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Elektrotechnik Crashkurs

Spannung

Elektrische Spannung – Grundlagen, Messung und Anwendung

Was ist elektrische Spannung?

Elektrische Spannung ist die treibende Kraft des elektrischen Stroms. Sie sorgt dafür, dass sich Elektronen durch einen Leiter bewegen. Eine gute Analogie ist der Wasserdruck in einer Leitung: Je höher der Druck, desto schneller fließt das Wasser. Genau so bestimmt die elektrische Spannung, wie stark die Elektronen durch eine Schaltung gedrückt werden.

Wie entsteht elektrische Spannung?

Elektrische Spannung entsteht durch einen Unterschied in der Ladungsverteilung zwischen zwei Punkten. Eine Spannungsquelle wie eine Batterie oder ein Netzteil hat zwei Pole:

Der Pluspol (+) hat weniger Elektronen.
Der Minuspol (-) hat mehr Elektronen.

Da Elektronen immer versuchen, einen Ausgleich der Ladungen zu schaffen, werden sie vom Pluspol angezogen. Doch solange keine direkte Verbindung zwischen den Polen besteht, können die Elektronen nicht fließen.

Wenn eine elektrische Verbindung hergestellt wird (zum Beispiel durch ein Kabel), beginnt der Ausgleich:

Die Elektronen bewegen sich vom Minuspol zum Pluspol, um die Ladungsverteilung auszugleichen. Dadurch entsteht ein elektrischer Strom, der durch die Schaltung fließt.

Spannung in Schema und Schaltungstechnik

Eine Batterie besitzt zwei Anschlüsse: den Pluspol (+) und den Minuspol (–). Zwischen diesen Polen liegt eine elektrische Spannung, gemessen in Volt (V). Diese Spannung entsteht durch einen chemischen Prozess im Inneren der Batterie und stellt die treibende Kraft für elektrische Energie dar. Der Pluspol hat ein höheres elektrisches Potential als der Minuspol. Wird die Batterie in einen Stromkreis eingebaut, fließt Energie von Plus nach Minus durch die angeschlossene Schaltung. In elektrischen Schaltplänen wird die Richtung der Spannung mit einem Pfeil von Plus nach Minus dargestellt. Das Batteriesymbol besteht dabei aus zwei Linien: einer langen für den Pluspol und einer kürzeren für den Minuspol. Zwischen zwei Punkten im Stromkreis kann man die Spannung durch einen Pfeil und ein „V“ (für „Spannung“) darstellen, zum Beispiel $V_{Batt}$ .

Spannungspfeil über einer Batterie

Spannung in batteriebetriebenen Geräten

In vielen Geräten wie Taschenlampen, Spielzeugen oder Fernbedienungen werden Batterien abwechselnd mit Plus- und Minuspol eingelegt. Diese scheinbar einfache Anordnung hat einen entscheidenden technischen Grund: Sie ermöglicht eine Reihenschaltung der Batterien, durch die sich die Gesamtspannung erhöht. Bei der Reihenschaltung wird der Pluspol einer Zelle mit dem Minuspol der nächsten verbunden. So addieren sich die Spannungen der Einzelzellen: Zwei AA-Batterien à 1,5 V ergeben 3 V, vier Zellen liefern 6 V. Viele elektrische Geräte benötigen solche Spannungen, um effizient zu funktionieren. Die alternierende Einbaurichtung sorgt dafür, dass diese Verbindung mechanisch direkt im Batteriefach realisiert werden kann. Federkontakte und Leitflächen stellen die Verbindung zwischen den Polen ohne externe Verdrahtung her – einfach durch richtiges Einlegen. Zudem spart die abwechselnde Anordnung Platz und ermöglicht kompakte Geräteformen. Sie reduziert auch Fehler beim Einlegen, denn die Halterung ist meist so gebaut, dass falsche Polung unwahrscheinlich ist.

Spannungspfeil über einer Batterie

Seriell geschaltete Verbraucher: Spannungen addieren sich

Elektrische Schaltungen bestehen oft aus mehreren Komponenten, die in Serie oder parallel geschaltet werden.

Bei einer Reihenschaltung von Verbrauchern gilt eine grundlegende Regel: Die Gesamtspannung ergibt sich aus der Summe der Einzelspannungen der einzelnen Komponenten.

Wenn zwei Widerstände, $R_{1}$ und $R_{2}$ , in Serie geschaltet sind, teilen sie sich die angelegte Spannung.

