Was ist elektrische Spannung?
Einsteiger
- Spannung ist der Antrieb, der die Ladung durch den Stromkreis schiebt. Ohne Spannung kein Strom.
- Spannung gibt es immer zwischen zwei Punkten, zum Beispiel zwischen Plus und Minus einer Batterie.
- Das Formelzeichen ist \(U\), die Einheit das Volt (V). Ein 9-V-Block hat 9 V, die Steckdose 230 V.
- Mehr Spannung, mehr Strom: Dieselbe LED leuchtet an 9 V heller als an 5 V.
In Teil 2 haben wir gesehen: Strom ist bewegte Ladung, und er fließt nur im geschlossenen Kreis. Offen geblieben ist, was die Ladung eigentlich antreibt. Das ist die Spannung.
Das Wasserbild
Stell dir einen geschlossenen Wasserkreis vor: Ein Rohr bildet einen Ring, eine Pumpe drückt das Wasser hindurch, und an einer Stelle ist das Rohr eng. Elektrisch ist das fast dasselbe:
Die Pumpe ist die Batterie, die Engstelle der Widerstand, das fließende Wasser der Strom.
- Die Pumpe erzeugt einen Druckunterschied. Elektrisch macht das die Batterie: Sie erzeugt die Spannung.
- Das Wasser wird dabei nicht verbraucht, es läuft im Kreis. Genauso die Elektronen: Sie kommen alle wieder an der Batterie an. Die Batterie liefert keine Elektronen, sie schiebt sie nur.
- Die Engstelle bremst den Fluss. Elektrisch ist das der Widerstand, um den es im nächsten Teil geht.
- Je stärker die Pumpe drückt, desto mehr Wasser fließt. Je höher die Spannung, desto größer der Strom.
Wo das Bild hinkt: Ein offenes Wasserrohr läuft aus. Aus einem offenen Stromkreis oder einer Steckdose fällt dagegen nichts heraus, der Strom hört einfach auf. Und Wasser braucht Zeit, um loszufließen, elektrisch setzt sich alles praktisch sofort in Bewegung. Für den Anfang hilft das Bild trotzdem sehr.
Spannung gibt es nur zwischen zwei Punkten
Ein Stein auf einem Tisch kann herunterfallen, und wie tief er fällt, hängt davon ab, wo der Boden ist. Bei der Spannung ist es genauso: Sie ist immer ein Unterschied zwischen zwei Punkten. Man sagt „die Spannung zwischen Plus und Minus", nie „die Spannung am Plus".
Damit man trotzdem einfach von „5 V an diesem Punkt" reden kann, legt man einen Punkt als Bezug fest und gibt ihm 0 V. Diesen Punkt nennt man Masse. In unseren Schaltungen ist das der Minuspol der Batterie, auf dem Steckbrett die blaue Schiene.
Spannung wie Höhenunterschiede: Zwischen Masse und Pluspol liegen 9 V, zwischen Reglerausgang und Pluspol nur 4 V.
Jeder Punkt der Schaltung hat so eine „Höhe" gegenüber Masse, das Potenzial. Die Spannung zwischen zwei Punkten ist der Unterschied ihrer Potenziale. Im Bild liegen zwischen dem 5-V-Ausgang und dem Pluspol mit 9 V also
Was ein Volt bedeutet
Die Spannung sagt, wie viel Energie jede Ladung mitbekommt, wenn sie von einem Pol zum anderen geschoben wird. Als Formel:
Dabei ist \(W\) die Energie in Joule (J) und \(Q\) die Ladung in Coulomb (C). Ein Volt heißt also: Jedes Coulomb Ladung bekommt ein Joule Energie.
Zahlenprobe: Die 9-V-Batterie schiebt ein Coulomb Ladung durch die Schaltung. Wie viel Energie gibt sie dabei ab? Wir stellen nach \(W\) um, indem wir beide Seiten mit \(Q\) malnehmen:
Neun Joule sind ungefähr die Energie, mit der man eine Tafel Schokolade (100 g) gut 9 Meter hoch heben kann. Kontrolle: V · C = (J/C) · C = J, die Einheit stimmt.
Zum Nachrechnen: Wie viel Energie steckt in einem 9-V-Block?
Auf einer Batterie steht oft, wie viel Ladung sie liefern kann, in Milliamperestunden (mAh). Ein 9-V-Block schafft rund 500 mAh.
Schritt 1: Ladung in Coulomb. Aus Teil 2 wissen wir \(Q = I \cdot t\). 500 mAh heißt: 500 mA eine Stunde lang. Eine Stunde hat 3600 Sekunden.
