Elektrische Spannung – Definition und Erzeugung

Stell dir zwei verbundene Wassertanks vor, einer ganz oben am Dach, einer am Boden. Solange der obere höher steht, fließt Wasser durch das Rohr nach unten — und zwar so lange, bis beide gleich hoch sind. Was treibt das Wasser an? Der Höhenunterschied. Übersetzt in den Druck im Rohr: die Druckdifferenz.

In der Elektrotechnik ist es ganz ähnlich. Verbindet man zwei Punkte, an denen unterschiedlich viele Elektronen zur Verfügung stehen, mit einem Leiter, dann beginnen sich die Elektronen zu bewegen — von dort, wo zu viele sind, zu dort, wo zu wenige sind. Dieser elektrische „Höhenunterschied“ zwischen zwei Punkten ist die elektrische Spannung.

Spannung ist also keine Eigenschaft eines einzelnen Punktes, sondern immer ein Vergleich zwischen zweien. Genauso wenig, wie ein einzelner Punkt im Raum eine „Höhe“ hat (Höhe bezogen worauf?), hat ein einzelner Knoten in einer Schaltung eine Spannung. Spannung gibt es immer nur zwischen zwei Stellen.

Das Formelzeichen ist U, die Einheit Volt, abgekürzt V. Benannt nach Alessandro Volta, der um 1800 die erste echte Spannungsquelle gebaut hat — die Voltasche Säule.

Ein paar Größenordnungen zur Einordnung, mehr dazu am Ende:

• Knopfzelle: 1,5 V
• USB-Anschluss: 5 V
• Auto-Bordnetz: 12 V (PKW), 24 V (LKW)
• Steckdose in Österreich: 230 V
• Bahn-Oberleitung ÖBB: 15 000 V
• Hochspannungsleitung: bis 380 000 V

Die anschauliche Vorstellung „Antrieb zwischen zwei Punkten“ ist gut, aber für Berechnungen brauchen wir mehr. Physikalisch ist die Spannung exakt definiert über die Arbeit, die geleistet wird, wenn eine bestimmte Ladungsmenge zwischen zwei Punkten verschoben wird.

Pro Coulomb verschobener Ladung wird zwischen den beiden Punkten genau so viel Energie umgesetzt, wie die Spannung in Volt angibt. Daraus ergibt sich die Definitionsformel:

Daraus folgt direkt die Einheitsdefinition:

Lies das wörtlich: Ein Volt ist die Spannung, bei der pro Coulomb verschobener Ladung ein Joule Energie umgesetzt wird. Mehr steckt erst einmal nicht dahinter.

Umstellen erlaubt, je nachdem, was du suchst:

In der Praxis wird die Ladungsmenge oft nicht in Coulomb, sondern in Amperestunden (Ah) angegeben — gerade bei Akkus. Der Zusammenhang:

Jetzt machen wir die Bild-Vorstellung präzise. In der Elektrotechnik gibt jedem Punkt einer Schaltung eine sogenannte elektrische Höhenlage — das Potential, Formelzeichen φ (phi).

Genauso, wie ein Punkt im Gelände eine Höhe über dem Meeresspiegel hat, hat jeder Knoten in einer Schaltung ein Potential bezogen auf einen Bezugspunkt. Der gewählte Bezugspunkt heißt Masse oder Erde und bekommt definitionsgemäß das Potential 0 V. Welcher Knoten Masse ist, legt der Konstrukteur fest — meist der Minuspol einer Versorgung oder der zentrale Sternpunkt.

Die Spannung zwischen zwei Punkten A und B ist dann nichts anderes als die Differenz ihrer Potentiale:

Ein konkretes Beispiel: An einem Knoten A liegen 9 V gegen Masse an, an einem Knoten B 3 V. Dann ist:

Das negative Vorzeichen ist kein Fehler. Es sagt: misst man von B nach A, wirkt die Spannung in die entgegengesetzte Richtung. Vorzeichen in der Elektrotechnik beschreiben Richtungen, nicht Beträge.

Drei Folgerungen, die in der Praxis ständig auftauchen:

• Die Bezeichnung „Spannung an einem Punkt“ ist umgangssprachlich. Gemeint ist immer „Spannung gegen Masse“.
• Verschiebt man den Bezugspunkt, ändern sich alle Potentialwerte — die Differenzen zwischen den Knoten bleiben aber gleich.
• An jedem Bauteil im Stromkreis kann man den Spannungsabfall als Differenz der Potentiale an seinen beiden Anschlüssen ausrechnen. Genau das ist der Ausgangspunkt für die Maschenregel, die in einem späteren Beitrag detailliert behandelt wird.

