Was versteht man unter dem Begriff "Spannung"?

Spannung ist der Druck einer Energiequelle in einem Stromkreis, der geladene Elektronen (Strom) durch eine leitende Schleife drückt und sie dadurch in die Lage versetzt, elektrische Arbeit zu verrichten, indem sie beispielsweise eine Lampe zum Leuchten bringen.

 

Kurz gesagt kann Spannung mit Druck verglichen werden und wird in Volt (V) gemessen. Mit dem Begriff wird der italienische Physiker Alessandro Volta (1745- bis 1827) geehrt, der Erfinder der Voltaschen Säule, die als Vorläufer der heutigen Batterie gilt.

In der Anfangszeit nach der Entdeckung der Elektrizität wurde die Spannung als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet. Daher wird die Spannung in Gleichungen wie zum Beispiel im ohmschen Gesetz manchmal durch das Symbol E dargestellt. Normalerweise wird aber das Formelzeichen U verwendet.

Beispiel für die Spannung in einem einfachen Gleichstromkreis:

1. Bei diesem Gleichstromkreis ist der Schalter geschlossen (eingeschaltet).
2. Die Spannung der Spannungsquelle – die "Potenzialdifferenz" zwischen den beiden Batteriepolen – ist aktiviert und erzeugt einen Druck, der bewirkt, dass Elektronen als Strom aus dem Minus-Anschluss fließen.
3. Der Strom erreicht die Lampe, wodurch sie zu leuchten beginnt.
4. Der Strom fließt zurück zur Stromquelle.

Bei der Spannung handelt es sich entweder um Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC). Unterschiede zwischen beiden Spannungsarten:

Wechselspannung (an einem Digitalmultimeter dargestellt durch ):

• Fließt im Idealfall in einer gleichmäßigen Sinuskurve, siehe Darstellung unten:

  

• Kehrt die Richtung in regelmäßigen Abständen um.
• Wird üblicherweise bei Energieversorgungsunternehmen mithilfe von Generatoren erzeugt, bei denen mechanische Energie – eine durch Wasser-, Dampf-, Wind- oder Wärmeströmung erzeugte Drehbewegung – in elektrische Energie umgewandelt wird.
• Wird häufiger als Gleichspannung verwendet. Die Energieversorgungsunternehmen liefern Wechselspannung an Haushalte und Unternehmen, bei denen die meisten Geräte Wechselspannung nutzen.
• Die Versorgungsspannung unterscheidet sich von Land zu Land. In den USA beträgt sie beispielsweise 120 V, in Deutschland 230 V.
• Manche Haushaltsgeräte wie zum Beispiel Fernsehgeräte und Computer nutzen Gleichspannungen. Bei diesen Geräten dienen Gleichrichter (z. B. dieser kompakte Kasten im Stromversorgungskabel eines Notebook-Computers) zur Umwandlung von Wechselstrom und Wechselspannung in Gleichstrom und Gleichspannung.

Gleichspannung (an einem Digitalmultimeter dargestellt durch ein sowie der Angabe ):

• Übt Spannung nur in eine Richtung aus.
• Wird normalerweise von Spannungsquellen erzeugt, in denen Energie gespeichert ist, beispielsweise von Akkus.
• Gleichspannungsquellen haben Plus- und Minus-Anschlüsse. Durch die Anschlüsse wird die Polarität in einem Stromkreis festgelegt. Anhand der Polarität kann ermittelt werden, ob es sich um einen Gleichstromkreis oder Wechselstromkreis handelt.
• Wird üblicherweise in batteriebetriebenen beweglichen Geräten verwendet (Autos, Blitzlichter, Kameras).

Was versteht man unter dem Begriff "Potenzialdifferenz"?

Die Begriffe "Spannung" und "Potenzialdifferenz" hängen ganz eng zusammen. Die Potenzialdifferenz lässt sich beschreiben als die Differenz der potenziellen Energie zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Der Betrag des Unterschieds (in Volt ausgedrückt) bestimmt, wie viel potenzielle Energie vorhanden ist, um Elektronen von einem bestimmten Punkt zu einem anderen zu bewegen. Die Größe des Werts gibt an, wie viel Arbeit möglicherweise durch den Stromkreis geleistet werden kann.

Eine AA-Alkalibatterie liefert beispielsweise 1,5 V. Eine normale Steckdose in einem Haushalt liefert 120 V (in den USA). Je höher die Spannung in einem Stromkreis, desto größer seine Fähigkeit, mehr Elektronen zu "drücken" und mehr Arbeit zu leisten.

Die Spannung/Potenzialdifferenz kann mit dem in einem Tank gespeicherten Wasser verglichen werden. Je größer und höher der Tank (und somit dessen potenzielle Energie), desto größer das Vermögen des Wassers, eine Stoßwirkung zu erzeugen, wenn ein Ventil geöffnet wird und das Wasser (wie die Elektronen) fließen kann.

Warum das Messen der Spannung sinnvoll ist

Technikern ist bei der Fehlersuche in den meisten Fällen klar, wie sich ein Stromkreis üblicherweise verhalten sollte.

Stromkreise dienen dazu, einen Verbraucher mit Energie zu versorgen, bei dem es sich um ein kleines Gerät, ein Haushaltsgerät oder einen Industriemotor handeln kann. Verbraucher sind oftmals mit einem Typenschild versehen, auf dem elektrische Nennwerte einschließlich Strom und Spannung angegeben sind. Anstelle eines Typenschildes liefern manche Hersteller ein detailliertes Schema (Stromlaufplan) der Schaltung des Verbrauchers. In Handbüchern sind unter Umständen Nennwerte aufgeführt.

Diese Zahlen sagen einem Techniker, welche Messwerte zu erwarten sind, wenn ein Verbraucher im Nennbetrieb funktioniert. Ein auf einem Digitalmultimeter angezeigter Messwert kann von den Nennwerten abweichen. Dann muss der Techniker anhand seiner Fachkenntnisse und Erfahrung die Faktoren ermitteln, die diese Abweichungen verursachen.

Referenz: Digital Multimeter Principles von Glen A. Mazur, American Technical Publishers.