Ohne Spannung kein Strom. Einfach erklärt, sorgt an einem Elektrogerät erst die Spannung für den Stromfluss, der symbolisch als Weg von A nach B dargestellt wird.
Strom selbst, ist etwas sehr alltägliches. Wir sind ständig davon umgeben und dennoch nimmt die Bedeutung von Strom und seine klimaverträgliche Erzeugung in Zukunft noch mehr zu. Auch wenn wir diese Fragen hier (noch) nicht behandeln, widmen wir uns der essentiellen Grundlage für Strom: der elektrischen Spannung.
Wie entstehen elektrische Spannungen? Wie steht Spannung in Verbindung mit Strom? Welche prägende Kennzeichnung, bzw. welches Piktogramm wird für die Gefahrenquelle Strom und elektrische Spannung verwendet? Wir liefern hier sowohl einfache als auch umfangreiche Erklärungen zum Thema elektrische Spannung und lassen deshalb auch die Messbarkeit und Berechnung nicht aus.
Inhaltsverzeichnis:
- Wie entsteht Spannung?
- Wie wird elektrische Spannung berechnet?
- Wie wird Spannung gemessen?
- Was bedeutet ein Spannungsabfall
- Unterschied Gleichspannung und Wechselspannung
- Unterschied Nennspannung und Bemessungsspannung
- Unterschied Strom und Spannung
- Gefahren durch elektrische Spannung
- Fazit
Wie entsteht Spannung?
Wie oben erwähnt, ist die elektrische Spannung die treibende Kraft für die Ladungsbewegung zweier Punkte. Elektrische Spannung entsteht durch getrennt vorliegende, negative und positive Ladungen. Werden diese Plus- und Minus-Pole durch leitfähiges Material verbunden, fließt Strom. Genau betrachtet, besitzt der Pol auf der Plusseite einen Mangel und der Pol auf der Minusseite einen Überschuss an Elektronen, die sich durch die Verbindung entladen.
Wie erzeugt man Spannung?
Um elektrische Spannung zu erzeugen, werden folgende Komponenten benötigt:
- Eine Spannungsquelle, etwa eine Batterie, die Elektronen in eine gerichtete Bewegung bringt
- Einen mit der Spannungsquelle verbindbaren elektrischen Leiter, meist als Metall, der Elektronen darin frei bewegen lässt
Wie entsteht elektrische Spannung?
Werden die beiden zuvor genannten Komponenten durch die Schaltung eines verbrauchenden Elements verbunden, kommt es zur Entladung der Spannung. Es fließt Strom, der Computer, die Taschenlampe oder die Bohrmaschine gehen an.
Spannung ist eine wichtige Größe der Elektrizitätslehre, die Definition selbst entstammt der Physik. Dazu nachfolgend noch ein paar Grundlagen.
Was gibt die elektrische Spannung an?
Spannung wird als physikalische Größe mit dem Formelzeichen U angegeben, das durch den deutschen Physiker Georg Simon Ohm definiert wurde. Die elektrische Spannung gibt an, wie stark der Antrieb des elektrischen Stromes ist, um den Unterschied der ungleichen Pole auszugleichen.
Als international verwendete Maßeinheit der elektronischen Spannung gilt Volt (V). Auch dieses Formelzeichen hat mit dem italienischen Physiker und Urvater der Elektrizitätslehre Alessandro Volta einen personellen Ursprung.
Formel für elektrische Spannung
Die Formel für elektrische Spannung lautet: U = I x R
Elektrische Spannung U entspricht dem elektrischen Widerstand R mal dem Strom I. Der Zusammenhang wird auch als Ohmsches Gesetz bezeichnet, zu ehren von Georg Simon Ohm, der die Beziehungen erstmals nachweisen konnte.
Definitionen: Gleichspannung und Wechselspannung
Weitere Grundlagen in der Elektrotechnik sind die Begriffe Gleichspannung und Wechselspannung sowie ihre Unterscheidung.