Die Spannung über jeden Widerstand kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden:

V = I \cdot R

Spannungen an seriellen Widerständen

Dabei gilt:

V = Spannung
I = Strom
R = Widerstand

Da der Strom in einer Serienschaltung überall gleich ist, kann man die Spannung an jedem einzelnen Widerstand bestimmen:

V R1 = I \cdot R 1

V R2 = I \cdot R 2

Gesamtspannung in der Reihenschaltung

Die Gesamtspannung ergibt sich aus der Summe der Spannungen der einzelnen Widerstände:

V GES = V R1 + V R2

Praktische Anwendung

Diese Regel ist essenziell für die elektrische Schaltungstechnik, da sie es ermöglicht, Spannungsabfälle korrekt zu berechnen.

Besonders in Netzwerken mit Widerständen, Sensoren oder anderen Verbrauchern ist es wichtig zu wissen, dass sich die Einzelspannungen aufsummieren und somit die gesamte Spannung beeinflussen.

Einheiten der elektrischen Spannung

1.000 Volt = 1 Kilovolt (kV).
230 Volt (V) → Haushaltsstrom.
12 Volt (V) → Autobatterien.
5 Volt (V) → USB-Spannung.
0,001 Volt = 1 Millivolt (mV).

Formelzeichen und Begriffe rund um Spannung

$V_{OUT}$ → Ausgangsspannung eines Bauteils.
$V_{BAT}$ → Batteriespannung.
$V_{R1}$ → Spannung am Widerstand R1.

Warum gibt es unterschiedliche Formelzeichen für die Spannung?

In der Physik und Elektrotechnik gibt es weltweit unterschiedliche Schreibweisen für das Formelzeichen der elektrischen Spannung:

Im deutschsprachigen Raum wird die Spannung mit $U$ bezeichnet.
In englischsprachigen Ländern verwendet man meist $V$ , da es dem Wort „Voltage“ entspricht.
In vielen internationalen Normen ist ebenfalls $V$ üblich.

Die Herkunft des Formelzeichens $U$ ist nicht eindeutig geklärt. Es gibt Theorien, dass es vom deutschen Wort „Urspannung“ oder dem lateinischen Begriff „Urgere“ (drängen, treiben) abgeleitet wurde.

Messung der elektrischen Spannung

Wichtige Grundlagen zur Spannungsmessung

Spannung wird immer zwischen zwei Schaltungspunkten gemessen.
Das Messgerät wird parallel zu dem Bauteil oder der Schaltungsgruppe angeschlossen.
Für die Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht unterbrochen werden.

Gleichspannung und Wechselspannung

Elektrische Spannung kann in zwei grundlegende Arten unterteilt werden: Gleichspannung (DC) und Wechselspannung (AC). Beide haben spezifische Anwendungsbereiche und Eigenschaften.

Was ist Gleichspannung?

Gleichspannung bleibt über die Zeit konstant und verändert ihre Richtung nicht. Sie fließt immer in derselben Richtung zwischen Pluspol und Minuspol.

Gleichspannungsquellen sind Batterien, Akkus und Solarzellen.
Viele elektronische Geräte wie Smartphones und Laptops werden mit Gleichspannung betrieben.
Die Spannung von Gleichstromquellen wird meist in Volt (V) angegeben, zum Beispiel 5V oder 12V.

Was ist Wechselspannung?

Wechselspannung hingegen ändert ihre Richtung periodisch und erzeugt eine sinusförmige Schwingung. Die häufigste Wechselspannung ist die Netzspannung in Haushalten.

Wechselspannungsquellen sind Generatoren und das öffentliche Stromnetz.
Haushaltsstrom in Europa hat eine Frequenz von 50 Hz und eine Spannung von 230V.
Viele Motoren und große Maschinen arbeiten mit Wechselspannung.

Vergleich zwischen Gleichspannung und Wechselspannung

Gleichspannung ist ideal für elektronische Schaltungen und Speicherlösungen.
Wechselspannung ermöglicht eine effiziente Energieübertragung über große Entfernungen.
Transformatoren funktionieren nur mit Wechselspannung, wodurch unterschiedliche Spannungsniveaus im Stromnetz erreicht werden.

Die Wahl zwischen Gleich- und Wechselspannung hängt von der Anwendung ab. Während Gleichspannung in vielen elektronischen Geräten verwendet wird, ist Wechselspannung für die Stromversorgung von Gebäuden und Industrien unverzichtbar.