Physik · Klasse 7–8 · aktualisiert
Elektrische Spannung einfach erklärt
Was bedeutet elektrische Spannung? Du lernst, Potentiale zu vergleichen, Volt umzurechnen und Spannung sicher zu messen.
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Kurz gesagt
Elektrische Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. Sie kann auch an einer offenen Batterie anliegen, ohne dass Strom fließt. Das Formelzeichen ist U, die Einheit Volt.
Elektrische Spannung beschreibt den Unterschied zwischen zwei elektrischen Potentialen. Sie kann einen Strom antreiben, ist aber auch vorhanden, wenn gerade kein Strom fließt. Ihr Formelzeichen ist U, ihre Einheit ist Volt mit dem Einheitenzeichen \mathrm{V}.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Eine Batterie besitzt zwei Pole. Zwischen ihnen besteht ein elektrischer Unterschied. Dieser Unterschied heißt elektrische Spannung. Schließt du einen geeigneten Stromkreis an, kann die Spannung die Ladungsträger in eine gerichtete Bewegung versetzen: Es fließt elektrischer Strom. Die Stromstärke I gibt dagegen an, wie viel elektrische Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Ihre Einheit ist Ampere mit dem Einheitenzeichen \mathrm{A}. Spannung beschreibt also einen Potentialunterschied, Stromstärke einen Ladungsfluss pro Zeit. Eine Batterie kann Spannung bereitstellen, obwohl der Stromkreis offen ist. Dann fließt kein Strom. Spannung und Stromstärke sind daher nicht dasselbe.
Definition
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied zwischen den elektrischen Potentialen zweier Punkte an. Sie wird deshalb immer zwischen zwei Punkten angegeben.
Beispiel
- 1Eine nicht angeschlossene Batterie trägt die Nennangabe 1{,}5\,\mathrm{V}.
- 2Zwischen ihren Polen kann auch ohne angeschlossenes Gerät ungefähr diese Spannung anliegen.
- 3Weil der Stromkreis offen ist, fließt trotzdem kein Strom.
Merke: Spannung kann vorhanden sein, ohne dass Strom fließt. Ein dauerhafter Strom benötigt dagegen einen geschlossenen Stromkreis und eine antreibende Spannung.
Teste dich
Das elektrische Potential ist ein Vergleichswert für den elektrischen Zustand an einem Punkt. Erst der Unterschied zwischen zwei Potentialen ergibt eine Spannung. Für die Richtung von Punkt 1 zu Punkt 2 gilt:
U = \varphi_1 - \varphi_2
Dabei steht \varphi für das elektrische Potential in Volt. Entscheidend ist die Differenz, nicht die Höhe eines einzelnen Wertes. Auch zwischen 18\,\mathrm{V} und 12\,\mathrm{V} beträgt der Unterschied 6\,\mathrm{V}. Deshalb wird für viele Rechnungen ein Punkt mit dem Potential null als Bezug gewählt.
Die Reihenfolge der Punkte bestimmt das Vorzeichen. Vertauschst du die Punkte des Beispiels, erhältst du:
U_{21}=4\,\mathrm{V}-10\,\mathrm{V}=-6\,\mathrm{V}
Das Minuszeichen zeigt die umgekehrte Bezugsrichtung an. Es bezeichnet keine eigene Spannungsart.
Beispiel: Potentiale zweier Punkte vergleichen
- 1Punkt 1 hat das Potential 10\,\mathrm{V}, Punkt 2 das Potential 4\,\mathrm{V}. Gesucht ist die Spannung von Punkt 1 nach Punkt 2.
- 2U_{12}=10\,\mathrm{V}-4\,\mathrm{V}=6\,\mathrm{V}
- 3Zwischen den Punkten besteht in dieser Richtung eine Spannung von 6\,\mathrm{V}.
Teste dich
Im Wassermodell entspricht die Spannung einem Höhen- oder Druckunterschied. Wasser kann durch einen Höhenunterschied angetrieben werden. Ähnlich kann eine elektrische Spannung einen Strom antreiben. Zwischen zwei Wasserbecken besteht weiterhin ein Höhenunterschied, wenn kein Wasser fließt. Das Modell hilft auch beim offenen Stromkreis. Elektrische Spannung ist jedoch keine Wasserhöhe und kein Wasserdruck, sondern eine Potentialdifferenz.
Eine höhere Spannung führt nicht bei jedem Bauteil zur gleichen Änderung der Stromstärke. Diese hängt auch vom angeschlossenen Stromkreis ab. Vergleiche deshalb denselben Stromkreis unter gleichen Bedingungen. Dann bewirkt eine größere Quellspannung im Allgemeinen einen größeren Strom.
