Spannung – dies ist eines der Hauptmerkmale eines elektrischen und magnetischen Feldes, das zeigt, wie stark diese Felder ihre Umgebung beeinflussen. Die Bestimmung dieses Merkmals und seine Berechnungsregeln sind für das Verständnis physikalischer Prozesse sowie für die Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Elektrizität und Magnetismus unerlässlich.
Die elektrische Feldstärke wird normalerweise mit Volt pro Meter (im / m) und mit magnetischen Ampere pro Meter (im / m) gemessen. Abhängig vom Feldtyp und seinen Eigenschaften kann es auch andere Maßeinheiten geben. Zum Beispiel können Sie bei einem elektrostatischen Feld einen Anhänger pro Meter (Cl / m) verwenden und bei der Beschreibung komplexer elektromagnetischer Wellen Volt pro Meter / Sekunde, auch bekannt als Volt pro Meter (B / m), verwenden.
Die Berechnung der Feldstärke hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Im Falle eines elektrischen Feldes wird die Spannung durch das einfache Verhältnis zwischen dem Strom einer elektrischen Ladung und ihrer Entfernung zum Beobachtungspunkt bestimmt. Für ein Magnetfeld wird die Spannung mit dem Bio-Savar-Gesetz berechnet, einer integralen Form des Amperegesetzes, die es ermöglicht, den Beitrag jedes Teilchens des geladenen Stroms zu berücksichtigen.
Das Konzept der Spannung in der Physik
In der Elektrostatik wird die elektrische Feldstärke als die Kraft definiert, die auf eine einzelne positive Ladung wirkt. Die Maßeinheit für die Spannung im SI-System ist Volt pro Meter (V / m).
Im Magnetismus wird die Magnetfeldstärke als die Kraft definiert, die auf einen einzelnen positiven magnetischen Pol wirkt. Die Maßeinheit für die Magnetfeldstärke im SI-System ist Ampere pro Meter (Fahrzeug).
In der Schwerkraft ist die Gravitationsfeldstärke definiert als die Kraft, die auf eine einzelne Masse wirkt. In diesem Fall ist die Maßeinheit für die Gravitationsfeldstärke Newton pro Kilogramm (N / kg).
Die Berechnung der Spannung in jedem dieser Bereiche der Physik basiert auf den entsprechenden Gesetzen. Zum Beispiel ist es in der Elektrostatik das Gesetz von Coulomb, im Magnetismus das Gesetz von Bio-Savar-Laplace und in der Schwerkraft das Gesetz der weltweiten Gravitation von Newton.
Maßeinheit und Prinzipien der Spannungsberechnung
Als Spannungsmesseinheit im internationalen Einheitensystem wurde Volt pro Meter (B / m) ausgewählt, das durch das Symbol E gekennzeichnet ist. Dies bedeutet, dass die Spannung dem Potential entspricht, das von einem Volt der Potentialdifferenz in einem Abstand von einem Meter erzeugt wird.
Die Berechnung der Spannung erfolgt unter Verwendung des Coulomb-Gesetzes, das festlegt, dass die Kraft der Wechselwirkung zwischen zwei Punktladungen proportional zum Produkt dieser Ladungen ist und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen ist.
Für eine Punktladung Q an einem bestimmten Punkt im Raum wird die Spannung daher durch die Formel bestimmt:
wobei E die elektrische Feldstärke ist, F die Wechselwirkung und Q die Punktladung ist.
Wenn mehrere Ladungen im Raum vorhanden sind, wird die Spannung als Vektorsumme der Spannungsvektoren definiert, die von jeder Ladung erzeugt werden.
Die Spannungsberechnung ermöglicht es Ihnen, die Intensität der Auswirkungen eines elektrischen Feldes auf die Umwelt zu bestimmen und die Bewegung von Ladungen in diesem Feld vorherzusagen.
Spannungsbeziehung mit anderen physikalischen Größen
- elektrisches Feld: Die elektrische Feldstärke kann als Maß für die Kraft angesehen werden, mit der das elektrische Feld die Ladung beeinflusst. Es wird in Volt pro Meter (V / m) gemessen und kann durch die Dichte der elektrischen Ladung und die dielektrische Durchlässigkeit des Mediums ausgedrückt werden.
- Magnetfeld: Die Stärke des Magnetfeldes hängt mit der Kraft zusammen, mit der das Magnetfeld auf eine sich bewegende Ladung oder einen stromführenden Leiter einwirkt. Es wird in Ampere pro Meter (Fahrzeug) gemessen und kann durch die Stromstärke und die magnetische Durchlässigkeit des Mediums ausgedrückt werden.
- Gravitationsfeld: Die Gravitationsfeldstärke hängt mit der Kraft zusammen, mit der das Gravitationsfeld die Masse beeinflusst. Es wird in Newton pro Kilogramm (N / kg) gemessen und kann durch die Gravitationskonstante und das Körpergewicht ausgedrückt werden.
- Mechanische Spannung: Die mechanische Spannung hängt mit der Kraft zusammen, mit der der deformierte Körper auf eine Flächeneinheit einwirkt. Es wird in Pascal (Pa) gemessen und kann durch Kraft und Fläche ausgedrückt werden.
Daher ist die Spannung ein Schlüsselmerkmal eines Feldes oder einer Kraft und ermöglicht es Ihnen, die Intensität der Exposition gegenüber einem Objekt zu beurteilen. Das Verständnis der Verbindung zwischen Spannung und anderen physikalischen Größen ermöglicht es, unser Wissen über die physische Welt zu vertiefen und in verschiedenen Bereichen anzuwenden, von der Elektrotechnik bis zur Gravitationsphysik.
Anwendung von Spannungen in Praxis und Technik
Im Engineering und im Bauwesen wird Spannung verwendet, um die Festigkeit von Materialien und Strukturen zu berechnen. Damit können Sie bestimmen, wie zuverlässig und sicher sie unter bestimmten Betriebsbedingungen sein werden. Die Spannungsberechnung ist beispielsweise bei der Gestaltung von Gebäuden, Brücken, Autos und thermischen Kraftwerken erforderlich. Mit diesem Indikator können Ingenieure mögliche Probleme vorhersagen und optimale Parameter berechnen, um die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Konstruktionen zu gewährleisten.
In der Elektrotechnik wird die Spannung verwendet, um ein elektrisches Feld zu beschreiben und elektrische Kräfte zu berechnen. Es ermöglicht Ihnen zu bestimmen, mit welcher Kraft elektrische Ladungen auf andere Ladungen oder Leiter wirken. Dies ist besonders wichtig bei der Gestaltung von elektrischen Systemen, Schaltungen und Geräten, um Überspannung und Schäden an Geräten zu vermeiden.
Spannungen werden auch in der Funktechnik und in der Telekommunikation angewendet. Es ermöglicht Ihnen, das elektromagnetische Feld und seine Auswirkungen auf die Signalübertragung zu bestimmen. Dies ist besonders wichtig bei der Gestaltung von Antennen, Radios, Mobilfunknetzen und anderen Kommunikationssystemen. Durch die Berechnung und Optimierung der Spannung können Störungen reduziert und die Übertragungsqualität verbessert werden.