Eine Spannung kann zeitlich konstant sein oder sich ständig ändern. Beide Varianten gibt es in der Praxis, und beide haben ihre Anwendungsbereiche.

Gleichspannung (DC, direct current) behält ihre Polarität bei. Plus bleibt Plus, Minus bleibt Minus, und der Wert bleibt im Idealfall konstant. Typische DC-Quellen sind Batterien, Akkus, Netzteile, Solarmodule und Generatoren mit Kommutator. Im U-t-Diagramm ergibt eine Gleichspannung eine waagrechte Linie.

Wechselspannung (AC, alternating current) ändert ihre Polarität periodisch. Die häufigste Form ist die sinusförmige Wechselspannung — etwa die Netzspannung aus der Steckdose. In Österreich durchläuft sie 50 vollständige Perioden pro Sekunde, die Frequenz beträgt also 50 Hz. Da jede Periode zwei Polaritätswechsel enthält (einen von Plus nach Minus, einen von Minus nach Plus), wechselt die Polarität insgesamt 100-mal pro Sekunde. Die Spannung schwingt dabei zwischen einem positiven und einem negativen Spitzenwert, im Mittelwert hebt sich das auf.

Im Verlauf sieht das so aus:

Die Schaltzeichen für Spannungsquellen nach ÖVE/ÖNORM EN 60617 sind ebenfalls unterschiedlich: Gleichspannungsquellen werden meist als zwei ungleich lange Striche (Batterie-Symbol) dargestellt, Wechselspannungsquellen als Kreis mit einer geschwungenen Sinuslinie darin. So lässt sich im Schaltplan auf einen Blick erkennen, womit man es zu tun hat.

Detaillierte Kenngrößen der Wechselspannung wie Effektivwert, Scheitelwert und Frequenz werden im Beitrag Wechselspannung und ihre Kenngrößen ausführlich behandelt. An dieser Stelle reicht es zu wissen: Die berühmten „230 V“ in der Steckdose sind der Effektivwert, der Spitzenwert liegt deutlich darüber.

Spannung entsteht überall dort, wo Ladungen voneinander getrennt werden — wo also auf der einen Seite ein Überschuss, auf der anderen ein Mangel an Elektronen entsteht. Was sich von außen wie sechs sehr verschiedene Technologien anfühlt, läuft physikalisch immer auf das Gleiche hinaus: Energie wird aufgewendet, um diese Ladungstrennung herzustellen, und genau diese Energie steht dann als Spannung zur Verfügung.

1. Elektrochemisch — die Batterie

Tauchst du zwei verschiedene Metalle (z. B. Zink und Kupfer) in eine leitende Flüssigkeit, einen sogenannten Elektrolyt, dann laufen an den Metallen unterschiedlich starke chemische Reaktionen ab. Das eine Metall gibt mehr Elektronen ab als das andere — zwischen den beiden Elektroden entsteht eine Potentialdifferenz. Dieses Prinzip nennt man galvanisches Element. Eine handelsübliche Zelle liefert je nach Materialpaarung etwa 1 V bis 4 V. Mehrere Zellen in Serie ergeben höhere Spannungen — eine 12-V-Autobatterie besteht aus sechs Blei-Säure-Zellen zu je 2 V.

Akkus arbeiten nach demselben Prinzip, allerdings mit dem Unterschied, dass die chemische Reaktion umkehrbar ist. Beim Laden wird Energie zugeführt, und die Ladungstrennung wird wiederhergestellt.

2. Elektromagnetische Induktion — der Generator

Bewegt man einen Leiter durch ein Magnetfeld (oder umgekehrt das Magnetfeld am Leiter vorbei), so wird im Leiter eine Spannung induziert. Auf diesem Prinzip beruht jeder klassische Generator — vom Fahrraddynamo über die Lichtmaschine im Auto bis zum Turbinengenerator im Kraftwerk. Es ist mit Abstand die wichtigste Methode zur Erzeugung großer elektrischer Energiemengen weltweit.

Wie das im Detail funktioniert und warum dabei meist Wechselspannung entsteht, behandeln die Beiträge Elektromagnetische Induktion und Wechselstrom-Erzeugung / Generatorprinzip.