Das Formelzeichen der Spannung ist U. Die Einheit heißt Volt mit dem Zeichen \mathrm{V}. Gebräuchliche Vorsätze sind:
1\,\mathrm{\mu V}=0{,}000001\,\mathrm{V}
1\,\mathrm{mV}=0{,}001\,\mathrm{V}
1\,\mathrm{kV}=1000\,\mathrm{V}
1\,\mathrm{MV}=1\,000\,000\,\mathrm{V}
Typische Größenordnungen reichen von ungefähr 1\,\mathrm{mV} beim EKG über 1{,}5\,\mathrm{V} bei einer Monozelle bis zu 230\,\mathrm{V} im deutschen Haushaltsnetz. Werden gleich ausgerichtete Spannungsquellen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Spannungen.
Beispiel
- 1Du vergleichst zwei Spannungsquellen nacheinander an derselben Drahtspule.
- 2Erzeugt eine Quelle dort die größere Stromstärke, kann sie in diesem Vergleich als Quelle mit der größeren Spannung erkannt werden.
- 3Wechselst du zugleich die Drahtspule, ist der Vergleich nicht eindeutig.
Beispiel
- 1Für die Rechnung nimmst du zwei gleich ausgerichtete Spannungsquellen an, die jeweils 1{,}5\,\mathrm{V} bereitstellen:
- 2U_\mathrm{gesamt}=1{,}5\,\mathrm{V}+1{,}5\,\mathrm{V}=3{,}0\,\mathrm{V}
- 3Die beiden Spannungsquellen stellen gemeinsam 3{,}0\,\mathrm{V} bereit.
Teste dich
Ein Voltmeter misst Spannung zwischen zwei Punkten. Ein Multimeter kann auch andere elektrische Größen messen. Ein Oszilloskop zeigt, wie sich Spannung mit der Zeit verändert. Beim Ablesen gehören Zahl und Einheit zusammen. Nenne immer die zwei Messpunkte.
Bei einem ohmschen Bauteil unter konstanten Bedingungen sind Spannung U und Stromstärke I proportional. Dann gilt:
U=I\cdot R
R ist der Widerstand in Ohm. Diese Beziehung gilt nicht ungeprüft für jedes Bauteil.
Das deutsche Haushaltsnetz stellt ungefähr 230\,\mathrm{V} bei 50\,\mathrm{Hz} bereit. Führe daran keine eigenen Messungen oder Versuche durch. Schülerversuche verwenden Batterien bis 9\,\mathrm{V}. Die Wirkung eines Stromunfalls lässt sich nicht allein aus einer Spannungszahl bestimmen. Eine vermeintlich „sichere Grenze“ ist keine Erlaubnis zum Experimentieren.
Beispiel
- 1Durch ein ohmsches Bauteil mit R=30\,\Omega fließt eine Stromstärke von I=0{,}2\,\mathrm{A}.
- 2U=I\cdot R=0{,}2\,\mathrm{A}\cdot30\,\Omega=6\,\mathrm{V}
- 3Am Bauteil liegt eine Spannung von 6\,\mathrm{V} an. Das Ergebnis passt auch von den Einheiten her: Ampere mal Ohm ergibt Volt.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Elektrische Spannung
Bedeutung
Unterschied zwischen zwei elektrischen Potentialen
Formelzeichen und Einheit
U und Volt
Offener Kreis
Spannung kann ohne Strom anliegen
Bezug
Die Reihenfolge der Punkte bestimmt das Vorzeichen
Quellen in Reihe
Gleich ausgerichtete Spannungen addieren sich
Messung
Voltmeter zwischen zwei Punkten; Netzspannung nicht selbst messen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten
- 1Punkt A hat das Potential 14\,\mathrm{V}, Punkt B das Potential 5\,\mathrm{V}. Gesucht ist die Spannung von A nach B.
- 2Für die gewählte Richtung gilt U_{AB}=\varphi_A-\varphi_B.
- 3U_{AB}=14\,\mathrm{V}-5\,\mathrm{V}=9\,\mathrm{V}.
- 4Vertauschte Richtung: U_{BA}=5\,\mathrm{V}-14\,\mathrm{V}=-9\,\mathrm{V}. Das Vorzeichen folgt aus der Richtung.
Fehler finden
Potentiale richtig vergleichen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die Potentiale wurden addiert. Richtig ist U_{AB}=8\,\mathrm{V}-3\,\mathrm{V}=5\,\mathrm{V}.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Das Formelzeichen der Spannung ist . Ihre Einheit heißt . 1000\,\mathrm{mV} entsprechen . Zwei gleich ausgerichtete Quellen mit je 1{,}5\,\mathrm{V} liefern zusammen 3,0 V.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback