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Elektrische Spannung einfach erklärt
Elektrische Spannung beschreibt den Unterschied zwischen zwei elektrischen Potentialen. Sie kann einen Strom antreiben, ist aber auch vorhanden, wenn gerade kein Strom fließt. Ihr Formelzeichen ist $U$, ihre Einheit ist Volt mit dem Einheitenzeichen $\mathrm{V}$.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was beschreibt elektrische Spannung?
Eine Batterie besitzt zwei Pole. Zwischen ihnen besteht ein elektrischer Unterschied. Dieser Unterschied heißt elektrische Spannung. Schließt du einen geeigneten Stromkreis an, kann die Spannung die Ladungsträger in eine gerichtete Bewegung versetzen: Es fließt elektrischer Strom.
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung $U$ gibt den Unterschied zwischen den elektrischen Potentialen zweier Punkte an. Sie wird deshalb immer zwischen zwei Punkten angegeben.
Die Stromstärke $I$ gibt dagegen an, wie viel elektrische Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Ihre Einheit ist Ampere mit dem Einheitenzeichen $\mathrm{A}$. Spannung beschreibt also einen Potentialunterschied, Stromstärke einen Ladungsfluss pro Zeit.
Eine Batterie kann Spannung bereitstellen, obwohl der Stromkreis offen ist. Dann fließt kein Strom. Spannung und Stromstärke sind daher nicht dasselbe.
Eine nicht angeschlossene Batterie trägt die Angabe $1{,}5\,\mathrm{V}$. Zwischen ihren Polen liegt diese Spannung an. Weil der Stromkreis offen ist, fließt trotzdem kein Strom.
Spannung kann vorhanden sein, ohne dass Strom fließt. Ein dauerhafter Strom benötigt dagegen einen geschlossenen Stromkreis und eine antreibende Spannung.
Wie wird aus Potentialen eine Spannung?
Das elektrische Potential ist ein Vergleichswert für den elektrischen Zustand an einem Punkt. Erst der Unterschied zwischen zwei Potentialen ergibt eine Spannung.
Für zwei Punkte 1 und 2 gilt:
$$U = \varphi_1 - \varphi_2$$
Dabei steht $\varphi$ für das elektrische Potential. Entscheidend ist die Differenz, nicht die Höhe eines einzelnen Wertes.
Punkt 1 hat das Potential $10\,\mathrm{V}$, Punkt 2 das Potential $4\,\mathrm{V}$.
$$U = 10\,\mathrm{V} - 4\,\mathrm{V} = 6\,\mathrm{V}$$
Zwischen den Punkten besteht eine Spannung von $6\,\mathrm{V}$.
Auch zwischen $18\,\mathrm{V}$ und $12\,\mathrm{V}$ beträgt der Unterschied $6\,\mathrm{V}$. Für viele Rechnungen wird deshalb ein Punkt als Bezugspunkt mit dem Potential null gewählt.
Die Reihenfolge der Punkte bestimmt das Vorzeichen. Vertauschst du sie im Beispiel, erhältst du:
$$4\,\mathrm{V} - 10\,\mathrm{V} = -6\,\mathrm{V}$$
Das Minuszeichen bedeutet, dass die gewählte Mess- oder Bezugsrichtung umgekehrt ist. Es bezeichnet keine eigene Spannungsart.
Wie hängen Spannung und Strom zusammen?
Im Wassermodell entspricht die Spannung einem Höhen- oder Druckunterschied. Wasser kann durch einen Höhenunterschied angetrieben werden. Ähnlich kann eine elektrische Spannung einen Strom antreiben.
Das Modell erklärt auch den offenen Stromkreis: Zwischen einem oberen und einem unteren Wasserbecken besteht weiterhin ein Höhenunterschied, selbst wenn kein Wasser durch eine Turbine fließt.
Das Wassermodell ist eine Vorstellungshilfe. Elektrische Spannung ist weder Wasserhöhe noch Wasserdruck, sondern eine elektrische Potentialdifferenz.
Eine höhere Spannung führt nicht unter allen Umständen zu einer bestimmten höheren Stromstärke. Die Stromstärke hängt auch vom angeschlossenen Stromkreis ab. Nur wenn du denselben Stromkreis unter gleichen Bedingungen vergleichst, bewirkt eine größere Quellspannung im Allgemeinen einen größeren Strom.
