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Grundwissen

Elektrische Spannung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Als Spannung bezeichnet man die Fähigkeit einer elektrischen Quelle, in einem Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten.
  • Im Modell des offenen Wasserkreislaufs entspricht die Spannung dem Höhenunterschied der Vorratsbehälter.
  • Die elektrische Spannung hat das Formelzeichen \(U\) und wird in der Einheit \([U]=1\,\rm{V}\) (Volt) angegeben.
Aufgaben Aufgaben

Strom bei gleicher elektrischer Quelle

Abb. 1 Stromstärke in einem Stromkreis in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand

Um die Verhältnisse in einem Stromkreis zu charakterisieren, kennst du bisher die Größe "elektrische Stromstärke". Verwendet man stets die gleiche elektrische Quelle, so hängt die Stromstärke in dem aus einem Strommesser und einer Drahtspule bestehenden Testkreis davon ab, wie viel Draht in dem Kreis verwendet wird. Betrachte dazu die Animation in Abb. 1.

Strom bei gleichem Teststromkreis aber unterschiedlichen Quellen

Abb. 2 Stromstärke in einem Stromkreis in Abhängigkeit von der elektrischen Quelle

Verwendet man dagegen stets den gleichen Teststromkreis mit der gleichen Drahtmenge und schließt diesen an verschiedene elektrischen Quellen an, so wird man i.a. feststellen, dass die Stromstärke im Kreis davon abhängig ist, wie "stark" die Quelle ist. Betrachte dazu die Animation in Abb. 2.

 

Spannung als Charakterisierung der "Stärke" einer Quelle

Zur Charakterisierung der "Stärke" der Quelle führt man die Größe "elektrische Spannung" mit dem Formelbuchstaben \(U\) ein. Die Spannung kennzeichnet die Fähigkeit der Quelle, in einem angeschlossenen äußeren Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten, sie ist also die Ursache für den Strom.

Spannung im Wassermodell

Abb. 3 Veranschaulichung der physikalischen Größe Spannung anhand eines Wassermodells

 

Durch Vergleich mit einem geeigneten Wassermodell des Stromkreises kann man sich die Bedeutung der Spannung besser klarmachen:

Die Pumpe fördert Wasser vom unteren in das obere Becken. Je größer der Höhenunterschied \(\Delta h\) ist, desto größer ist der Wasserstrom. Übersetzt auf den Stromkreis heißt dies: Je höher die Spannung \(U\) der Quelle ist, desto größer ist der Strom \(I\), der durch den Stromkreis fließt. Man könnte - nahegelegt durch das skizzierte Modell - die Spannung auch als "elektrischen Höhenunterschied" bezeichnen.

Der Höhenunterschied der Wasserniveaus in dem Modell besteht übrigens auch dann, wenn noch kein Wasser durch die Turbine fließt. Analog besteht die Spannung an einer elektrischen Quelle auch dann, wenn noch kein elektrischer Strom fließt.

Spannung im Elektronengasdruckmodell

Joachim Herz Stiftung Philipp Rösch
Abb. 4 In einem einfachen Stromkreis wird der Elektronengasdruck eingezeichnet. Vor und hinter der Batterie, sowie vor und hinter der Lampe ist der Druckunterschied gleich groß.

Auch durch Betrachtung des Elektronengasdrucks des Stromkreises kann man sich die Bedeutung der Spannung klarmachen:

Die Batterie pumpt Elektronengas vom unteren Kabel in das obere Kabel. Dadurch entsteht im Kabel über der Batterie ein Überdruck und im Kabel unter der Batterie ein Unterdruck. Je größer der Druckunterschied \(\Delta p\) ist, desto stärker der Druckausgleich und damit der Strom durch die Lampe. Übersetzt auf den Stromkreis heißt dies: Je höher die Spannung \(U\) der Quelle (hier Batterie) ist, desto größer ist der Strom \(I\), der durch den Stromkreis fließt. Man könnte - nahegelegt durch das skizzierte Modell - die Spannung auch als "elektrischen Druckunterschied" bezeichnen.

Analog zum Wassermodell, besteht der Druckunterschied im Elektronangasdruckmodell auch dann, wenn noch kein Elektronengas durch die Lampe fließt. Die Spannung an einer elektrischen Quelle besteht auch dann, wenn noch kein elektrischer Strom fließt.

Einheit der Spannung: 1 V

Dr. Manuel at de.wikipedia [Public domain], vom Wikimedia Commons
Abb. 5 Alessandro VOLTA (1745 - 1827)

Zur Festlegung der physikalischen Größe Spannung muss in erster Linie die Einheit festgelegt werden:

Die Einheit der Spannung ist das Volt. Eine speziell aufgebaute Batterie (Normalelement) hat genau die Spannung \(1 \, \rm{V}\).

Will man in Kurzschreibweise ausdrücken, dass die Einheit der physikalischen Größe \(U\) das Volt ist, so kann man schreiben:

\([U] = 1 \, \rm{V}\)

Ober- und Untereinheiten

Um kleinere Spannungen bequem beschreiben zu können, führt man Untereinheiten ein. Beispiele:

1 Millivolt: \(1 \, \rm{mV} = 1/1000  \, V = 1\cdot 10^{-3} V\)
1 Mikrovolt: \(1 \, \rm{\mu V} = 1/1\,000 \,000 \,V = 1 \cdot 10^{-6} V\)

Um größere Spannungen bequem beschreiben zu können, führt man Obereinheiten ein. Beispiele:

1 Kilovolt: \(1 \, \rm{kV} = 1000 \, V = 1 \cdot 10^{3} V\)
1 Megavolt: MV = \(1 \, \rm{MV} = 1 \, 000 \, 000 \, V = 1 \cdot 10^{6} V\)

Gleichheit von zwei Spannungen

Joachim Herz Stiftung
Abb. 6 Kein Stromfluss bei gegeneinandergeschalteten Quellen gleicher Spannung

Die Gleichheit von Spannungen kannst du auf verschiedene Arten feststellen. Zwei Quellen haben gleiche Spannung, wenn sie entweder a) im gleichen Stromkreis die gleiche Stromstärke hervorrufen oder b) beim Gegeneinanderschalten im Stromkreis den Strom Null erzeugen (siehe Abb. 5).

Das Doppelte einer Spannung erhältst du, wenn du zwei gleiche elektrische Quellen hintereinander schaltest. So sind in Fernbedienungen oft zwei Batterien mit jeweils \(1{,}5\,\rm{V}\) hintereinander geschaltet, sodass die Fernbedienung mit \(U=3{,}0\,\rm{V}\) betrieben wird.

Dieses Prinzip lässt sich fortsetzten: Durch Hintereinanderschalten von \(n\) gleichen elektrischen Quellen der Spannung \(1\,\rm{V}\) erhälst du eine Spannung von \(n\cdot 1\,\rm{V}\).