Elektrisk spenning

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

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), 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.

Referanser for spenning

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. 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.

Spenning fra et batteri

Et batteri består av en eller flere galvaniske elementer som er seriekoblet med forbindelse til terminalene på utsiden med pluss- og minuspol. Dette betyr at hvert galvanisk element også har terminaler med pluss- og minuspol. Det oppstår en ems mellom hver av disse terminalene i elementene, og summen av spenningen over hver av disse er batteriets spenning. I et slikt element er det to elektroder og mellom disse er den såkalte elektrolytten. Elektrodene består av forskjellige materialer. I et typisk tørrelement består den ene elektroden av en beholder av sink som gjerne har sylindrisk form og er lukket i den ene enden. Inne i beholderen er elektrolytten og ned i denne er den andre elektroden anbrakt. Elektroden i senter av et tørrelement består typisk av kull, med brunstein rundt. Sinkbeholderen kalles gjerne for katoden og kullelektroden kalles anoden. Selve elektrolytten består av blant annet salmiakkoppløsning, dens form er som en tykk pasta.
Ved katoden skjer det en kjemisk prosess som fører til at positive ioner går ut i elektrolytten. Dette fører igjen til at de etterlater seg elektroner i katoden, mens ionene som vandrer ut i elektrolytten endrer det elektriske potensialet også her. Det oppstår dermed en potensialforskjell mellom katoden og elektrolytten. Ved anoden i midten skjer det lignende prosesser, men her er det elektroner som forlater den og går ut i elektrolytten. Elektronene som går ut i elektrolytten møter de positive ionene fra sinkelektroden, dermed nøytraliseres disse. De kjemiske prosessene ved de to elektrodene fører til et potensialsprang i sjiktet mellom elektrode og elektrolytt. Dette gjør at det oppstår en potensialforskjell eller ems mellom terminalene.
Når batteriets terminaler tilknyttes en ytre krets vil elektroner forlate den negativt ladede sinkelektroden, elektrodene går gjennom kretsen og kommer tilbake ved kullelektroden som har positiv ladning, altså underskudd av elektroner. Når dette skjer vil begge potensialene i grensesjiktene avta, men de kjemiske reaksjonene blir sterkere og potensialdifferensen øker til omtrent nivået før belastningen ble satt på.
Oppbyggingen kan være mer komplisert enn beskrivelsen over, og virkemåten med kjemiske reaksjoner mer omfattende. Uansett skjer det en oksidasjonsreaksjon ved sinkelektroden, og ved kullelektroden en redoksreaksjon. I tillegg finnes det flere andre batterityper. Felles for disse er at materialene inngår i en kjemisk prosess der det frigjøres energi, samtidig som de også skapes om til andre stoffer.

Hydraulisk analogi

Hydrauliske analogier brukes ofte for å sammenligne elektriske kretser med hydrauliske, altså væskefylte kretser. Bildet til høyre viser to beholdere med forskjellig høyde over bakken, et rør fra hver av disse går ned til et kar. I beholderne kan det være vann eller en annen væske som vil strømme ned til karret. Trykket ved utløpet av røret vil være større for det som er tilknyttet beholderen som er plassert høyest, dette med forutsetning om at rørene har like stor hydraulisk motstand. Beholderen som er høyest over karets nivå har størst potensiell energi, dermed vil vannet fra denne beholderen også få størst kinetisk energi når det strømmer gjennom røret (størst hastighet). Dette blir analogt til det som ble sagt lenger opp om at en ladning med stor avstand fra nullpotensialet har stor potensiell energi, og altså størst spenning.
Trykk er analogt til spenning i denne sammenligningen. Når vannet beveger seg gjennom rørene oppstår et trykkfall som kalles dynamisk trykk. Det røret som er lengst vil ha størst trykkfall, forutsatt at de ellers har lik beskaffenhet, som det ser ut til å være på tegningen. Dette er en analogi til elektrisk spenningsfall, der lengden av lederen er avgjørende for denne størrelsen.
Generelt avhenger trykkfallet av hydraulisk motstand. Denne er for et rør avhengig av dets lengde, diameteren og ruheten, altså om røret er glatt eller ru innvendig. Hydraulisk motstand er analogt med elektrisk motstand, der lederens resistivitet, tverrsnittsareal og lengde er avgjørende.
Væskestrømmen, altså volum per tidsenhet gjennom et tverrsnitt av røret, vil være proporsjonal med høyden av beholderne, men omvendt proporsjonal med hydraulisk motstand. Dette har store likhetstrekk med Ohms lov, der elektrisk strøm er proporsjonal med spenningen og omvendt proporsjonal med resistansen. Om en forutsetter at de to rørene i figuren har like stor hydraulisk motstand, for eksempel ved at det lengste røret har litt større diameter enn det korte, vil veskestrømmen bli størst i røret med størst trykk, altså røret til høyre. Det samme vil skje i en elektrisk krets der en holder resistansen konstant og øker spenningen, altså at den elektriske strømstyrken øker.