Bei Gleichspannung fließen die Elektronen ausschließlich vom Pluspol zum Minuspol, sodass der Strom immer in die gleiche Richtung geleitet wird. Die Polarität wird nicht verändert. Gleichspannung wird für die meisten elektronischen Geräte und Anlagen verwendet.
Als internationales Symbol wird das Kürzel DC (Direct Current) für Gleichstrom, aber auch für Gleichspannung verwendet. Ebenso gilt das nebenstehende Schaltzeichen als Merkmal für Gleichstrom.
Wechselspannung kommt beispielsweise bei Steckdosen zum Einsatz. Hier ändern sich die Plus- und Minuspole immer wieder, was dazu führt dass die Elektronen vom Pluspol zum Minuspol fließen und in der nächsten Frequenz ihre Richtung wechseln. Der Strom ändert also kontinuierlich die Richtung. Wie schnell die Polung in einer Sekunde wechselt, wird mit der Frequenz ausgedrückt. Diese wird in Hertz (Hz) angegeben und beträgt innerhalb von Europa 50 Hz. Das bedeutet, dass der Strom innerhalb von einer Sekunde 50 mal die Richtung wechselt.
Für Wechselspannung und -strom wird AC (Alternating Current) als einheitliches Symbol verwendet. International gültig ist dafür auch das nebenstehende Zeichen.
Elektrische Spannung berechnen
Elektrische Spannung kann, wie im vorhergehenden Abschnitt angegeben mit einer einfachen Formel berechnet werden: U = R x I
Hat man hingegen die Werte Leistung P und Strom I zur Verfügung, wird die Spannung durch folgende Formel berechnet: U = P : I
Gesamtspannung bei Reihenschaltung berechnen
Befinden sich in einem Stromkreis mit der selben elektrischen Quelle mehrere Elemente, werden die unterschiedlichen Verbraucher der Reihe nach geschalten. Man spricht von der Reihenschaltung. Die Berechnung dafür funktioniert nach dem selben Prinzip, in dem die einzelnen Teilspannungen U1, U2, bis Un addiert werden: U = U1 + U2 + U3 + ... +Un
Wie wird Spannung gemessen?
Elektrische Spannung kann mithilfe von Messgeräten ermittelt werden. Zur richtigen Messung wird der sogenannte Spannungsmesser, auch Multimeter oder Voltmeter genannt, parallel zum Gerät angeschlossen, um den momentanen Spannungswert festzustellen. Vor der Messung mit einem neuen Gerät ist es allerdings wichtig zu prüfen, für wieviel Spannung das Gerät geeignet ist.
Zur Spannungsmessung wird der Multimeter über dem Widerstand angeschlossen und der Pluspol mit dem Pluseingang des Messgeräts verbunden. Ebenso wird der Minusausgang mit dem entsprechenden Ausgang am Gerät angeschlossen. Durch diese Parallelschaltung, ist die Messung der Spannung an allen Stellen gleich.
In welcher Einheit wird Spannung gemessen?
Spannungsmessung erfolgt in der Einheit Volt (V). Die Messung der Spannung ist die übliche Anwendung eines Multimeters.
Messen verschiedener Spannungen
Die sehr unterschiedlich konzipierten Messgeräte lassen meist auswählen, ob Gleichspannung oder Wechselspannung gemessen werden soll. Das heißt, das Ergebnis der gemessenen Spannung lautet je nach Art:
- Gleichspannung: VDC - Volts of Direct Current
- Wechselspannung: VAC - Volts of Alternating Current
Ein Messgerät, in diesem Fall ein Multimeter, schafft neben der Messgröße V, standardmäßig auch die Ermittlung folgender Größen:
- Stromstärke (I) in Ampere (A)
- Widerstand (R) in Ohm (Ω)
Was bedeutet Spannungsabfall?
