Elektrotechnik Grundlagen

Elektrische Spannung

Einer der grundlegendsten Begriffe in der Elektrotechnik ist die elektrische Spannung. Diesen musst du zuerst verstehen, bevor du dich an komplexere Themen heranwagst. Deswegen erklären wir dir in diesem Artikel alles wichtige, was du dazu wissen musst.

Du kannst dir stattdessen auch gerne unser Video  zu diesem Thema ansehen.

Inhaltsübersicht

Elektrische Spannung einfach erklärt

Die elektrische Spannung U ist die Ursache für elektrischen Strom I, oder auch der Antrieb für den Strom. Die elektrische Spannung entsteht immer dann, wenn Ladungen getrennt vorliegen, also alle negativen Ladungen auf der einen und alle positiven Ladungen auf der anderen Seite. Verbindest du diese zwei Seiten mit einem elektrisch leitendem Material, so fließt Strom

Elektrische Spannung Definition

Die Elektrische Spannung U ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld. Sie ist die treibende Kraft für die Ladungsbewegung.

Das Potential in einem elektrischen Feld ist die Energie eines geladenen Körpers unabhängig von seiner Ladung. Zur Verdeutlichung kannst du dir folgenden Vergleich ansehen.

elektrische Spannung - Vergleich anhand eines Wassermodells
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elektrische Spannung – Vergleich anhand eines Wassermodells

Eine gute Analogie, mit der du dir die elektrische Spannung und das Potential besser vorstellen kannst, ist ein Wasserkreislauf. In diesem Kreislauf hast du zwei Becken auf unterschiedlicher Höhe, die mit einem Rohr verbunden sind. In diesem Rohr kann das Wasser vom oberen ins untere Becken abfließen. Das Wasser wird dann mithilfe einer Pumpe wieder ins obere Becken gepumpt, wie du das im oberen Bild erkennen kannst.

In deiner Überlegung kannst du die Pumpe jetzt ganz einfach vergleichen mit einer elektrischen Spannungsquelle. Außerdem ist der Wasserfluss analog zum elektrischen Strom vergleichbar. Die Pumpe befördert das Wasser vom unteren Becken in das obere. Von dort fließt es wieder eigenständig zurück ins untere Becken. In diesem Beispiel ist die Pumpe also der Antrieb für den Fluss. Je größer dabei der Höhenunterschied, desto stärker ist der Fluss. Maßgebend dafür ist dabei die potentielle Energie des oberen Beckens. Die Energiedifferenz der zwei Becken kannst du mit der elektrischen Potentialdifferenz vergleichen. Also einfach ausgedrückt, ein größerer Höhenunterschied entspricht einer größeren elektrischen Spannung.

Elektrische Spannung Formel

Die Formel für elektrische Spannung U lautet 

U = R · I .

Die elektrische Spannung ist dementsprechend gleich dem elektrischen Widerstand R  und dem Strom I. Diesen Zusammenhang nennt man das Ohmsche Gesetz . Bei gleich bleibender elektrischen Spannung gilt also je größer der Widerstand, desto kleiner der Strom. 

Eine weitere Formel zur Berechnung der elektrischen Spannung ist 

U = P : I ,

also Spannung ist gleich die elektrische Leitsung geteilt durch den Strom I.

Elektrische Spannung Einheit

Die Einheit der elektrischen Spannung ist ein Volt, abgekürzt V

[U] = 1V

Dabei können in der Elektrotechnik Spannungen von Mikrovolt (\mu V = 1 \cdot 10^{-6}V) und Millivolt (mV = 1 \cdot 10^{-3}V), bis hin zu Kilovolt (kV = 1 \cdot 10^{3}V) und Megavolt (MV = 1 \cdot 10^{6}V) vorkommen. 

Du kannst die einzelnen Größen folgendermaßen umrechnen:

1V = 1000mV , 1mV = 1000\mu V und

1MV = 1000kV, 1kV = 1000V

Elektrische Spannung im Stromkreis

Für Spannungsquellen siehst du meistens eines der folgenden Schaltzeichen.

