactant. Als in de batterij de in de reactie gebruikte chemicaliën gescheiden worden gehouden, is het mogelijk een stroom te veroorzaken in het externe circuit. Deze stroom kan worden verwezenlijkt door een belasting aan te sluiten tussen de zogenaamde positieve pool van de batterij en de negatieve pool. Via deze belasting kunnen elektronen zich verplaatsen vanaf de negatieve batterijzijde door deze externe belasting naar de positieve zijde van de batterij. Zolang dit externe pad voor de elektronen aanwezig is kan de chemische reactie verder verlopen. Dit heeft als gevolg dat chemische energie wordt omgezet in elektrische energie, welke verantwoordelijk is voor het vloeien van de elektrische stroom. Als het externe pad verbroken wordt, stopt de reactie en is de batterij in evenwicht.

Test jezelf

1. Wat is de definitie van spanning?
2. Wat is de eenheid van spanning?