Elektrische Spannung: verstehen und üben

Lernschritt 1

Was ist elektrische Spannung?

Die elektrische Spannung U beschreibt, wie viel elektrische Energie pro Ladungsmenge zwischen zwei Punkten übertragen werden kann. Ihre Einheit heißt Volt (V). Eine Spannungsangabe bezieht sich immer auf zwei Punkte, beispielsweise die beiden Pole einer Batterie oder die beiden Anschlüsse einer Lampe.

Bei einer Spannung von 1,5 V werden pro Coulomb transportierter Ladung 1,5 J elektrische Energie bereitgestellt oder umgesetzt – je nachdem, ob du die Quelle oder das elektrische Gerät betrachtest. Bei 6 V sind es 6 J pro Coulomb. Die Spannung sagt allein noch nicht, wie viele Coulomb pro Sekunde fließen.

Auf dieser Seite rechnen wir mit den positiven Beträgen von Spannung, transportierter Ladung und übertragener Energie. Bei gerichteten Spannungen und einzelnen positiven oder negativen Teilchen muss man zusätzlich eine Vorzeichenkonvention festlegen. Das ist eine spätere Vertiefung.

Lernschritt 2

Ausprobieren: Was ändert eine größere Spannung?

Schalte von 3 V auf 6 V um. Die betrachtete Ladung bleibt 1 C. Die zugehörige Energie steigt von 3 J auf 6 J. Doppelte Spannung bedeutet doppelte Energie pro Coulomb.

Das Modell legt keine Zeit fest. Du kannst deshalb aus den Balken keine Stromstärke ablesen. Ob 1 C in einer Sekunde oder in zehn Sekunden transportiert wird, wäre eine zusätzliche Information.

Ebenso zeigt der Balken keinen Füllstand einer Batterie. Die Aufschrift 6 V verrät nicht, wie viel Energie insgesamt in der Batterie gespeichert ist oder wie lange sie ein Gerät versorgen kann. Dafür sind weitere Angaben und die Betriebsbedingungen nötig.

Lernschritt 3

Mit Spannung, Energie und Ladung rechnen

Wenn die Spannung während des betrachteten Vorgangs konstant ist, hängen die Beträge der übertragenen elektrischen Energie E, der Ladung Q und der Spannung U so zusammen:

Beispiel 1 – Spannung: Beim Transport von 3 C zwischen zwei Punkten werden 18 J elektrische Energie übertragen. Gesucht ist U.

U = 18 J3 C = 6 V

Die Probe lautet: 6 V · 3 C = 18 J. Das Ergebnis beschreibt die Energie pro Coulomb, nicht die gesamte Energie.

Beispiel 2 – Energie: Eine Quelle liefert bei konstanten 4,5 V eine Ladungsmenge von 8 C an den Stromkreis.

E = 4,5 V · 8 C = 36 J

Die Quelle stellt dabei 36 J elektrische Energie bereit. Wie viel davon als nutzbares Licht, Bewegung oder Wärme ankommt, hängt vom angeschlossenen Gerät und weiteren Verlusten ab.

Beispiel 3 – Ladung: Bei konstanten 12 V werden 60 J übertragen. Dann ist Q = 60 J geteilt durch 12 V = 5 C. Für eine Stromstärke fehlt weiterhin die Zeitangabe.

Lernschritt 4

Spannung kann auch ohne Strom vorhanden sein

Eine Batterie kann zwischen ihren Polen eine Spannung besitzen, obwohl kein geschlossener äußerer Stromkreis angeschlossen ist. Auch über einem geöffneten Schalter kann eine Spannung anliegen, während durch den unterbrochenen Weg kein dauerhafter Strom fließt.

Strom fließt erst, wenn es einen geeigneten leitenden Weg gibt und die übrigen Bedingungen passen. Wie groß er wird, hängt nicht nur von der Spannung ab, sondern auch von den Eigenschaften der Bauteile. Bei einem ohmschen Widerstand mit unverändertem R gilt I = U geteilt durch R. Eine Verdopplung von U verdoppelt dort I. Für beliebige Bauteile darf man diesen proportionalen Zusammenhang nicht voraussetzen.