Spannungsquellen und Stromkreis - Elektrische Spannung
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Spannungsquellen und Stromkreis

Eine Spannungsquelle hat immer zwei Anschlüsse/Pole. Einen Plus- und einen Minuspol. Die Spannung selbst wird mit einem Spannungspfeil gekennzeichnet. Dieser zeigt bei Quellen immer von Plus nach Minus. 

Die elektrische Spannung die über einen Widerstand abfällt kann ebenfalls mit einem Spannungspfeil gekennzeichnet werden. Dieser zeigt in technische Stromrichtung.

Du wirst auch öfter den Begriff Leerlauf- oder Quellenspannung hören. Diese ist die Ausgangsspannung, die eine unbelastete Quelle, also eine Quelle an der nichts angeschlossen ist, abgibt. Wird der Stromkreis mit einem Verbraucher geschlossen, so kann man an den Polen der Quelle nur noch die Klemmenspannung messen.

Elektrische Spannungen in Reihen- und Parallelschaltung

Zur Reihen- und Parallelschaltung haben wir bereits ein Video, in dem wir das Thema genauer behandeln. Hier gehen wir deshalb nur auf ein paar Grundlagen ein. 

Bei der Reihen– oder auch Serienschaltung werden die Bauteile in einer Reihe verbunden.

elektrische Spannung bei einer Reihenschaltung
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elektrische Spannung bei einer Reihenschaltung

Die elektrische Spannung der Quelle teilt sich hier über den Widerständen auf. Dieses Verhalten wird auch in der zweiten Kirchhoffschen Regel beschrieben. Dabei gilt

U_Q = U_1 + U_2 + U_3 ,

das heißt die Quellspannung ist gleich die Summe der elektrischen Spannungen der einzelnen Widerstände. Die Quellenspannung verteilt sich dabei unterschiedlich über die verschiedenen Widerstände. Willst du die Spannung der Widerstände ausrechnen, kannst du die Spannungsteiler Formel anwenden. Das erklären wir dir jedoch bereits in einem anderen Video.

Bei der Parallelschaltung werden die Bauteile parallel im Schaltkreis angeordnet. Das siehst du in der folgenden Schaltung.

elektrische Spannung bei einer Parallelschaltung
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elektrische Spannung bei einer Parallelschaltung

Die elektrische Spannungen über den Widerständen kannst du hier deutlich einfacher bestimmen, da bei der Parallelschaltung

U_Q = U_1 = U_2 = U_3

gilt. Die elektrischen Spannungen über den Widerständen ist also so groß wie die elektrische Spannung der Quelle. Das kannst du auch mit der Kirchhoffschen Mascheregel erklären. Stellst du nämlich eine Maschengleichung auf, erhältst du beispielsweise 

U_1 - U_2 = 0 \Rightarrow U_1 = U_2 .

Gleich- und Wechselspannung

Gleichspannung bedeutet, dass der Betrag und die Richtung der elektrischen Spannung über einen längeren Zeitraum gleich bleibt. Dementsprechend fließt auch der Strom in die gleiche Richtung. Als klassisches Beispiel für eine Gleichspannungsquelle gelten Batterien, da diese über einen langen Zeitraum beispielsweise 3,6V abgeben. Als Abkürzung für Gleichspannung siehst du oft DC (englisch „direct current“).

Bei Wechselspannung ändert sich Betrag und Richtung der elektrischen Spannung dauernd. Laut dem Ohmschen Gesetz muss sich dementsprechend auch der Strom durchgehend ändern, daher kommt auch die Abkürzung AC (englisch „alternating current“). Das heißt zum Beispiel, dass sich die Spannung von +325V zu -325V und zurück ändert. Der Mittelwert der Wechselspannung ist dabei immer 0V und die Form ist meistens ein Sinus (aber nicht zwangsläufig). Ein wichtiger Begriff im Zusammenhang mit der Wechselspannung ist der Effektivwert. Diesen kannst du ganz einfach durch

U_{eff} = \frac{U_{max}}{\sqrt{2}}

berechnen. So bekommst du beispielsweise für U_{max} = 325V einen Effektivwert von U_{eff} = 230V. Diese elektrische Spannung entspricht der Wechselspannung, die aus unseren Steckdosen kommt. In folgender Abbildung ist der zeitliche Verlauf dieser Wechselspannung dargestellt.