Aktiv og reaktiv effekt

Av de grunnleggende formlene for vekselspenningen over henholdsvis en spole og en kondensator var det forskjellige fortegn for faseforskyvningen. Figuren til høyre viser et tilfelle der vekselspenning og -strøm er 90º faseforskjøvet. Strømmen ligger etter spenningen, med andre ord er dette en ideell induktiv krets. Produktet av strøm og spenning er effekt, men når kurven for strøm og spenning for en slik krets multipliseres vil produktet være positivt halvparten av periodetiden og negativt den andre. Middeleffekten er med andre ord null. Det samme vil en se for en krets med kun en kondensator. Allikevel går det strøm i en slik krets, men ikke noe nettoenergi blir utvekslet. En har innført begrepet reaktiv effekt med formel:
Der sin φ er sinus til faseforskyvningen mellom strøm og spenning. Om kretsen er rent induktiv eller kapasitiv blir faseforskyvningen 90° og en sier at all effekt er reaktiv. For en krets som er sammensatt av både resistans og reaktans blir denne vinkelen mindre enn 90°. Det er dermed omsetning av både aktiv og reaktiv effekt. Formelen for aktiv effekt er:
der cos φ er cosinus til faseforskyvningen mellom strøm og spenning. Når denne vinkelen er null går det kun aktiv effekt i kretsen. Aktiv effekt kan assosieres med omsetning av energi som fører til oppvarming som for eksempel i en elektrisk ovn, aluminiumsproduksjon ved elektrolyse eller omforming til mekanisk arbeid i en motor. Reaktiv effekt har sammenheng med elektriske eller magnetiske felter i henholdsvis kondensatorer og spoler, som bygges opp og ned.

Energiforsyning

En elektrisk leder bør ha så liten elektrisk motstand som mulig. Derimot bør motstanden mot omgivelsene være så stor som praktisk gjennomførbart. Når det gjelder høyspentanlegg vil lederne være farlige for omgivelsene. En annen ting er at ledere som kommer i berøring med hverandre fører til kortslutning. Derfor er ledere ofte isolert med for eksempel en plastkappe, eller papir og olje for høyspentkabler. Der det er snakk om uisolerte ledere, for eksempel i en kraftlinje, er disse ofte hengt opp med isolatorer av for eksempel porselen, glass eller plast. Hvis en gjør isolatoren i en kraftledningsmast lang nok, eller isolasjonen rundt en kabel tykk nok, kan lederen gjøres ufarlig for omgivelsene selv ved meget høye spenninger.
I en høyspentkabel kan isolasjonen være flere centimeter tykk utenpå selve lederen. Utenfor isolasjonen er det en sylindrisk skjerm som omslutter kabelen fullstendig i hele sin lengde. Skjermen er tilknyttet jordpotensialet via en jordelektrode. Dermed ligger det et spenningsfall på kanskje flere hundre tusen volt over isolasjonen, allikevel kan en berøre kablenes utside uten fare.
En annen mulighet for isolasjon er å sørge for store nok avstander mellom ledere med forskjellige potensialer, uten at det er noen annen isolasjon enn luft mellom dem. Dette kalles for luftisolerte elektriske anlegg. En kraftledning har ofte mange meters avstand mellom lederne, som er helt uten isolasjon. Derimot er det ved opphengspunktene lange kjeder med isolatorer av glass.
Tidligere ble det nevnt at induktans L er avhengig av geometriske forhold, noe som også gjør induktiv reaktans avhengig av avstand mellom ledere. For at spenningsfallet denne reaktansen skaper i en kraftledning skal være minst mulig er det ønskelig at faselederne er så nært hverandre som mulig. Dette står i motsetning til kravet om stor avstand for å ha tilstrekkelig isolasjon mellom lederne. Ved konstruksjon av kraftlinjer er dette to faktorer som må tas med i vurderingene.
Alt etter hvilke spenningsnivå som betraktes i et overføringsnettet er materialer og sikkerhetstiltak vidt forskjellig. Det er store kostnader forbundet med det materiellet som brukes for høye spenninger, derfor er dette del av en teknisk-økonomisk optimalisering.

