Hast Du Dich schon mal gefragt, wieso Dein Handy sich auflädt, wenn Du es mit einem Ladekabel an die Steckdose steckst? Wie kommt es, dass sich die Ladung im Kabel bewegt? Das liegt an der elektrischen Spannung, sie sorgt dafür, dass sich die elektrische Ladung durch Leiter bewegt.
Elektrische Spannung Definition
Um elektrische Ladungen zu bewegen, ist die elektrische Spannung notwendig. Sie ist eine der grundlegenden physikalischen Größen der Elektrotechnik.
Die elektrische Spannung ist der Antreiber für die Bewegung elektrischer Ladungen und damit die Ursache für den Transport von Ladungsträgern. Je größer die elektrische Spannung ist, desto mehr Ladung kann transportiert werden und dadurch steigt auch die elektrische Stromstärke, also die Ladungsmenge.
Ein elektrischer Strom kommt dann zustande, wenn sich ein Ladungsträger bewegt. Die elektrische Spannung bewirkt eine gerichtete Bewegung, beispielsweise von Elektronen. Ein elektrisches Feld entsteht, wodurch auch ein elektrischer Strom fließt.
Elektrische Spannung Formel
Du wirst in vielen verschiedenen Themengebieten der Physik und vor allem der Elektrotechnik auf die elektrische Spannung stoßen. In vielen verschiedenen Experimenten spielt die Spannung eine relevante Rolle für den Ausgang von Experimenten. Doch wie kannst Du die elektrische Spannung berechnen?
Die grundlegende Formel für die elektrische Spannung \(U\) lautet:
\[U=R \cdot I\]
\(R:\) Widerstand
\(I:\) Stromstärke
Die elektrische Spannung besitzt also die Fähigkeit, elektrische Ladungen zu bewegen. Zusätzlich zum Wissen, wie Du die elektrische Spannung berechnest, solltest Du die Einheit und das Formelzeichen der elektrischen Spannung kennen.
Elektrische Spannung Einheit und elektrische Spannung Formelzeichen
Die elektrische Spannung hat das Formelzeichen \(U\) und wird in der Einheit Volt, nach dem Physiker Alessandro Volta benannt, kurz \(V\) angegeben.
Die Einheit Volt setzt sich wie folgt zusammen:
\[1V= 1 \frac {W}{A}\]
Jetzt kennst Du die wichtigen physikalischen Aspekte der elektrischen Spannung, schau Dir nun den Umgang, die Anwendung und weiteres wissenswertes zur elektrischen Spannung an.
DElektrischen Spannung – der Umgang
Aus der herkömmlichen Steckdose im Haushalt in Deutschland und in Europa kommt eine elektrische Spannung von \(230 V\). Blitze besitzen eine Spannung von bis zu 100 Millionen Volt. Doch woher kommt diese elektrische Spannung?
Elektrische Spannung erzeugen
Jede elektrische Spannung entsteht, wenn die Protonen und Elektronen voneinander getrennt werden und ein Abstand zwischen den beiden Ladungsfeldern entsteht. Dabei entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen und die Protonen ziehen sich gegenseitig an, durch die elektrische Spannung.
In der Natur entsteht die Spannung meist durch Reibung oder chemische Reaktionen, bei denen die Elektronen übertragen werden und dadurch eine Spannung entsteht.
Du hast vielleicht schon mal das Experiment gesehen, bei dem ein Glasstab mit einem Stofftuch gerieben werden. Durch die Reibung werden Elektronen vom Tuch auf den Stab übertragen und von den Protonen getrennt, wodurch es einen Elektronenüberschuss gibt. Der Stab ist elektrisch geladen.
Dasselbe passiert, wenn Du einen Luftballon an Deinen Haaren reibst. Auch hier werden Deine Haare elektrisch geladen. Deshalb stehen die Haare danach auch ab.
Auch Blitze funktionieren ähnlich. In den Wolken werden die Elektronen von den positiven Ladungsträgern getrennt.
Die Wasserteilchen in der Wolke steigen nach oben, bis sie die Null-Grad-Grenze erreicht haben. Dort friert ein Teil der Wassermoleküle. In der Wolke trennen sich die Teilchen und am unteren Ende der Wolke sammeln sich die negativ geladenen Teilchen und am oberen Teil der Wolke die positiven Teilchen.
Die Ladungstrennung verursacht eine elektrische Spannung. Wird diese zu groß, dann entlädt sich die Wolke in Form eines Blitzes. Da auch der Erdboden überwiegend positiv geladen ist, kann auch hier die große elektrische Spannung für eine Entladung und einen daraus resultierenden Blitz verursachen.