Wechselspannung elektrische Spannung
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Wechselspannung

Elektrische Spannung Messung

Spannungsmessgeräte, auch Voltmeter genannt, werden immer parallel zum Verbraucher, an dem die elektrische Spannung gemessen werden soll, angeschlossen. Eines der am häufigsten genutzte Spannungsmessgerät ist das Digitalmultimeter (DMM), deshalb zeigen wir dir den Ablauf einer Spannungsmessung mit dem DMM. Als erstes musst du die elektrische Spannungsart einstellen (DC für Gleichspannung oder AC für Wechselspannung). Bei DC musst du dabei auf die richtige Polarität achten, also Plus am Pluspol anschließen. Im nächsten Schritt musst du den richtigen Messbereich wählen. Kannst du nicht einschätzen, wie groß der Messwert ist, stelle den größtmöglichen Bereich ein und arbeite dich von dort runter, bis du den passenden gefunden hast. Zum Schluss musst du nur noch die elektrische Spannung ablesen. 

Elektrische Spannung Beispiele

Für ein paar Anwendungen kannst du die jeweilige elektrische Spannung in der nachfolgenden Tabelle herauslesen.

Hall Spannung einer Hall Sonde mV-Bereich
LED Spannung 1,2V - 2,5V
USB-Ladegerät Spannung 5V
Autobatterie Spannung 12,4V - 12,8V
Steckdose Spannung (Effektivwert) 230V
Hochspannungsleitungen 60kV - 1MV

Bei Sensoren, wie zum Beispiel dem Hall Sensor , entstehen nur elektrische Spannungen im Millivolt Bereich. In der Messtechnik wird dann unter anderem versucht, diese Spannung so gut es geht zu verstärken. Willst du mehr zu diesem Thema erfahren, kannst du dich gerne durch unsere Messtechnik-Playlist klicken.

Du siehst auch, dass an Hochspannungsleitungen Spannungen bis in den Megavolt Bereich anliegen. Diese großen elektrische Spannungen werden genutzt, damit über die langen Leitungen weniger Verluste auftreten.

Maßgebend für den Verbraucher ist die Leistung P, die du für Gleichspannung mit

P = U · I

berechnen kannst. Das bedeutet, dass der elektrische Strom für den Verbraucher genauso wichtig ist, wie die elektrische Spannung. Laut dem Ohmschen Gesetz ist der Strom-Spannungs-Zusammenhang

U = R · I .

Bei gleich bleibender Spannung bestimmt dementsprechend der Widerstand die Größe des Stroms. Um das zu verdeutlichen, stell dir mal folgendes vor. Du hast wieder drei verschiedene Becken, die mit gleich viel Wasser gefüllt sind. Jedes Becken hat einen Abfluss, der im Querschnitt variiert, das heißt ein Becken hat nur ein sehr kleines Abflussrohr, das andere hingegen ein sehr großen.

Die gleich bleibende elektrische Spannung erkennst du daran, dass alle Behälter gleich hoch gefüllt sind. Ist der Abfluss nach unten eng, stellt dieser einen großen Widerstand dar. Der Strom kann hier nur langsam fließen. Ist der Querschnitt des Abflusses größer, so ist der Widerstand kleiner und es kann dementsprechend auch mehr Strom fließen.

Für Wechselspannung ist die Berechnung der Leistung etwas komplizierter. Interessierst du dich dafür kannst du dir gerne unser Video zur Schein-, Blind- und Wirkleistung ansehen.

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