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Zusammenfassung
Elektrische Spannung und Spannungsquellen
Um eine Glühlampe zum Leuchten zu bringen, muss man diese an eine Elektrizitätsquelle anschließen. Eine mögliche Quelle ist zum Beispiel die Batterie. Wir wissen, dass durch die Glühlampe Strom fließen muss, damit sie leuchtet und, dass Strom nichts anderes als bewegte Ladungen ist. Wir wissen auch, dass wir ohne die Elektrizitätsquelle keine bewegten Ladungen haben. Aber wie genau funktioniert das? Was bringt die Ladungen dazu, sich zu bewegen?
Der Antrieb der elektrischen Ladungen wird als elektrische Spannung bezeichnet. In der Batterie kommt es durch verschiedene chemische Prozesse zu einer Ladungstrennung. Das heißt, am einen Ende der Batterie bildet sich ein Überschuss an negativen Ladungsträgern (Elektronen) und am anderen Pol entsteht ein Mangel an negativen Ladungsträgern. So entsteht ein negativer und ein positiver Pol. Schließt man die Batterie also an einen Stromkreis an, wollen die überschüssigen Elektronen sozusagen von dem negativen Pol in Richtung positiven Pol fliehen, weil sie von den anderen Elektronen abgestoßen werden. Sie werden also angetrieben, durch den Stromkreis zu fließen.
Die Stärke des Antriebs, welche die Elektronen durch die Ladungstrennung erfahren, ist die elektrische Spannung.
Die elektrische Spannung wird mit dem Formelzeichen gekennzeichnet und in der Einheit Volt angegeben.
Spannungsquellen
Es gibt Spannungsquellen komplett unterschiedlicher Größenordnungen. Fasst Du die beiden Pole einer Batterie an, so merkst Du nichts. Würdest Du allerdings in die Steckdose fassen, so könnte das tödlich für Dich ausgehen. Das liegt daran, dass dieser Antrieb für verschiedene Elektrizitätsquellen komplett unterschiedlich stark ist.
Haushaltsspannung | 230 Volt |
Batterien | 1,5 Volt bis 9 Volt |
Starkstrom Steckdose | 400 Volt |
Überlandleitung | bis 38 000 Volt |
Berührungen mit Kleinspannungen bis zu ca. 50 Volt sind für den Menschen ungefährlich, weshalb Du auch eine Batterie ohne Probleme anfassen kannst. Du solltest aber niemals mit größeren Spannungen oder gar der Netzspannung zu Hause experimentieren, da das sehr gefährlich für den Menschen werden kann.
Für höhere Klassenstufen: Elektrische Spannung als Energiedifferenz
Um das Konzept der Spannung auf einem etwas tieferen Niveau zu verstehen, vergleichen wir den Stromkreis nun mit einem Wasserkreislauf.
2.) Pumpe
3.) Wasserrad
Die Wasserpumpe pumpt Wasser in den oberen Wasserspeicher. Durch den Höhenunterschied fließt das Wasser dann runter in den unteren Wasserspeicher und treibt dabei das Wasserrad an. Jetzt muss die Pumpe wieder das Wasser vom unteren Wasserspeicher in den oberen Pumpen und dabei einen Höhenunterschied überwinden. Dieser Höhenunterschied entspricht einer bestimmten Energiedifferenz (in diesem Fall potenzielle Energie), welche überbrückt werden muss. Dazu muss die Pumpe dem Kreislauf Energie zufügen. Im Falle der Pumpe und des Wasserkreislaufs wird also die mechanische Energie der Pumpe in potenzielle bzw. kinetische Energie des Wassers umgewandelt.
So ähnlich kannst Du Dir das auch in einem Stromkreis vorstellen. Betrachten wir zum Beispiel eine Batterie, so wären die beiden Pole der Batterie zwei verschiedene elektrische Energieniveaus, in diesem Fall auch elektrische Potenziale genannt. Die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Polen ist der Antrieb für die Ladungen, also die Spannung. Und damit es überhaupt erst zu dieser Potenzialdifferenz kommt, muss dem Stromkreis Energie zugefügt werden. Dies geschieht dadurch, dass in der Batterie chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Elektrische Energie und Spannung
Es gibt also Parallelen zwischen der elektrischen Energie und der potenziellen Energie. Die elektrische Energie wird benötigt, um eine elektrische Potenzialdifferenz zu überbrücken. Die potenzielle Energie wird benötigt, um eine Höhendifferenz zu überbrücken.
Elektrische Energie ist also eine weitere Energieform, welche genau wie mechanische Energie in der Einheit Joule angegeben wird.
Nun können wir uns auch eine vollständige Definition für die elektrische Spannung überlegen:
Die elektrische Spannung gibt an, wie viel elektrische Energie pro Ladung als Antrieb vorhanden ist
bzw. welche elektrische Potenzialdifferenz die Ladung überwinden muss.
Sie wird in der Einheit Volt angegeben:
Beispiel
Ein Akku besitzt bei einer Spannung von eine Ladungsmenge von . Wie groß ist die gespeicherte elektrische Energie?
Gegeben: Spannung , Ladung
Gesucht: elektrische Energie
Lösung:
Rechne zunächst alle angegebenen Werte in SI-Einheiten um:
Verwende die oben genannte Formel und stelle sie nach der gesuchten Größe um, bevor Du die Werte einsetzt:
In dem Akku ist eine elektrische Energie von ca. gespeichert.
Beispiel
Gehe davon aus, Du könntest die gesamte elektrische Energie, die im Akku gespeichert ist, verwenden, um einen Hundewelpen hochzuheben, der wiegt. Wie hoch könntest Du ihn heben?
Gegeben: elektrische Energie , Masse , Erdbeschleunigung Gesucht: Höhe
Lösung:
Du kannst davon ausgehen, dass die gesamte gespeicherte elektrische Energie im Akku in potenzielle Energie des Welpen umgewandelt werden kann, also setzt Du beide Energien gleich:
Nun löst Du nach der gesuchten Größe auf und setzt die gegebenen Werte ein. Achte dabei darauf, dass Du die Werte gegebenenfalls in SI-Einheiten umrechnen musst:
Theoretisch könnte man den Hundewelpen also mit der im Akku gespeicherten Energie auf eine Höhe von anheben.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Welche Spannung ist für den Menschen ungefährlich?
Kleinspannungen von bis zu 50 Volt sind für den Menschen ungefährlich.
Wie groß ist die gewöhnliche Netzspannung?
Die gewöhnliche Netzspannung in Deutschland beträgt 230 Volt.
Was ist die Formel der elektrischen Spannung?
Die Formel zur Berechnung der elektrischen Spannung ist: U = E_el/Q.