Spriegums

Šis raksts ir par elektrisko spriegumu. Par citām jēdziena spriegums nozīmēm skatīt nozīmju atdalīšanas lapu.

Starptautiska zīme, kas norāda par augsta sprieguma klātbūtni un tā bīstamību.

Fizikā spriegums, potenciālu starpība jeb elektriskais spriegums ir starpība starp elektrostatiskā lauka potenciālu divos punktos. Sprieguma mērvienība ir volts (V). Spriegums var raksturot enerģijas avotu (elektrodzinējspēku) un uzkrāto vai patērēto enerģiju. Latviskajā literatūrā spriegumu apzīmē ar burtu U.

Praksē bieži sprieguma jēdzienu izmanto elektrisko shēmu un enerģijas avotu aprakstīšanai. Strāva, kas plūst kādā ķēdes posmā, ir atkarīga no sprieguma starp tās galiem. Ja strāva ir proporcionāla spriegumam, saka, ka šim ķēdes posmam ir spēkā Oma likums. Tāpat šis jēdziens ir ļoti nozīmīgs elektrodrošībā — no pieliktā sprieguma atkarīga arī caur cilvēku plūstošā strāva.

Definīcija

Spriegumu iespējams definēt vairākos veidos.

Spriegums kā potenciālu starpība

Spriegums starp punktiem $a$ un $b$ ir starpība starp skalāro (jeb elektrostatisko) potenciālu $\varphi _{i}$ vērtībām šajos punktos.

$U_{ab}=\varphi _{a}-\varphi _{b}$

Šai sprieguma definīcijā iesaistīto lielumu secība ir netipiska. Biežāk fizikā un matemātika ar lieluma vērtību starpību saprot sākuma lieluma atņemšanu no beigu lieluma: $\Delta x=x_{2}-x_{1}$. Avotos, kur izmantots apzīmējums $\Delta U$ vai $\Delta V$, ar to var būt saprotams gan spriegums ($U=\varphi _{1}-\varphi _{2}$), gan pretējais lielums ($\Delta \varphi =\varphi _{2}-\varphi _{1}=-U$).

Spriegums kā darbs uz vienības lādiņu

Pārvietojot testa lādiņu $q$ no punkta $a$ uz punktu $b$, elektrostatiskie spēki padarīs darbu, kura lielumu apzīmējam ar $A_{ab}$. Nemainīgā elektriskajā laukā spriegums starp punktiem $a$ un $b$ ir elektrostatisko spēku veiktā darba $A_{ab}$ attiecība pret pārvietotā lādiņa lielumu $q$.

$U_{ab}={\frac {A_{ab}}{q}}$

Spriegums kā elektriskā lauka līnijintegrālis

Elektrostatikā bieži izmanto arī elektriskā lauka jēdzienu un elektrisko spēku veikto darbu dēvē par elektriskā lauka darbu. Izmantojot mehāniskā darba definīciju $A_{ab}=\int _{a}^{b}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {l}$ un elektriskā lauka definīciju $\mathbf {E} ={\frac {\mathbf {F} }{q}}$, kur $q$ — spēkam $\mathbf {F}$ pakļautais lādiņš, varam iegūt t.s. integrālo sakarību starp spriegumu un elektrisko lauku.

$U_{ab}={\frac {A_{ab}}{q}}={\frac {1}{q}}\int _{a}^{b}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {l} ={\frac {1}{q}}\int _{a}^{b}\mathbf {E} q\cdot d\mathbf {l} =\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l}$

Jāatzīmē, ka pretējā (diferenciālā) sakarība saista elektrisko lauku nevis ar spriegumu, bet ar potenciāla gradientu: $\mathbf {E} =-\nabla \varphi$.

Apzīmējumi

Saskaņā ar ISO-80000 standartu, spriegumu apzīmē ar burtu U. Tiek domāts, ka tas cēlies no vācu Unterschied (starpība) vai latīņu urgere (spiest). Angliskajā literatūrā, it īpaši Ziemeļamerikā, parasti sprieguma apzīmēšanai izmanto V (no Voltage – spriegums).

