Spannung

Definition von Spannung

Inhalt des Wiki-Artikels

• Elektrische Spannung und Strom
• Gleichspannung und Wechselspannung

Spannung ist eine zentrale und zugleich eine abgeleitete Größe in der Elektrotechnik. Die Definition dieser Größe verweist auf die Differenz aus zwei Potenzialen. Als Zeichen für die elektrische Spannung ist U festgelegt. Die Spannung ist definiert als Potenzialdifferenz zwischen den zwei Punkten 1 und 2. Daraus ergibt sich folgende Gleichung, mit der man die Spannung berechnen kann:

Die Potenziale sind in ihrer Lage nicht festgelegt, deshalb ist ein Bezugspotenzial zur Berechnung vonnöten, das zum Beispiel auf den negativen Pol gesetzt werden kann. Liegt Punkt 1 auf einem höheren Potenzial als Punkt 2, so ist die elektrische Spannung positiv. Ist dies nicht der Fall, ist die Spannung negativ. Betrachtet man ein elektrisches Feld, so ist jedem Punkt in diesem ein Potenzial zugeordnet. Wird dieses mit der Ladung multipliziert, resultiert als Ergebnis die potenzielle Energie. Bei einer anderen Definition der Spannung kann auf das Festsetzen eines Bezugspotenzials verzichtet werden, denn diese besagt, dass die Arbeit W aufgewendet werden muss, um die ungleichnamigen Ladungen Q voneinander zu trennen. Definiert man die elektrische Spannung auf diese Weise, kann sie mit der folgenden Formel berechnet werden:

Werden Pole miteinander verbunden, an denen Ladungen angeordnet sind, fließen die Elektronen und somit der Strom I. Auf dieser Definition, die elektrische Spannung zu berechnen, basiert die Einheit Volt. Eine Spannung zwischen zwei Punkten eines Leiters entspricht dann 1 Volt, wenn zwischen den beiden Punkten eine Leistung von 1 Watt bei einer Stromstärke von 1 Ampere erbracht wird.¹

Elektrische Spannung und Strom

Die Voraussetzung für das Fließen von Strom ist, dass eine elektrische Spannung vorliegt. Bei einem Stromfluss wandern elektrisch geladene Teilchen. Ein elektrischer Leiter ist notwendig, damit Strom fließen kann, außerdem müssen positive, negative und auch freie Ladungsträger vorhanden sein. Die elektrische Spannung U wird in Volt gemessen, die Einheit des elektrischen Stroms I ist das Ampere. Darüber hinaus spielt der elektrische Widerstand R eines Leiters eine wichtige Rolle, denn dieser bestimmt, wie viel Strom bei einer bestimmten Spannung fließen kann. Der Widerstand wird in Ohm angegeben. Den Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung, Strom und Widerstand verdeutlicht das ohmsche Gesetz. Die Spannung ist das Produkt aus Strom und Widerstand:

Je höher die Spannung ist, desto mehr Strom fließt, wenn der Widerstand gleich bleibt. Je größer der Widerstand ist, desto weniger Strom fließt, wenn die Spannung gleich bleibt.² Im spannungslosen Zustand weisen die Elektronen in einem Leiter zufällige, ungerichtete Bewegungen auf. So kommt weder ein Ladungstransport noch ein Stromfluss zustande. Wird eine Spannung angelegt, dann wandern negativ geladene Ladungsträger zum Pluspol, eine Ladungsströmung beziehungsweise ein Stromfluss resultiert daraus. Da die Elektronen negative Ladungen transportieren, ist die Richtung des technischen Stromflusses entgegengesetzt der Richtung des physikalischen Ladungsträgerflusses. Bei positiv geladenen Ionen stimmen dagegen die Richtung von Strom- und Ladungsträgerfluss überein. In Form von Strom und Spannung wird elektrische Energie durch Leitungen übertragen, auch eine drahtlose Übertragung in Form von Funkwellen ist möglich.

Gleichspannung und Wechselspannung

Unterschieden wird bei der elektrischen Spannung zwischen Gleichspannung und Wechselspannung. Ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts hat die Elektrizität nach und nach Einzug in alle Lebensbereiche der Menschen genommen. Elektrisch betriebene Geräte und Maschinen gehören zu unserem Alltag. Diese Geräte und auch die Leitungen, die der Stromzufuhr dienen, sind von elektrischen Feldern umgeben. Fließt Strom, entstehen zusätzlich magnetische Felder. Eine grundsätzliche Unterscheidung ist die zwischen Gleichspannung und Wechselspannung beziehungsweise zwischen Gleichstrom und Wechselstrom. Liegt eine Gleichspannung vor, ändern sich Polarität und die Fließrichtung der Elektronen nicht. Anders ist dies bei der Wechselspannung. Die Haushalte in Deutschland werden vom öffentlichen Elektrizitätsnetz mit Wechselstrom versorgt, der über eine Frequenz von 50 Hertz verfügt. Bei der Wechselspannung ändert sich in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Polarität. Für die elektrische Spannung bedeutet dies, dass sich die Pole umkehren, der Minuspol wird zum Pluspol, der Pluspol zum Minuspol. Dadurch wechselt auch die Fließrichtung der Elektronen und damit des Stroms ständig. Da die Frequenz von 50 Hertz im unteren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt, spricht man in diesem Fall von niederfrequenten Wechselfeldern, die während des Stromflusses entstehen. Durch Gleichspannung entstehende magnetische Felder werden dahingegen statische Felder genannt. Die Frequenz von statischen Feldern, die durch elektrische Spannung beziehungsweise den daraus resultierenden Stromfluss entstehen, liegt bei null Hertz.³