Schritt 2: Energie. Mit \(W = U \cdot Q\):
Das klingt viel, ist aber wenig: Ein Wasserkocher braucht diese Energie in rund 8 Sekunden. Im Lauf der Entladung sinkt die Batteriespannung außerdem von gut 9 V auf etwa 7 V, die echte Energie ist also noch etwas kleiner. Für unsere LEDs mit wenigen Milliampere reicht der Block trotzdem viele Stunden.
Typische Spannungen
| Quelle | Spannung |
|---|---|
| Mignonzelle (AA), Babyzelle | 1,5 V |
| Akku (NiMH, AA) | 1,2 V |
| Knopfzelle CR2032 | 3 V |
| Lithium-Akku im Handy | 3,7 V |
| USB-Anschluss | 5 V |
| 9-V-Blockbatterie | 9 V |
| Autobatterie | 12 V |
| Steckdose | 230 V Wechselspannung |
| Oberleitung der Bahn | 15 000 V |
Ab wann wird es gefährlich? Bis 50 V Wechselspannung und 120 V Gleichspannung gilt eine Spannung als Kleinspannung, die man im Normalfall berühren kann, ohne dass ein gefährlicher Strom durch den Körper fließt. Die Steckdose liegt mit 230 V weit darüber. Darum laufen alle unsere Versuche mit der 9-V-Batterie, und die Steckdose ist tabu.
Die Spannung teilt sich auf
Hier ein kleiner Vorgriff: In einem Stromkreis mit Widerstand und LED „verbraucht" jedes Bauteil einen Teil der Spannung. An einer roten LED liegen etwa 1,9 V, der Rest der Batteriespannung liegt am Widerstand:
Zusammen ergibt es wieder die 9 V der Batterie. Warum das so sein muss, steht im Teil über Reihe und parallel, und nachmessen kannst du es mit dem Multimeter.
Versuch: mehr Spannung, mehr Strom
Dieselbe LED mit demselben Widerstand, einmal an 5 V und einmal an 9 V.
Du brauchst: das Steckbrett, eine 9-V-Batterie mit Clip, den Spannungsregler MC7805, zwei Kondensatoren 100 nF, einen Widerstand 470 Ω, eine rote LED und eine Drahtbrücke. Das sind genau die Teile aus Türchen 1 des Adventskalenders.
- Schienen verbinden. Das rote Kabel des Clips in die rote Schiene, das schwarze in die blaue. Jetzt liegen 9 V zwischen den Schienen. Batterie noch nicht anklemmen.
- LED an 9 V. Widerstand von der roten Schiene in eine freie Reihe, dort das lange Bein der LED, das kurze Bein in die blaue Schiene.
- Batterie anklemmen und die Helligkeit merken. Dann Batterie wieder abziehen.
- 5-V-Regler stecken. Den MC7805 mit der beschrifteten Seite zu dir in drei freie Reihen der anderen Brett-Hälfte: links Eingang, Mitte Masse, rechts Ausgang. Den Eingang mit einer Drahtbrücke an die rote Schiene, die Mitte an die blaue Schiene. Je einen 100-nF-Kondensator vom Eingang und vom Ausgang zur blauen Schiene.
- LED umstecken. Das obere Widerstandsbein aus der roten Schiene ziehen und in die Reihe des Reglerausgangs stecken. Batterie wieder anklemmen.
Was du siehst: An 5 V leuchtet die LED deutlich schwächer als an 9 V. Gerechnet sind es etwa 15 mA an 9 V und 6,6 mA an 5 V. Wie man das ausrechnet, kommt im nächsten Teil mit dem ohmschen Gesetz.
Nach dem Versuch die Batterie abziehen.
Zusammenfassung
- Spannung \(U\) ist der Antrieb für den Strom, gemessen in Volt.
- Sie liegt immer zwischen zwei Punkten. Bezugspunkt mit 0 V ist die Masse.
- \(U = W/Q\): Ein Volt gibt jedem Coulomb Ladung ein Joule Energie mit.
- Die Ladung wird nicht verbraucht, die Batterie schiebt sie nur im Kreis.
- Mehr Spannung, mehr Strom. Und über 50 V Wechselspannung wird es gefährlich.
Weiter mit Teil 4: Widerstand und das ohmsche Gesetz. Zurück zu Teil 2: Strom oder zur Übersicht.
Tiefer einsteigen: Im Bereich Wissen stehen das elektrische Potenzial und der Innenwiderstand realer Spannungsquellen, der erklärt, warum die Batteriespannung unter Last sinkt.