Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung ist eine der zentralen Grundgrößen der Elektrotechnik. Sie beschreibt den „Druck“, der elektrische Ladungen antreibt und damit den Stromfluss ermöglicht. Ohne Spannung kann kein Strom fließen – sie ist die treibende Kraft einer elektrischen Schaltung.
Die elektrische Spannung wird in Volt (V) gemessen und entsteht immer dann, wenn zwischen zwei Punkten ein Unterschied im elektrischen Potential besteht. Man kann sich das wie einen Höhenunterschied bei Wasser vorstellen: Je größer dieser Unterschied, desto stärker fließt das Wasser – oder im elektrischen Fall die Ladungsträger.
Spannung kann von verschiedenen Quellen erzeugt werden, etwa von Batterien, Netzteilen, Generatoren oder Solarzellen. In jedem Fall sorgt sie dafür, dass ein elektrischer Stromkreis funktionieren kann.
Elektrische Spannung tritt in Gleich- und Wechselspannung auf. Gleichspannung (DC) bleibt konstant, während Wechselspannung (AC) periodisch ihre Richtung und ihren Betrag ändert, wie im öffentlichen Stromnetz.
Das Verständnis der elektrischen Spannung ist entscheidend für das sichere Arbeiten an elektrischen Anlagen, die Auswahl geeigneter Bauteile und das Berechnen von Schaltungen.
Was ist elektrische Spannung?
Elektrische Spannung entsteht aus einem Potentialunterschied zwischen zwei Punkten. Je größer dieser Unterschied, desto stärker ist die treibende Kraft für die Elektronen.
Man unterscheidet bei der Spannung zwischen einem positiven und einem negativen Pol. Elektronen bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol (technisch betrachtet fließt der Strom aber vom Pluspol zum Minuspol).
Eine Batterie erzeugt Spannung durch chemische Prozesse, während im Kraftwerk Spannung durch elektromagnetische Induktion entsteht.
Spannung ist nicht „sichtbar“, aber ihre Wirkung ist messbar und entscheidend für den Stromfluss.
Ohne geschlossenen Stromkreis kann trotz vorhandener Spannung kein Strom fließen. Spannung liegt aber trotzdem an.
Beziehung zum Widerstand und Strom: U = R · I U: Spannung (Volt), R: Widerstand (Ohm), I: Strom (Ampere).
Arbeit der Spannung: W = U · Q W: Energie (Joule), Q: Ladungsmenge (Coulomb).
Leistung: P = U · I P: elektrische Leistung in Watt.
Spannungsquellen besitzen meist eine Leerlaufspannung und eine kleinere Spannung unter Last. Bei Batterien sinkt die Spannung mit zunehmender Entladung.
Bereits Spannungen ab 50 V AC oder 120 V DC gelten als potenziell gefährlich für den Menschen. Hohe Spannungen können lebensgefährliche Stromschläge verursachen.
Eine Lampe hat einen Widerstand von 60 Ω und es fließt ein Strom von 0,2 A. Wie groß ist die anliegende Spannung?
U = R · I = 60 Ω · 0,2 A = 12 V.
Arten elektrischer Spannung
Es gibt zwei grundlegende Spannungsarten: Gleichspannung (DC) und Wechselspannung (AC). Sie unterscheiden sich im zeitlichen Verlauf und in ihrer Anwendung.
Gleichspannung bleibt über die Zeit konstant und wird in Batterien, Solarenergie oder elektronischen Geräten verwendet.
Wechselspannung ändert periodisch ihre Richtung. Im europäischen Stromnetz liegt sie mit 230 V bei einer Frequenz von 50 Hz an.
Wechselspannung lässt sich leicht transformieren und über lange Strecken transportieren, weshalb sie für die Energieversorgung ideal ist.
Gleichspannung ist besonders stabil und wird in der Elektronik eingesetzt, etwa für Sensoren, Mikrocontroller und digitale Schaltungen.
Effektivwert der Wechselspannung: Ueff = Umax / √2 Für eine sinusförmige Spannung.
Nur der Effektivwert entspricht einer gleichwertigen Gleichspannung in Bezug auf Leistung.
Die berühmte Sinuskurve steht für die typische Form der Wechselspannung. Viele Elektrogeräte nutzen intern jedoch Gleichspannung und besitzen daher Netzteile.
Wechselspannung ist gefährlicher als Gleichspannung gleicher Höhe, da sie durch ihre Frequenz stärkere Reize auf das menschliche Nervensystem auslöst.
Eine Wechselspannung hat einen Spitzenwert von 325 V. Wie hoch ist der Effektivwert?
Ueff = 325 V / √2 = 230 V.
Messung elektrischer Spannung
Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen. Das Messgerät wird immer parallel zu dem Bauteil angeschlossen, dessen Spannung man messen möchte.
Digitale Multimeter zeigen die Spannung in Volt an und schalten selbstständig zwischen Gleich- und Wechselspannung um.
Bei hohen Spannungen müssen Messgeräte spezielle Schutzkategorien (CAT I–IV) erfüllen.
Wird ein Voltmeter versehentlich in Reihe geschaltet, beeinflusst es die Schaltung kaum, weil es einen sehr hohen Innenwiderstand besitzt.
Eine korrekte Messung setzt einen intakten Stromkreis voraus – auch wenn kein Strom fließt, kann Spannung anliegen.
Messung immer parallel! Innenwiderstand eines Voltmeters ist hoch, um die Schaltung nicht zu beeinflussen.
Bei Fehlmessungen kann die Polung relevant werden (besonders bei DC).
Industrielle Messsysteme arbeiten oft mit Messwandlern, um hohe Spannungen auf sichere Messpegel herunterzutransformieren.
Spannungen im Haushaltsnetz dürfen nur von Fachkräften gemessen werden. Fehlerbehaftete Messungen können lebensgefährlich sein.
Warum wird ein Voltmeter parallel angeschlossen?
Weil es die Spannung zwischen zwei Punkten misst und einen hohen Innenwiderstand besitzt, sodass es den Stromkreis nicht beeinflusst.
Aufgaben zu Elektrische Spannung
Hinweis: Pro Aufgabe kann eine oder mehrere Antworten korrekt sein.