Elektrische Spannung

Materien können durch Ladungstrennung elektrisch geladen werden. Hat man mehr Elektronen als Protonen, wird der Körper negativ geladen. Bei einem Elektronenmangel wird der Körper positiv geladen. Zwischen einem positiv und negativ geladenem Körper gibt es eine Differenz an Elektronen. Diese Differenz sorgt für Druck auf die freien Elektronen und hierfür wird der Begriff elektrische Spannung verwendet. Ein anderer Begriff für Spannung ist Potenzialdifferenz. Zur Angabe der Spannung sind immer zwei Punkte notwendig, da man sonst keine Differenz angeben kann (bis auf Ausnahmen).

Für die Ladungstrennung wird immer Arbeit aufgewendet. Je mehr Arbeit aufgewendet wurde, umso größer ist die Spannung und je höher die Spannung ist, umso größer sind die Druckkräfte, die auf die freien Elektronen wirken. Deshalb gibt es eine Definition die besagt, dass die elektrische Spannung die Arbeit angibt, die für die Verschiebung der Ladungen (Ladungstrennung) benötigt wurde.

Man kann die Spannung auch mit einem Wassertank vergleichen, an dem ein Wasserhahn angebracht ist. Das Befüllen des Wassertanks wird dabei mit der aufgewendeten Arbeit verglichen. Je mehr der Wassertank mit Wasser gefüllt ist, umso druckvoller ist der Wasserstrahl, der aus dem Wasserhahn rauskommt. Ähnlich ist es bei der elektrischen Spannung. Den Druck aus dem Wasserhahn vergleicht man mit der elektrischen Spannung.

Verbindet man einen negativ und positiv geladenen Körper, würde es einen Elektronenübergang geben, da elektrische Ladungen ein Ausgleichsstreben haben. Die aufgewendete Arbeit wird durch den Ladungsausgleich wieder abgegeben. Umgangssprachlich sagt man dazu, dass Strom fließt. Somit ist die elektrische Spannung eine Voraussetzung, damit Strom fließen kann.

Damit man die Spannung messen und damit Berechnungen durchführen kann, benötigte man eine Einheit. Die Einheit wurde nach dem Physiker Alessandro Volta benannt und heißt Volt. Die Grundeinheit ist 1 Volt und das steht für die Arbeit von 1 Joule pro Coulomb , wobei die Menge für ein Coulomb 6,241 · 10¹⁸ Elementarteilchen (Proton, Elektron) ist. Früher betrug in Deutschland die Spannung in den Haushalten standardmäßig 220 V. Im Rahmen der europäischen Vereinheitlichung wurde die Spannung auf 230 V geändert und die Geräte sind darauf ausgelegt. In anderen Ländern kann die Spannung abweichend sein. Innerhalb der Elektrotechnik arbeitet man mit sehr kleinen bis sehr großen Spannungen. Deshalb erfolgt die Angabe der Spannung häufig in folgender Form:

• Microvolt (µV): Millionstel-Volt
• Millivolt (mV): Tausendstel-Volt
• Kilovolt (kV): 1 Tausend Volt
• Megavolt (MV): 1 Million Volt

Das Kurzzeichen für Volt ist V. Das Formelzeichen ist U und ist abgeleitet vom lateinischen Wort urgere. Das bedeutet in etwa drängen oder drücken. Die Angabe der Spannung erfolgt häufig mit dem Zusatz AC (Alternating Current) oder DC (Direct Current). AC steht für Wechselstrom und DC für Gleichstrom.

Flussrichtung des Stroms

Die Flussrichtung des elektrischen Stroms ist physikalisch von Minus zu Plus. Zwischen physikalischer und technischer Stromrichtung gibt es jedoch Unterschiede und man verwendet in Schaltbildern meistens die technische Stromrichtung. Auf manchen Schaltbildern wird die Richtung der Spannung, die von einer Spannungsquelle geliefert wird, mit U und einem Pfeil angegeben. Die Spannung kann durch Reihenschaltung (Hintereinanderschaltung) mehrerer Spannungsquellen, z.B. mehrere Batterien, erhöht werden. Eine Parallelschaltung bewirkt keine Änderung der Spannung. Deshalb sind die Stromkreise in den Haushalten so gelegt, dass die Verbraucher parallel geschaltet werden. So ist gewährleistet, dass überall dieselbe Spannung herrscht. Außerdem würde bei einer Reihenschaltung ein Defekt eines Verbrauchers alle übrigen Verbraucher lahmlegen, wie z.B. bei hintereinander geschalteten Leuchten einer Lichterkette für den Weihnachtsbaum.

Zum Messen elektrischer Spannungen benötigt man ein geeignetes Messgerät, das Voltmeter genannt wird und häufig in einem Multimeter integriert ist. Mit einem Multimeter kann man weitere elektrische Größen wie Stromstärke, Widerstand etc. messen. Das Messgerät wird parallel zur Spannungsquelle oder zum Verbraucher angeschlossen. Die beiden Leiter der Spannungsquelle werden an das Voltmeter angeschlossen und die Spannung kann analog oder digital abgelesen werden. Das Messgerät selbst verbraucht natürlich auch elektrische Energie. Die verbrauchte Energie ist jedoch so gering, dass es in der Regel vernachlässigbar ist.

Da Spannung die Arbeit angibt, die für die Ladungstrennung aufgewendet wurde, kann man es mit folgender Formel berechnen:

• U = Spannung in Volt
• W = Arbeit in Joule (alternativ Nm, Ws)
• Q = Anzahl der Ladungen in Coulomb (alternativ As)

Je höher die Spannung ist, umso stärker ist die Stromstärke des fließenden Stroms, die sich ergibt, indem man Spannung durch den Widerstand des angeschlossenen Geräts dividiert. Diese Formel ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz. Stellt man die Formel auf U um, erhält man folgende Gleichung:

• U = Spannung in Volt
• I = Stromstärke in Ampere
• R = Widerstand in Ohm

1 Volt wird auch als Strom zwischen zwei Punkten bezeichnet, die die Leistung von 1 Watt bei einer Stromstärke von 1 Ampere umsetzt. Daraus kann man folgende Formel ableiten:

• U = Spannung in Volt
• P = Leistung in Watt
• I = Stromstärke in Ampere

Sollte nur die Leistung und der Widerstand bekannt sein, kann man folgende Formel anwenden:

• U = Spannung
• P = Leistung
• R = Widerstand