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Elektrische Spannung | <<< | >>> | Feedback |
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Definition: die Energie pro Einheit transportierter elektrischer Ladung
Die elektrische Spannung U, die z. B. an einer Batterie oder einer Hochspannungsleitung anliegt, gibt an, wie viel Energie pro Einheit der elektrischen Ladung transportiert bzw. abgegeben wird. Die Maßeinheit für die Spannung ist das Volt (V); 1 Volt bedeutet ein Joule pro Coulomb (1 V = 1 J / C).
Manche Eigenschaften der Elektrizität können in einem mechanischen Gedankenmodell illustriert werden. Die in einer Leitung transportierten Ladungsmengen entsprechen in einem solchen Modell der Menge einer Flüssigkeit, die durch ein Rohr fließt. Die elektrische Spannung entspricht dann dem Druck auf der Leitung. Bei Leitungspaaren entspricht die Spannung zwischen den Leitungen dem Druckunterschied. Auch im mechanischen Modell ist die transportierte Energie pro Volumeneinheit der Flüssigkeit gleich dem Druck bzw. Druckunterschied.
Wenn an einer Steckdose oder an den Anschlussklemmen einer Batterie nichts angeschlossen ist, fließt kein elektrischer Strom; es ist also nicht angemessen zu sagen, da sei “Strom drauf”. Es liegt jedoch trotzdem eine Spannung an. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, so fließt ein Strom, dessen Stärke (Stromstärke) meist mit steigender Spannung zunimmt. Die Spannung treibt also sozusagen den Strom an, aber nur wenn die Verhältnisse einen Stromfluss zulassen. Die entstehende Stromstärke ergibt sich aus der Spannung dividiert durch den Widerstand des Verbrauchers.
Da Spannungsquellen in der Regel einen gewissen Innenwiderstand besitzen, sinkt ihre Spannung ab, wenn sie mit Strom belastet werden. Die höchste Stromstärke, der Kurzschlussstrom, tritt auf, wenn die beiden Leiter ohne nennenswerten Widerstand direkt miteinander verbunden werden.
Die elektrische Leistung ergibt sich in jedem Moment aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke. Bei Wechselstrom ist die durchschnittlich transportierte Leistung gleich dem Produkt der Effektivwerte von Spannung und Strom sowie dem Kosinus des Phasenwinkels cos φ zwischen Spannung und Strom.
Abbildung 1: Ein einfaches Multimeter, welches elektrische Spannungen, Stromstärken und Widerstände messen kann.
Elektrische Spannungen zwischen zwei Leitern können mit einem Voltmeter gemessen werden. Dies ist ein Gerät, welches an beide Leitungen angeschlossen wird und die anliegende Spannung entweder analog (mit einem Zeiger) oder digital (als Zahlenwert) anzeigt. Hierbei wird die Spannungsquelle meist nicht nennenswert belastet, d. h. es wird nur ein sehr kleiner Strom durch das Messgerät fließen.
Gebräuchlich sind auch Multimeter (siehe Abbildung 1), die neben elektrischen Spannungen auch Stromstärken, Widerstände u. a. messen können.
Bei Wechselspannungen (→ Wechselstrom) oszilliert die elektrische Spannung mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz (d. h. 50 Schwingungen pro Sekunde). Wenn in einem solchen Fall “die” Spannung genannt wird, ist in der Regel ihr Effektivwert gemeint. Dieser beträgt ca. 70,7 % des Spitzenwerts. Beispielsweise beträgt der Spitzenwert bei einer 230-V-Steckdose ca. 325 V.
Die Tabelle gibt typische Werte der elektrischen Spannungen in verschiedenen Zusammenhängen an.
| Beispiel | typische elektrische Spannung |
|---|---|
| Silizium-Solarzelle | 0,5 V |
| Batterie für Kleingeräte | 1,5 V |
| Autobatterie | 12 V |
| Haushaltssteckdose | 230 V |
| Oberleitung einer Bahntrasse | 15 kV |
| Hochspannungsleitung | 110 kV, 380 kV, 400 kV |
Hochspannungsleitungen werden mit sehr hohen elektrischen Spannungen von z. B. 400 kV betrieben. Hierdurch werden relativ kleine Ladungsmengen benötigt, um große Energiemengen zu transportieren. Entsprechend sind die benötigten Stromstärken kleiner als bei einer Leitung, die mit niedrigerer Spannung die gleiche Leistung übertragen soll.
Hohe elektrische Spannungen von z. B. 100 V oder höher können für Menschen gefährlich sein. Wenn nämlich z. B. mit beiden Händen jeweils ein Pol einer Haushaltssteckdose berührt wird, treibt die Spannung von 230 V (Effektivwert) einen gefährlich hohen Wechselstrom durch den Körper an, der in diesem Fall durch die Herzgegend fließt und u. U. einen Herzstillstand durch Herzkammerflimmern verursachen kann.
Meist nicht gefährlich sind Spannungsquellen, die zwar eine sehr hohe Spannung erzeugen können, welche jedoch bei geringer Stromentnahme sofort zusammenbricht. Dies ist z. B. der Fall, wenn man in einem Raum mit sehr trockener Luft (geringer Luftfeuchtigkeit) über einen Kunstfaserteppich läuft. Hier können ohne weiteres Spannungen von Dutzenden von Kilovolt (kV) entstehen, die beim folgenden Berühren eines Wasserhahns nur ganz kurzzeitig eine hohe Stromstärke und damit einen vielleicht unangenehmen, aber nicht gefährlichen elektrischen Schlag verursachen.
Ebenfalls ungefährlich ist es, beide Pole einer Spannungsquelle mit geringer Spannung (z. B. 12 V) zu berühren, selbst wenn diese durch angeschlossene Kabel einen sehr starken Strom schickt. Selbstverständlich sind hohe Stromstärken nur gefährlich, wenn sie durch den Körper fließen anstatt nur durch ein Kabel.
Siehe auch: elektrische Energie, elektrische Stromstärke, Leistung, Hochspannungsleitung