3. Photoeffekt — die Solarzelle

In einer Solarzelle aus dotiertem Halbleitermaterial (meist Silizium) lösen einfallende Lichtquanten Elektronen aus ihren Bindungen. Eine im Halbleiter aufgebaute innere Trennschicht — der pn-Übergang — sorgt dafür, dass die freigesetzten Ladungen in eine bestimmte Richtung wandern. Zwischen den beiden Anschlüssen baut sich eine Spannung auf, typischerweise rund 0,6 V pro Siliziumzelle. Erst durch Reihenschaltung vieler Zellen entstehen die nutzbaren 30 V, 60 V oder mehr am Solarmodul.

4. Thermoelektrisch — das Thermoelement

Verbindet man zwei verschiedene Metalle (oder Halbleiter) an einem Ende und erwärmt diese Verbindungsstelle, während das andere Ende kühl bleibt, entsteht zwischen den beiden offenen Enden eine kleine Spannung — der Seebeck-Effekt. Die Werte sind klein, üblich sind einige zehn bis hundert Mikrovolt pro Grad Temperaturdifferenz. Trotzdem ist dieser Effekt extrem nützlich: Thermoelemente sind die robusten Standardsensoren für Temperaturmessungen in heißen Umgebungen, etwa in Industrieöfen.

5. Piezoelektrisch — der Quarzkristall

Bestimmte Kristalle wie Quarz liefern unter mechanischem Druck eine elektrische Spannung. Die Kristallstruktur wird verzerrt, dadurch werden Ladungen an den Oberflächen verschoben. Klassisches Beispiel: das Piezo-Feuerzeug, das beim Drücken einen kurzen Hochspannungsimpuls (bis zu mehrere kV) erzeugt und damit den Funken zur Zündung liefert. Auch viele Drucksensoren und Stoßmesser in der Industrie funktionieren nach diesem Prinzip.

6. Reibung / Influenz — die statische Aufladung

Wenn man einen Wollpullover über den Kopf zieht und dabei „knistert“, werden zwischen Stoff und Haut Elektronen durch Reibung umverteilt. Es entstehen örtlich sehr hohe Spannungen — manchmal mehrere zehntausend Volt — bei extrem kleiner Ladungsmenge. Für Energieerzeugung ist das nicht praktisch, aber als physikalisches Phänomen wichtig (statische Entladung, ESD-Schutz in der Elektronik).

Im Überblick:

In der täglichen Arbeit hat man es mit einem enormen Spannungsbereich zu tun — vom winzigen Sensorsignal bis zur Hochspannung am Mast. Damit alle dieselbe Sprache sprechen, werden Spannungen in normierte Bereiche eingeteilt:

Innerhalb der Kleinspannung gibt es zusätzlich die Schutzkleinspannung SELV/PELV mit ergänzenden Anforderungen an die galvanische Trennung. Das wird im Detail im Beitrag zu den Schutzklassen behandelt.

Spannung messen — die Grundregel

Spannung ist eine Differenzgröße. Das Messgerät — ein Voltmeter oder die Spannungsmessfunktion eines Multimeters — wird daher parallel zwischen die beiden Punkte gehängt, deren Spannungsdifferenz interessiert. Das Voltmeter hat einen hohen Innenwiderstand (typisch ≥ 10 MΩ), damit es die Schaltung möglichst wenig beeinflusst.

Drei Punkte sind in der Praxis wichtig:

• DC oder AC umschalten: Misst man eine Wechselspannung im DC-Bereich, zeigt das Gerät nahezu null an (der Mittelwert einer reinen Sinusspannung ist null). Umgekehrt zeigt der AC-Bereich auf einer Gleichspannung ebenfalls keinen sinnvollen Wert.
• Bezugspunkt sauber wählen: Die schwarze Messleitung (COM) kommt an den Bezugspunkt, die rote auf den Punkt mit dem zu messenden Potential.
• Sicherheit zuerst: Beim Arbeiten an Spannungen ab dem Niederspannungsbereich gelten die Schutzmaßnahmen nach den geltenden ÖVE-Vorschriften. Nie unter Spannung arbeiten, wo es vermeidbar ist. Persönliche Schutzausrüstung und freigeschalteter Zustand sind Pflicht, bevor man tieferes Mess- oder Reparaturhandwerk macht.

Wie man konkret mit dem Multimeter umgeht, welche Messbereiche und Genauigkeiten typisch sind und worauf man bei der Bedienung achten muss, behandelt der Beitrag Multimeter: Spannung, Strom, Widerstand messen im Detail.