Strom bei gleicher elektrischer Quelle
Mit der Größe der elektrischen Stromstärke \(I\) kannst du einige Verhältnisse in einem Stromkreis charakterisieren. Verwendest du stets die gleiche elektrische Quelle, so hängt die Stromstärke in einem Stromkreis aus Quelle, Strommesser und Drahtspule davon ab, wie viel Draht in der Drahtspule verwendet wird. Je länger die Drahtspule ist, desto geringer ist der Strom, der bei gleicher Quelle durch den Stromkreis fließt. Vergleiche dazu auch die Bilder in Abb. 2.1 und Abb. 2.2.
Strom bei gleichem Teststromkreis aber unterschiedlichen Quellen
Verwendest du dagegen stets den gleichen Teststromkreis mit der gleichen Drahtmenge und schließt diesen an verschiedene elektrischen Quellen an, so stellst du im Allgemeinen fest, dass die Stromstärke im Stromkreis davon abhängt, wie "stark" die Quelle ist. Je stärker die Quelle ist, desto größer ist der Stromfluss. Betrachte dazu die Bilder in Abb. 3.1 und 3.2.
Hinweis: Die Stärke ist bei vielen Quellen angegeben. Auf Batterien findest du Aufschriften wie \(1{,}5\,\rm{V}\) oder \(9\,\rm{V}\) und auch auf vielen Netzgeräten findest du solche Angaben. Dabei gilt je größer die Zahl, desto stärker die Quelle.
Spannung als Charakterisierung der "Stärke" einer Quelle
Zur Charakterisierung der "Stärke" einer elektrischen 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. Die Spannung ist also die Ursache für den Strom.
Elektrische Spannung und die Maßeinheit Volt
Im momentanen Gang des Physikunterrichts können wir noch keine exakte Definition der elektrischen Spannung und ihrer Maßeinheit geben. Wir nutzen stattdessen die elektrische Spannung einer besonderen Batterie (die es in Wirklichkeit gar nicht gibt), eines sogenannten Normelementes, und definieren damit auch die Maßeinheit für die elektrische Spannung:
| Größe | ||
| Name | Symbol | Definition |
| elektrische Spannung | \(U\) | \(-\) |
| Einheit | ||
| Name | Symbol | Definition |
| Volt | \(\rm{V}\) | \(1\,\rm{V}\):= Spannung eines Normelementes |
Zu Ehren des italienischen Physikers Alessandro VOLTA (1745 - 1827) wurde die Einheit der elektrischen Spannung nach diesem benannt.
Will man in Kurzschreibweise ausdrücken, dass die Einheit der elektrischen Spannung \(1\,\rm{V}\) ist, so kann man schreiben \([U] = 1\,\rm{V}\).
Spannung im Wassermodell
Durch Vergleich mit einem geeigneten Wassermodell des Stromkreises kannst du dir die Bedeutung der Spannung besser klarmachen:
Die Pumpe fördert Wasser vom unteren in das obere Becken. Je größer der Höhenunterschied \(\Delta h\) zwischen den Wasserständen ist, desto größer ist der Wasserstrom, der sich ergibt. 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
Auch durch Betrachtung des Elektronengasdrucks kannst du dir 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.
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
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. 7).
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 \(1\,\rm{V}\) erhältst du eine Spannung von \(n\cdot 1\,\rm{V}\).