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Grundwissen

Elektrische Spannung

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Rückblick

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.

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.

Abb. 3 Veranschaulichung der physikalischen Größe Spannung anhand eines Wassermodells

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.

 

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 Dh ist, desto größer ist der Wasserstrom. Übersetzt auf den Stromkreis heißt dies: Je höher die Spannung der Quelle ist, desto größer ist der Strom. 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.

Einheit der Spannung: 1 V

Abb. 1 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 = \(1 \, \rm{MV} = 1 \, 000 \, 000 \, V = 1 \cdot 10^{6} V\)

 
Gegeneinander geschaltete Stromquellen
Abb. 2 Schaltplan von zwei gegeneinander geschalteten Spannungsquellen
Abb. 3 Eselsbrücke - Zwei gegeneinander geschaltete Quellen mit gleicher Spannung heben sich gegenseitig auf

Hinweise für Wissbegierige

Wie stellt man die Gleichheit von Spannungen fest?

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.

Wie erhält man Vielfache von 1V?

Durch Hintereinanderschalten von n gleichen Stromquellen der Spannung 1 V erhält man eine Spannung von n Volt.