Als Spannungsabfall oder Spannungsfall bezeichnet man den "Verlust" der Spannung nach bestimmten Leitungslängen. Um den Verbraucher mit der notwendigen Leistung zu versorgen, muss der Spannungsabfall in Grenzen gehalten werden. Dazu werden bereits bei der Installation bzw. Leitungsverlegung entsprechende Maßnahmen getroffen. Zum Beispiel durch angepasste Dimensionierung der Kabelleitungen.
Um den Spannungsabfall einfach zu messen, kann wie folgt vorgegangen werden:
- Messung der Spannung, parallel zur Spannungsquelle
- Messung der Spannung parallel zum Verbraucher
- Berechnung der Differenz der beiden Messwerte, sie ergibt den Spannungsabfall
Praktische Anwendungsfälle
Multimeter eignen sich in der Praxis für viele Bereiche. Vorrangig wird natürlich überprüft, ob zwei Messpunkte miteinander verbunden sind und Strom ordnungsgemäß durchfließt.
Bei sogenannten Durchgangsprüfungen wird deshalb festgestellt, ob einzelne Teile elektrisch verbunden sind. Dazu gibt das Messgerät meist ein akustisches Signal zur effizienten Auswertung des Messergebnisses aus.
Hier einige Beispiele von Durchgangsprüfungen, die mit Messgeräten standardisiert durchgeführt werden:
- Prüfung einer Verdrahtung innerhalb einer Installation
- Zuordnung der Verdrahtung
- Prüfen von Bauteilen, Schaltern, Sicherungen und Leitern
- Finden von Kabelbrüchen
- Rekonstruktion von Schaltplänen
- Durchgangsfähigkeit von Lötstellen
Unterschied Gleichspannung und Wechselspannung
Während bei Gleichspannung der Strom in unveränderter Stärke in die gleiche Richtung fließt, ändert sich bei Wechselspannung sowohl Größe als auch Richtung.
Wechselspannung berechnen:
In der Elektrotechnik wird Wechselspannung meist im homogenen wellenförmigen Verlauf verwendet. Geräte bzw. Netzteile die mit Wechselspannung bzw. Wechselstrom versorgt werden, tragen deshalb neben dem AC-Zeichen auch das Symbol der Wellenlinie. Der meist sinusförmige Verlauf der Wechselspannung wird auch als Sinusspannung bezeichnet. Um sie Darzustellen gilt folgende Formel:
Umax: Maximalwert der Spannung
U: Effektivwert der Spannung
Gleichspannung berechnen:
Geräte im alltäglichen Gebrauch z. B. PCs oder Smartphones benötigen meist Gleichstrom. Auch Batterien und Akkus werden beim Ladevorgang mit Gleichstrom versorgt und liefern ihn auch aus. Diese Geräte werden mit dem Zeichen DC ausgestattet oder tragen ein Symbol mit zwei parallelen Linien, wobei die untere unterbrochen dargestellt ist.
Ein Gleichstromkreis kann anhand der ohmschen Formel einfach berechnet werden: Spannung = Strom x Widerstand. Also: U = I x R
Unterschied Nennspannung und Bemessungsspannung
Die Bemessungsspannung wird vom Hersteller oder Lieferanten spezifiziert. Es bezeichnet die Spannung sowie die grundlegenden Konstruktionsdaten eines Verbrauchers oder elektrischen Bauteils, mit der sie dauerhaft betrieben werden können. Der Begriff dient auch dazu, die grobe Definition der Nennspannung besser zu verdeutlichen, bzw. die veraltete Bezeichnung "Obere Nennspannung" zu ersetzen.
Die Nennspannung auch Nominalspannung genannt, ist von der Bemessungsspannung zu unterschieden. Sie beschreibt einen Identifikator, bzw. eine gerundete Größe mit Toleranzbereich eines Stromnetzes. In der Praxis schwankt die Bemessungsspannung eines Betriebsmittels, oder ist meist sogar höher als die Nennspannung im verwendeten Netz.