Spriegumu, tāpat kā potenciālu, Starptautiskajā mērvienību sistēmā (SI) mēra voltos (V). SI definē voltu kā vata un ampēra attiecību: $V=W/A$, taču pielietojumos to biežāk aplūko kā džoula un kulona attiecību (uzskatot spriegumu par enerģijas un pārvietojamā lādiņa attiecību) vai ampēra un oma reizinājumu (Oma likuma kontekstā).

Mērīšana

Sprieguma mērīšanai izmantotās ierīces sauc par voltmetriem.

Praksē bieži par nulles potenciālu pieņem Zemes potenciālu. Tādā gadījumā cita punkta potenciāls ir vienāds ar spriegumu starp aplūkojamo punktu un Zemi (vai jebkuru citu sazemētu punktu — tādu, kura potenciāls vienāds ar Zemes potenciālu). Tādēļ dažkārt terminus spriegums un potenciāls lieto kā sinonīmus un saka, ka kāda kontakta spriegums ir vienāds ar noteiktu vērtību, ar to domājot spriegumu attiecībā pret zemi.

Maiņstrāvas spriegums

Maiņstrāvā sprieguma vērtība periodiski mainās no maksimālās vērtības $U_{m}$ līdz tai pretējai $-U_{m}$ un atpakaļ. Momentāno sprieguma vērtību parasti apzīmē ar $u(t)$. Parasti maiņstrāvas raksturošanai lieto efektīvās strāvas un sprieguma vērtības — kvadrātsakni no lieluma kvadrāta vidējās vērtības.

$U={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}|u(t)|^{2}d\mathrm {t} }}$

Šo vērtību sauc par efektīvo, jo maiņstrāvas vidējā pilnā jauda ir $P=UI$ ($U$ un $I$ — sprieguma un strāvas efektīvās vērtības) — tāda pati, kāda būtu, ja plūstu līdzstrāva ar stiprumu $I$ un spriegumu $U$.

Mērot viena vada spriegumu attiecībā pret nulles (Zemes) līmeni, sprieguma efektīvā vērtība ir ${\sqrt {2}}$ reizes mazāka par maksimālo: $U=U_{m}/{\sqrt {2}}$. Trīs fāžu strāvā parasti katra vada spriegums attiecībā pret nulles līmeni ir visiem vadiem vienāds (balansētā trīsfāžu sistēmā), bet līnijas spriegumu mēra starp divām nobīdītām fāzēm. Tā efektīvā vērtība (ja fāžu nobīde ir $120^{\circ }$) ir $U={\sqrt {3/2}}\cdot U_{m}$, kur $U_{m}$ — atsevišķas fāzes sprieguma maksimālā vērtība attiecībā pret nulles līmeni.

Piemēram, Latvijā nominālais zemsprieguma elektrotīklu spriegums ir 230/400 V (Latvijā tiek lietots arī 220/380 V, ko šai piemērā neaplūkosim). Tam atbilst sprieguma maksimālā vērtība $U_{m}=325V$ un pazīstamās vērtības iegūstamas, aprēķinot $U=U_{m}/{\sqrt {2}}=230V$ (vienai fāzei) un $U={\sqrt {3/2}}\cdot U_{m}=400V$ (starp divām fāzēm).

Praksē sastopamas sprieguma vērtības

• AAA, AA, C un D tipa baterijas: 1,5 V
• USB: 5 V
• Automašīnas akumulators: 12.6 V
• Elektroauto baterija: 400 V
• Mājsaimniecību rozetes:
  • 230 V Eiropā, Āzijā, Āfrikā, Austrālijā
  • 120 V Ziemeļamerikā
  • 100 V Japānā
• Augstsprieguma tīkls Latvijā: 110 kV, 330 kV