Måling av spenning

Til måling av spenning brukes et voltmeter som enten kan være analogt som i bildet til høyre eller digitalt. Digitale instrumenter gir måleresultatet som tall på en skjerm, mens i de analoge instrumentene er det en visernål som viser målt verdi på en skala. Det analoge voltmeter er et elektromekanisk instrument som fungerer ved å utnytte krefter mellom strømførende ledere og magnetiske felter.
Mye brukt er et d'Arsonval-meter oppkalt etter den franske vitenskapsmannen Jacques-Arsène d'Arsonval (1851-1940). Dette instrumentet kalles også galvanometer, og brukes både for å måle strøm og spenning. Instrumentet har en spole med mange vindinger på et bevegelig anker der målestrømmen ledes gjennom. Ankeret med spolen kan dreie rundt i et konstant sterkt magnetfelt. Det er permanentmagneter som danner feltet og som står arrangert rundt ankeret som vist på illustrasjonen til høyre. Ankeret er belastet med en liten spiralfjær og visernålen er festet til ankeret. Når det går strøm gjennom spolen vil det virke en kraft mellom ankeret og magnetfeltet, dermed vris ankeret. Det er en fjær som balanserer denne kraften med en motkraft som er proporsjonal med vinkelutslaget. Utslaget som ankeret gjør er igjen proporsjonalt med strømmen.
Et krav til et voltmeter er at det skal påvirke kretsen som skal måles så lite som mulig, derfor er det en stor motstand i serie med galvanometret. Dermed blir strømmen som går gjennom selve målekretsen svært liten. En annen sak er at en ikke ønsker stor spenning inn på instrumentet. Strømmen som går gjennom voltmeterkretsen er igjen proporsjonal med spenningen som skal måles, dermed kan skalaen være gradert direkte i Volt. Det at strømmen er liten gjør at spolen og ledningene den er tilknyttet kan være tynne slik at disse påvirker målingen minst mulig. Ved å variere størrelsen på motstanden i serie med instrumentet kan måleområdet varieres.

Elektrisk sjokk

Farene ved å få elektrisk støt avhenger av type spenning, spenningens styrke, eksponeringstid og strømbanen gjennom kroppen. En regner at vekselspenning er tre til fem ganger mer farlig enn likespenning med samme strømstyrke. Mengden avsatt energi i kroppsvevet er avhengig av eksponeringstiden, derfor gjør langvarig strømgjennomgang større skade. Ved strømgjennomgang vil en kunne få krampe i kroppens muskler, dermed greier en ikke å slippe taket om en har grepet rundt en leder. Dermed kan eksponeringen i verste fall bli langvarig.
Det er egentlig ikke spenningen, men strømmen som går gjennom kroppen som er farlig. På den annen side vil strømstyrken gjennom kroppen være avheng av størrelsen av spenningen. Strømmen vil også avhenge av kroppens motstand, samt lengden av strømbanen gjennom kroppen. I tillegg vil risikoen avhenge av hvilke organer strømmen går gjennom, altså strømbanen.
Som et eksempel kan en spenning på 230 V kan gi en strøm gjennom kroppen på 210-180 mA. Om en person blir eksponert for dette i bare 0,5 sekunder kan det føre til hjerteflimmer. Dersom personen ikke kommer seg løs på grunn av krampe eller spenningen ikke blir slått av i løpet av 1 sekund kan livstruende skader oppstå. Betydelig høyere spenning enn dette fører til svært store skader og øyeblikkelig livstruende tilstand.