Elektrische Spannung U
Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom.
Über die elektrische Spannung können folgende Aussagen gemacht werden:
- Die elektrische Spannung ist der Druck oder die Kraft auf freie Elektronen.
- Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stroms.
- Die elektrische Spannung (Druck) entsteht durch den Ladungsunterschied zweier Punkte oder Pole.
Der Begriff der Spannung findet in einer Schaltung in verschiedenen Formen Anwendung. Bei den Spannungserzeugern (Spannungsquelle oder Netzspannung) in Form eines Generators oder Netzgeräts, welche die Spannung Uges oder UBat bereitstellen. Man nennt diese Spannung auch Quellenspannung Uq oder Urspannung. Diese Spannung teilt sich an den Verbrauchern im Stromkreis auf (Reihenschaltung). Die Teilspannungen werden als Spannungsabfall bezeichnet, die aber nichts mit Müll oder Dreck zu tun haben. Man meint damit das Abfallen (Reduzieren) der Quellenspannung am Verbraucher.
Formelzeichen
Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist das große "U". In der englischsprachigen Literatur wird für die elektrische Spannung (voltage) das Formelzeichen "V" benutzt. So findet man in der Schaltungstechnik häufig Spannungsbezeichnungen, wie VOUT (Ausgangsspannung), VBAT (Batteriespannung) und andere. Sowohl das Formelzeichen als auch die Einheit sind beides V.
Wie es zum deutschen Formelzeichen U gekommen ist, ist unbekannt. Es gibt allerdings viele verschiedene Erklärungen dazu. Eine Erklärung besagt, dass das deutsche Formelzeichen U vom Lateinischen "urgere" (drängen, treiben, drücken) abgeleitet ist.
Während für Gleichspannungsgrößen generell das große "U" als Formelzeichen verwendet wird, wird für Wechselspannungsgrößen oft auch das kleine "u" als Formelzeichen verwendet.
Maßeinheit
Die gesetzliche Grundeinheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt (V). Normalerweise liegen die Spannungswerte in der Elektronik zwischen einigen Millivolt und mehreren hundert Volt. In der Hochspannungstechnik wird mit Kilovolt (kV) und Megavolt (MV) gearbeitet.
| Megavolt | 1 MV | 1 000 000 V | 106 V |
| Kilovolt | 1 kV | 1 000 V | 103 V |
| Volt | 1 V | 1 V | 100 V |
| Millivolt | 1 mV | 0,001 V | 10-3 V |
| Mikrovolt | 1 µV | 0,000 001 V | 10-6 V |
Im Zusammenhang mit der Einheit V (Volt) kommen häufig die Kürzel "AC" und "DC" vor. Die Abkürzung "AC" steht für "alternating current" (Englisch) und bedeutet auf Deutsch "wechselnder Strom". Die Abkürzung "DC" steht für "direct current" (Englisch) und bedeutet auf Deutsch "Gleichstrom".
Formeln zur Berechnung
Potential und Spannungsrichtung
Das Potential phi eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punkts gegenüber dem Bezugspunkt 0 V. Der Bezugspunkt wird auch als Masse bezeichnet. Die Angabe oder Messung eines Potentials bezieht sich immer auf den Bezugspunkt.
Bei der Messung eines positiven Werts, ist das Potential positiver als der Bezugspunkt. Das Vorzeichen ist Plus. Bei der Messung eines negativen Werts, ist das Potential negativer als der Bezugspunkt. Das Vorzeichen ist Minus.
Die Spannung hat eine bestimmte Wirkrichtung. In einer Schaltung wird diese Richtung durch einen Pfeil angezeigt. Grundsätzlich zeigt der Spannungspfeil von Plus nach Minus oder von einen höheren Spannungswert (Potential) zum niedrigeren Spannungswert (Potential).
In einer Schaltung wird der Spannungspfeil einer Spannungsquelle vom Plus- zum Minuspol gerichtet. Der Spannungspfeil eines Spannungsabfalls (Teilspannung) an einem Verbraucher (z. B. Widerstand) zeigt in Richtung der technischen Stromrichtung, weil der Strom immer vom höheren Potential zum niedrigeren Potential fließt.
Messen der elektrischen Spannung
Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher, Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen.
Spannungserzeugung
| Erzeugung durch | Bauelement | Spannungsbereich |
|---|---|---|
| Druck oder Biegung | Piezo-Effekt, Kristallverforumg | im mV-Bereich |
| Reibung | Hartgummistag | bis kV |
| Bewegung | Generator, Dynamo | bis 500 V |
| Erwärmung | Thermoelement | im mV-Bereich |
| Chemische Umwandlung | Batterie, Akku | bis 24 V |
| Magnetfelder | Hall-Generator | im mV-Bereich |
| Licht | Fotoelement, Solarzelle | mV bis V |