Leerlauf- und Klemmenspannung und elektrische Quellen

Ohne eine elektrische Energiequelle funktioniert kein Stromkreis. Wenn du deine Taschenlampe einschalten möchtest, musst du erst einmal sicherstellen, dass Batterien eingelegt sind und ein Föhn funktioniert nur, wenn der Stecker in der Steckdose eingesteckt ist.

Die elektrische Energiequelle dient als Antrieb für die Ladungen, die dann im Stromkreis fliessen. Ohne elektrische Energiequellen gibt es also keinen Strom und keines deiner elektrischen Geräte funktioniert.

Unterschiedliche elektrische Quellen liefern einen unterschiedlich starken oder schwachen Antrieb der Ladungen. Dies wird mit der sogenannten Spannung gekennzeichnet und dem Buchstaben $U$ abgekürzt. Die Einheit, in der die Spannung angegeben wird, ist Volt. Eine normale Steckdose in deinem Zuhause liefert zum Beispiel 230 Volt Spannung. Eine gewöhnliche AA-Batterie hingegen liefert 1,5 Volt.

Unterschiedliche elektrische Geräte brauchen einen unterschiedlich starken "Antrieb". Die Spannung, die die elektrische Quelle liefert, muss also mit der Spannung, die das elektrische Gerät braucht, der sogenannten Nennspannung des Geräts zusammenpassen.

Beispiel

Eine Lichterkette hat eine Nennspannung von 6 Volt. Wie viele AA-Batterien brauchen wir, um die Lichterkette zu betreiben?

Eine AA-Batterie liefert 1,5 Volt Spannung. Wir brauchen also vier AA-Batterien, um die Lichterkette zu betreiben. Würden wir nur drei AA-Batterien einlegen, oder wäre eine der eingelegten Batterien leer, würde die Lichterkette nicht leuchten.

Verschiedene elektrische Quellen

Unterschiedliche elektrische Geräte brauchen also unterschiedliche elektrische Quellen. Die Steckdose und die Batterie hast du bereits kennengelernt. Es gibt aber noch viele andere elektrische Quellen, die in den verschiedensten Situationen und Stromkreisen genutzt werden.

Elektrische Quelle	Spannung	Mögliche elektrische Geräte
Steckdose	230 Volt	Föhn, Wasserkocher, Staubsauger, Stehlampe, Toaster, Fernseher
AA-Batterie	1,5 Volt	Lichterkette (2-4 Batterien), Taschenlampe, Fernbedienung, Polaroid Kamera
Autobatterie	12,7 Volt	Auto
Handy Akku	3,8 Volt	Smartphone
Starkstrom Steckdose	400 Volt	Kompressor, Kreissäge, grosse Baumaschinen, Elektroherd

Leerlauf- und Klemmenspannung

Für jede elektrische Quelle gibt es eine Leerlaufspannung $U_0$  und eine Klemmenspannung $U_{Kl}$ . Wenn kein Strom im Stromkreis fliesst, so gibt die Leerlaufspannung den idealen Spannungswert der Quelle an. Die Klemmenspannung dagegen ist die Spannung, die tatsächlich gemessen wird, wenn Strom im Stromkreis fliesst und die elektrische Quelle in Betrieb ist. Der Wert der gemessenen Klemmenspannung hängt davon ab, wie viel Strom im Stromkreis fliesst. Wenn der maximale Strom (auch Kurzschlussstrom genannt) erreicht ist, "bricht" die Klemmenspannung zusammen.

Innenwiderstand

Wenn man einen Stromkreis realistisch betrachten will, muss man wie bereits erwähnt zwischen der Leerlaufspannung und der Klemmenspannung einer elektrischen Quelle unterscheiden. Der Unterschied zwischen Leerlaufspannung und Klemmenspannung kommt zum einen daher, dass Strom mit einer bestimmten Stromstärke $I$ fliesst, zum anderen daher, dass die Quelle an sich einen Innenwiderstand $R_I$ hat. Dieser lässt sich mit folgender Formel berechnen:

$R_I = \frac{U_0-U_{Kl}}{I}$

$I$ ist die Stromstärke (= Menge an Ladung, welche in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Leiters fliesst), $U_0$  die Leerlaufspannung und $U_{Kl}$ die Klemmenspannung.

Der äussere Widerstand im Stromkreis (z. B. einer Lampe) sollte immer um einiges grösser sein, als der innere Widerstand, damit die angeschlossenen Geräte stabil mit Spannung versorgt werden können.