Die elektrische Spannung gibt an wie hoch die Fähigkeit zum Verschieben von Ladungen (elektrischer Strom) ist. Sie ist für den Stromfluss verantwortlich und ist abhängig vom Widerstand eine leitfähigen Bauelements bzw. Materials. Man spricht hier von der elektrischen Spannung, da eine Spannung auch mechanisch existieren kann.
Eine Spannung liegt dabei an einer Spannungsquelle zwischen den Polen an. Somit ist die elektrische Spannung die Differenz zwischen zwei Polen in einem elektrischen Feld. Sie ist also der Unterschied zwischen zwei unterschiedlichen Potenzialen.Die Spannungsquelle ist die Komponente eines Schaltkreises, durch den der Stromfluss aus geht. Dies kann z. B. eine Batterie sein.
Das Prinzip der elektrischen Spannung. Quelle: Technik-Kiste.de
In Formeln wird die elektrische Spannung mit einem U bezeichnet. Als Maßeinheit dient die Einheit Volt (V).
Eine elektrische Spannung von 1V entspricht bei einem Strom von 1A einer Leistung (P) von 1W (Watt).
Spannungsquellen:
Sofern ungleiche Ladungen entgegen ihrer Anziehungskraft getrennt werden, entsteht eine elektrische Spannung. Um dies zu ermöglichen, wird elektrische Energie benötigt, die eine sogenannte Ladungstrennung vollzieht. Diese Arbeit wird dann in den Ladungen gespeichert. Hier spricht man von Ladungseinheiten bzw. 1 Coulomb.
Eine Spannungsquelle trennt also unterschiedliche Potentiale und stellt mindestens zwei Anschlüsse zur Verfügung. Den Anschluss mit einem Elektronenüberschuss nennt man Minuspol. Auf der Gegenseite befindet sich der Pluspol mit Elektronenmangel.
In der Praxis beziehen wir unsere elektrische Spannung von folgenden Quellen:
- Generatoren/Dynamos (Windenergie, Wasserkraft, Atomenergie, Kohle oder Erdöl)
- Chemie (Batterien -> Primärelemente / Akkus -> Sekundärelemente)
- Solarzellen (Licht)
- Thermoelemente (Wärme)
Im Bereich der Kommunikation, aber auch im Bereich der Mess- und Steuerungstechnik werden kleine Spannungen genutzt, um analoge Signale in digitale zu wandeln (z.B. Mikrofon).
Spannungsarten:
Es wird zwischen zwei Arten von Spannungen unterschieden:
- Gleichspannung (DC)
- Wechselspannung (AC)
Bei einer Gleichspannung bleibt die Richtung und die Höhe der Spannung gleich. Die Pole behalten also ihre Polarität (+ und -) dauerhaft. Dem entgegen steht die Wechselspannung, bei der anhand einer Frequenz die Pole wechseln und somit auch Höhe der Spannung. Die Frequenz ist dabei meist eine Sinuskurve. In Deutschland wird eine Wechselspannung von effektiv 230V bei 50 Hz (Herz) genutzt.
Gleichspannung
Bei einer Gleichspannung handelt es sich um eine über einen Zeitraum konstant hohe elektrische Spannung. Wie beim Gleichstrom bleibt ebenfalls die Richtung (Polarität) konstant. Sie wird ebenfalls durch Gleichrichter in Verbindung mit weiteren Komponenten wie Glättungskondensatoren oder Spulen erzeugt. Eine Gleichspannung kann jedoch noch eine geringe „Restwelligkeit“ aufweisen. Eine Gleichspannung wird durch ein "=" gekennzeichnet. Im englischen wird eine Gleichspannung mit "direct current" bzw. "DC" bezeichnet.
Wechselspannung
Hierbei handelt es sich um eine elektrische Spannung, bei der die Polarität in regelmäßiger Wiederholung (Zeitperiode t) wechselt. Wie beim Wechselstrom ist der Mittelwert gleich 0. Sie entsteht ebenfalls in einem Wechselstromgenerator und kann einfach durch Transformatoren in unterschiedliche Spannungshöhen verändert - also transformiert - werden. Eine Wechselspannung wird durch ein "∼" oder "AC" für "alternating current" gekennzeichnet.
Periode (T) einer Wechselspannung. Quelle: Technik-Kiste.de
Wie im Bild ersichtlich, wechselt die Wechselspannung innerhalb eines Zeitraumes (t), die Polarität und die Spannung. Wie oft dies geschieht, hängt von der Frequenz (f) ab. Diese wird in Hertz angegeben. Im 230 Volt Versorgungsnetz wird mit 50 Hertz gearbeitet.
Eine Sinusschwingung wird auch als Periode (T) bezeichnet. So befinden sich innerhalb eines Zeitraumes (t) mehrere Perioden (T). Bei 50 Hertz wären es 50 Perioden pro Sekunde. Bei T/2 ist eine halbe Sinusschwingung (180°), während sie bei T eine komplette Periode durchlaufen.
Mit Uss wird der Spitze-Spitze-Wert einer Wechselspannung angegeben. Der Spitze-Spitze-Wert ist die Differenz zwischen dem positiven und negativen Spitzen- bzw. Maximalwert.
Durch Û kann der Maximalwert einer Periode angegeben werden.
Durch die sinusförmige Veränderung der Spannung, können wir immer nur einen Momentwert (U) aufnehmen. Da sich U aber immer wieder verändert, wird ein Wert benötigt, der effektiv im Verbraucher (R) einen Effekt erwirkt. Dieser Wert wird Ueff bezeichnet und durch folgende Formel berechnet:
Berechnung von Ueff in einer Formel. Quelle: Technik-Kiste.de
Als Beispiel zur festigung der Formel nehmen wir das 230 V Verteilernetz. 230 V ist Ueff. Also ist der Maximalwert (Û) höher. Wenn wir uns als Maximalwert 325 V vorstellen und damit Ueff über obige Formel berechnen, kommen ca. 230 V als Rechenergebnis heraus.