Du vergleichst zwei Spannungsquellen nacheinander an derselben Drahtspule. Erzeugt eine Quelle dort die größere Stromstärke, kann sie in diesem Vergleich als Quelle mit der größeren Spannung erkannt werden. Wechselst du zugleich die Drahtspule, ist der Vergleich nicht eindeutig.
Wie rechnest du mit Volt und Spannungsquellen?
Das Formelzeichen der Spannung ist $U$. Die Einheit heißt Volt, ihr Zeichen ist $\mathrm{V}$.
Gebräuchliche Vorsätze sind:
- $1\,\mathrm{\mu V}=0{,}000001\,\mathrm{V}$
- $1\,\mathrm{mV}=0{,}001\,\mathrm{V}$
- $1\,\mathrm{kV}=1000\,\mathrm{V}$
- $1\,\mathrm{MV}=1\,000\,000\,\mathrm{V}$
Typische Größenordnungen reichen von ungefähr $1\,\mathrm{mV}$ bei einem EKG über $1{,}5\,\mathrm{V}$ bei einer Monozelle bis zu $230\,\mathrm{V}$ im deutschen Haushaltsnetz.
Werden gleich ausgerichtete Spannungsquellen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Spannungen.
Zwei Batterien mit jeweils $1{,}5\,\mathrm{V}$ werden gleich ausgerichtet hintereinander geschaltet:
$$U_\mathrm{gesamt}=1{,}5\,\mathrm{V}+1{,}5\,\mathrm{V}=3{,}0\,\mathrm{V}$$
Die beiden Batterien stellen gemeinsam $3{,}0\,\mathrm{V}$ bereit.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Das Formelzeichen der Spannung ist . Ihre Einheit heißt . $1000\,\mathrm{mV}$ entsprechen . Zwei gleich ausgerichtete Quellen mit je $1{,}5\,\mathrm{V}$ liefern zusammen .
Wie misst und berechnest du Spannung sicher?
Ein Voltmeter misst die Spannung zwischen zwei Punkten. Ein Multimeter kann neben der Spannung auch weitere elektrische Größen messen. Ein Oszilloskop zeigt, wie sich eine Spannung im Laufe der Zeit verändert.
Beim Ablesen gehören Zahl und Einheit immer zusammen. Außerdem muss klar sein, zwischen welchen Punkten gemessen wird.
Vertiefung: Spannung am ohmschen Bauteil
Bei einem ohmschen Bauteil unter konstanten Bedingungen sind Spannung $U$ und Stromstärke $I$ proportional. Dann gilt:
$$U=I\cdot R$$
$R$ ist der elektrische Widerstand mit der Einheit Ohm. Diese Beziehung darf nicht ungeprüft auf jedes Bauteil übertragen werden.
Durch ein ohmsches Bauteil mit $R=30\,\Omega$ fließt eine Stromstärke von $I=0{,}2\,\mathrm{A}$.
$$U=I\cdot R=0{,}2\,\mathrm{A}\cdot30\,\Omega=6\,\mathrm{V}$$
Am Bauteil liegt eine Spannung von $6\,\mathrm{V}$ an. Das Ergebnis passt auch von den Einheiten her: Ampere mal Ohm ergibt Volt.
Sicherheit
Das deutsche Haushaltsnetz stellt ungefähr $230\,\mathrm{V}$ bei $50\,\mathrm{Hz}$ bereit. Diese Spannung ist lebensgefährlich. Führe daran keine eigenen Messungen oder Versuche durch.
Die Wirkung eines Stromunfalls lässt sich nicht allein aus einer Spannungszahl bestimmen. Deshalb ist eine einzelne vermeintliche „sichere Grenze“ keine Erlaubnis zum Experimentieren.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektrische Spannung
- Bedeutung: Unterschied zwischen zwei Potentialen
- Wirkung: kann elektrischen Strom antreiben
- Einheit: Volt mit dem Zeichen V
- Vergleich: nur bei gleichem Stromkreis eindeutig
- Quellen in Reihe: Spannungen addieren
- Messung: zwischen zwei Punkten
- Ohmsches Bauteil: U = I · R bei konstanten Bedingungen