Spriegums

Spriegumu iespējams definēt vairākos veidos.

Spriegums starp punktiem ${\displaystyle a}$  un ${\displaystyle b}$  ir starpība starp skalāro (jeb elektrostatisko) potenciālu ${\displaystyle \varphi _{i}}$  vērtībām šajos punktos.^[1]

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

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

Pārvietojot testa lādiņu^{[P 1]} ${\displaystyle q}$  no punkta ${\displaystyle a}$  uz punktu ${\displaystyle b}$ , elektrostatiskie spēki padarīs darbu, kura lielumu apzīmējam ar ${\displaystyle A_{ab}}$ . Nemainīgā elektriskajā laukā spriegums starp punktiem ${\displaystyle a}$  un ${\displaystyle b}$  ir elektrostatisko spēku veiktā darba ${\displaystyle A_{ab}}$  attiecība pret pārvietotā lādiņa lielumu ${\displaystyle q}$ .

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

Elektrostatikā bieži izmanto arī elektriskā lauka jēdzienu un elektrisko spēku veikto darbu dēvē par elektriskā lauka darbu. Izmantojot mehāniskā darba definīciju ${\displaystyle A_{ab}=\int _{a}^{b}\mathbf {F} \cdot d\mathbf {l} }$  un elektriskā lauka definīciju ${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {\mathbf {F} }{q}}}$ , kur ${\displaystyle q}$  — spēkam ${\displaystyle \mathbf {F} }$  pakļautais lādiņš, varam iegūt t.s. integrālo sakarību starp spriegumu un elektrisko lauku.^[2]

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

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

Saskaņā ar ISO-80000 standartu^[3], spriegumu apzīmē ar burtu U. Tiek domāts^[4], 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: ${\displaystyle V=W/A}$ ,^[5] 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).

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.

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

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

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

Mērot viena vada spriegumu attiecībā pret nulles (Zemes) līmeni, sprieguma efektīvā vērtība ir ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$  reizes mazāka par maksimālo: ${\displaystyle U=U_{m}/{\sqrt {2}}}$ .^[1] 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 ${\displaystyle 120^{\circ }}$ ) ir ${\displaystyle U={\sqrt {3/2}}\cdot U_{m}}$ , kur ${\displaystyle U_{m}}$  — 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).^[6][7][8] Tam atbilst sprieguma maksimālā vērtība ${\displaystyle U_{m}=325V}$  un pazīstamās vērtības iegūstamas, aprēķinot ${\displaystyle U=U_{m}/{\sqrt {2}}=230V}$  (vienai fāzei) un ${\displaystyle U={\sqrt {3/2}}\cdot U_{m}=400V}$  (starp divām fāzēm).

• AAA, AA, C un D tipa baterijas: 1,5 V
• USB: 5 V
• Automašīnas akumulators: 12.6 V
• Elektroauto baterija: 400 V^[9]
• Mājsaimniecību rozetes:
  • 230 V Eiropā, Āzijā, Āfrikā, Austrālijā
  • 120 V Ziemeļamerikā
  • 100 V Japānā
• Augstsprieguma tīkls Latvijā: 110 kV, 330 kV^[10]