Die Erzeugung von elektrischer Spannung ist etwas anderes als die Produktion von elektrischer Energie, wie sie beispielsweise in einem Kohlekraftwerk oder einem Solarkraftwerk stattfindet. Die elektrische Energie, die dort erzeugt wird, wird verwendet, um die Elektronen zu bewegen und so eine Spannung zu erzeugen. Mehr zur elektrischen Energieproduktion findest Du in den jeweiligen Artikeln.
Jetzt fragst Du Dich vielleicht, wie Du diese soeben erzeugte Spannung messen kannst.
Elektrische Spannung Messgerät
Um die elektrische Spannung zu messen, werden Spannungsmessgeräte verwendet. Diese werden auch Voltmeter genannt.
Wenn Du die Spannung messen möchtest, schließt Du das Spannungsmessgerät, so wie in der Abbildung, parallel zum Verbraucher an. Die Messung der Spannung muss immer parallel zum Verbraucher stattfinden, weil dieser in Reihe geschaltet nur die die Ausgangsspannung messen würde. Die elektrische Spannung ist an allen Abzweigungen der Parallelschaltung konstant, also gleich groß.
In der Realität sieht ein solches Messgerät wie folgt aus.
Abbildung 3: Multimeter
Ein digitales Multimeter wie dieses kann die Spannung und die Stromstärke messen. Dir fällt vielleicht auf, dass es insgesamt zwei Messeinstellungen für die elektrische Spannung gibt. Das Formelzeichen \(V\) mit den beiden geraden Strichen ist für Messungen von Stromkreisläufen mit Gleichspannung. Die Einstellung mit dem \(V\) und der kleinen Welle daneben wird mit für Messungen von Wechselspannungen verwendet.
Stromspannungen können sehr hoch werden und damit auch gefährlich für den Menschen werden. Um die Menschen vor so hohen Spannungen zu schützen, gibt es neben isolierenden Materialien beim Umgang mit solchen Spannungen auch Warnzeichen, die vor Gefahr warnen.
Warnzeichen elektrische Spannung
Die Gefahr an hohen Spannung, wie auch bei Blitzen, ist nicht die Stromspannung, sondern die daraus resultierende Stromstärke. Der menschliche Körper besitzt nur einen geringen Eigenwiderstand, wodurch die Stromstärke bei hohen Spannungen auch extrem hoch ist. Die hohen Stromstärken sorgen für große Mengen an Wärme, die entstehen.
Fließt eine große Menge an Strom durch Deinen Körper, erhitzt sich dieser stark von innen und schädigt Deine Organe. Auch Dein Herz arbeitet mit kleinen elektrischen Impulsen, die durch die hohe Stromspannung gestört werden können.
Stromspannungen ab \(120-140 V \) sind bereits lebensgefährlich für den Menschen.
Deshalb müssen Orte mit der Gefahr von hoher elektrischer Spannung entsprechend markiert werden. Das Warnzeichen sieht wie folgt aus.
Abbildung 4: Warnzeichen elektrische Spannung
Das Schild muss dort sichtbar angebracht werden, wo noch keine Gefahr besteht. Bei Dir zu Hause sind solche Schilder nicht notwendig, weil dort keine direkte Gefahr besteht, weil es in jedem Haus einen Sicherungskasten gibt. Kommt es zu einem Kurzschluss, wie bei einem Stromschlag, fliegt sofort die Sicherung raus, sodass die Gefahr vor schweren Schäden minimiert wird.
Elektrische Spannung – Das Wichtigste
- Die elektrische Spannung ist der Antreiber für die Bewegung elektrischer Ladungen, also die Ursache für elektrischen Strom.
- Die Formel für die elektrische Spannung \(U\) wird berechnet mit dem elektrischen Widerstand \(R\) und der Stromstärke \(I\):
\[U=R \cdot I\]
- Das Formelzeichen für die Einheit der elektrischen Spannung lautet \(U\) und die Einheit ist Volt, daher wird die Einheit der Spannung in \(1V\) angegeben.
- Elektrische Spannung entsteht dort, wo elektrische Ladungen voneinander getrennt werden, sodass auf einer Seite sich Elektronen sammeln (Elektronenüberschuss) und auf der anderen Seite sind die Protonen mit einem Elektronenmangel.
- Das elektrische Feld zwischen den zwei Ladungsfeldern sorgt für den elektrischen Strom.
- Die elektrische Spannung wird mit Voltmetern, also Spannungsmessgeräten, gemessen, die parallel an den Stromkreis geschaltet werden.
- Elektrische Spannungen ab 120 Volt sind gefährlich für den Menschen und müssen deshalb mit entsprechenden Warnzeichen markiert werden.
Nachweise
- Prof. Dr. nat. Hartmann (2002): Grundlagen der Elektrotechnik. uni-paderborn.de (31.08.2022)
- Grotz (2018): Grundwissen Elektronik: grund-wissen.de (31.08.2022)
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