Elektrotechnik

Elektrische Spannung

In der Elektrotechnik tritt eine Spannung zwischen zwei unterschiedlichen Potentialen auf. Man spricht hier auch von der elektrischen Spannung, da eine Spannung auch mechanisch existieren kann. Sie entsteht durch die Trennung ungleicher Potentiale.

Formelzeichen: U
Einheit: 1 Volt (V)

 

Da eine elektrische Spannung immer zwischen zwei Potentialen liegt, gibt es eine bestimmte Richtung. Diese Richtung nennt man Zählrichtung und sie wird in Zeichnungen mit einem Pfeil angegeben. Der Pfeil weist immer vom höheren zum niedrigeren Potential.

Als Vergleichspunkt für das Nullpotential, mit dem die restlichen Potentiale verglichen werden, nennt man: Erdpotential oder Massepotential.


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).

Unten im Bild ist ein unterschiedliches Potential zu erkennen. Durch die sogenannte Ladungstrennung entsteht zwischen den beiden Potentialen eine Spannung.

Spanunngsquellen Prinzip


Spannungsarten

In der Elektrotechnik wird zwischen zwei verschiedenen Spannungsarten unterschieden:

Gleichspannung (DC):

Eine Gleichspannung verhält sich über eine Zeitperiode (t), so wie es der Name bereits sagt, immer gleich. Es ändert sich keine Polarität.

In der Abbildung ist ersichtlich, dass eine Gleichspannung über den gesamten Zeitraum (t) eine konstante elektrische Spannung (U) darstellt.

Eine Gleichspannung wird durch ein "=" gekennzeichnet. Im englischen wird eine Gleichspannung mit "direct current" bzw. "DC" bezeichnet.

Gleichspannung im Liniendiagramm

 Wechselspannung (AC):

Bei einer Wechselspannung ändert sich über eine Zeitperiode (T) die Polarität und auch die Spannung. Eine Wechselspannung wird durch ein "∼" oder "AC" für "alternating current" gekennzeichnet.

Wechselspannung im Liniendiagramm

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:Formel U

Als Beispiel nehmen wir uns 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.


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