Beispiel: Ein Lämpchen und ein anderer Verbraucher können an derselben Spannung unterschiedliche Stromstärken aufnehmen. Der Satz „Die Batterie hat 6 V, also fließen 6 A“ ist deshalb falsch. Volt und Ampere beschreiben unterschiedliche Größen.

Lernschritt 5

Spannung messen: Voltmeter parallel

Ein Voltmeter vergleicht zwei elektrische Anschlusspunkte. Um die Spannung an einer Lampe zu messen, verbindest du seine Messleitungen mit den beiden Lampenanschlüssen. Das Messgerät liegt damit parallel zur Lampe. Du trennst den Lampenstromweg dafür nicht auf.

Ein ideales Voltmeter besitzt einen unendlich großen Widerstand und nimmt keinen Strom auf. Ein reales hat einen großen Eingangswiderstand; durch das Gerät fließt ein kleiner Messstrom. So beeinflusst es die untersuchte Schaltung möglichst wenig. Besonders bei hochohmigen Schaltungen kann dieser Einfluss trotzdem wichtig werden.

1. Am spannungsfreien Schulaufbau die beiden Messpunkte festlegen.
2. Messleitungen an COM und der vorgesehenen Spannungsmessbuchse anschließen; Geräteanleitung beachten.
3. Für eine Batterie die Gleichspannungsfunktion und einen ausreichend großen zulässigen Messbereich wählen.
4. Die Leitungen parallel anschließen, Aufbau kontrollieren, einschalten und Wert mit Einheit ablesen.

Bei üblicher Polung liegt die rote Leitung am höheren, die schwarze am niedrigeren Potenzial. Beim Vertauschen zeigt ein digitales Gerät für Gleichspannung normalerweise denselben Betrag mit umgekehrtem Vorzeichen. Praktische Übungen nur angeleitet mit geeigneter Kleinspannung; niemals an Steckdosen. Eine Strommessbuchse darf nicht versehentlich für diese Parallelschaltung verwendet werden.

Lernschritt 6

Volt, Millivolt und die beiden Messpunkte

1 V entspricht 1 000 mV. Damit sind 250 mV = 0,250 V und 1,5 V = 1 500 mV. 1 kV entspricht 1 000 V. Die Vorsätze ändern die Schreibweise, nicht die physikalische Spannung.

Welche Messpunkte? „Die Spannung am Draht ist 3 V“ bleibt ohne Bezugspunkt unklar. Präziser ist: „Zwischen Punkt A und Punkt B messen wir 3 V.“ Werden beide Messleitungen an denselben ideal leitenden Verbindungspunkt gelegt, zeigt das Voltmeter 0 V. Es vergleicht dann einen Punkt mit sich selbst.

In Schulschaltplänen betrachten wir Verbindungsleitungen oft als ideal. Zwischen Punkten derselben idealen Leitung liegt dann kein Spannungsabfall. Reale Leitungen besitzen Widerstand; bei Stromfluss kann auch an ihnen eine Spannung abfallen. Die Modellannahme erleichtert den Einstieg, ist aber keine allgemeine Aussage über jedes Kabel.

Lernschritt 7

Batterieaufschrift und Messwert richtig deuten

Die aufgedruckte Batteriespannung ist ein Nennwert. Ein real gemessener Wert kann je nach Ladezustand, Batterietyp und Belastung davon abweichen. Insbesondere kann die Klemmenspannung beim Versorgen eines Geräts kleiner sein als im nahezu unbelasteten Zustand.

Deshalb ist „Die Batterie zeigt ohne Gerät noch Spannung“ kein vollständiger Nachweis dafür, dass sie unter Belastung ausreichend Energie liefern kann. Für unsere einfachen Rechenbeispiele behandeln wir die Quelle hingegen als konstant und verwenden den angegebenen Wert.

Fehlerdetektiv: „Eine Batterie mit doppelt so vielen Volt hält doppelt so lange.“ Das folgt nicht aus der Spannung. Größere Spannung bedeutet mehr Energie pro Coulomb; Betriebsdauer hängt auch von nutzbarer Kapazität, angeschlossenem Gerät und Betriebsbedingungen ab. Geräte benötigen eine passende Versorgungsspannung, nicht einfach eine möglichst hohe.

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