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Unterschied Strom und Spannung
Spannung und Strom, bzw. Stromstärke stehen fest im Zusammenhang. Dennoch sind es unterschiedliche Dinge. Elektrische Spannung entsteht dann, wenn positive und negative Ladungen getrennt voneinander vorliegen. Zudem weisen sie einen Überschuss auf der einen, sowie einen Mangel auf der anderen Seite auf.
Nach dem Gesetz der Natur drängt die aufgebaute Spannung nach einem Ausgleich. Dies geschieht durch die Verbindung der Ladungen in geleiteter Form. Der Überschuss von Elektronen am Minuspol wird vom Pluspol angezogen und erzeugt Strom durch einen angeschlossenen Verbraucher. Elektrischer Strom ist somit die Bewegung der elektrischen Ladung innerhalb eines Stromkreises. Je mehr elektrische Ladung fließt, desto stärker der Strom.
Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke?
Der Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke beschreibt sich am einfachsten durch ihre Abhängigkeit, die wir im vorhergehenden Abschnitt beschrieben haben. Spannung erzeugt Strom. Umso mehr Elektronen fließen, desto höher die elektrische Stromstärke. In der linken Grafik sehen sie dies anhand eines Kabels abgebildet.
Was wird in Volt gemessen?
Volt ist die Maßeinheit für elektrische Spannung.
Was wird in Ampere gemessen?
Ampere ist die Einheit für Stromstärke und gibt an, wie viel Strom durch eine Leitung gelangt.
Was ist der Unterschied zwischen Volt und Ampere?
Elektrische Spannung und Strom stehen im selben Zusammenhang wie Volt und Ampere: Elektrische Spannung wird in Volt gemessen. Die Stromstärke hingegen in Ampere. Je höher die Spannung in einer elektrischen Leitung, desto mehr Stromleistung (in Watt) steht zur Verfügung.
Der Berechnung der Ampere kann folgende Formel angewandt werden:
Ampere = Watt : Volt
Was ist Stromspannung?
Stromspannung ist eine synonym verwendete Definition für elektrische Spannung und beschreibt den Zustand der getrennten Polladungen, als Antrieb für den Stromfluss. Stromspannung ist also der Druck der Energiequelle. Die Einheit von Stromspannung wird in Volt angegeben.
Warum ist auf manchen elektrischen Geräten die Betriebsspannung angegeben?
Die Betriebsspannung gibt an, mit welcher Spannung die Geräte betrieben werden. Sie darf die Nennspannung, für die das Gerät ausgelegt ist, sogar überschreiten. Konkret wird damit die Spannung zwischen Leiter und Erde, bei ungestörtem Betrieb definiert.
Gefahren durch elektrische Spannung
Elektrische Spannung birgt aufgrund der schweren Erkennbarkeit ein besonders hohes Gefahrenpotenzial. Die entsprechende und gut sichtbar angebracht Warnung vor elektrischer Spannung ist deshalb unerlässlich. Das typische Schild mit schwarzem Blitz soll vor der unsichtbaren Gefahr warnen, um Personen nicht mit elektrischer Spannung in Berührung zu bringen.
Damit gekennzeichnete Bereiche, Kästen oder Türen dürfen nicht, oder nur durch befugte Personen geöffnet oder betreten werden.
Ab wann ist elektrische Spannung tödlich?
Gefahren durch elektrische Spannung entstehen dann, wenn sie durch Berührung Strom durch den Körper eines Menschen leiten. Sogenannte Durchströmungsunfälle sind sehr häufig vorkommende Elektrounfälle und können neben kleineren Verletzungen auch Verbrennungen verursachen. Bereits Spannungen ab 50 Volt können sich beim Menschen lebensbedrohlich auswirken, indem sie Herzrhythmusstörungen hervorrufen oder Herzstillstand verursachen.
Fazit
Das Fundament unserer Stromproduktion ist elektrische Spannung. Wir können Strom erzeugen, ihn leiten und messen und damit unsere Geräte und Steckdosen versorgen. Die Ursache und Manipulation von elektrischer Spannung hat demnach eine hohe Bedeutung in unserer Gesellschaft und ganz besonders in der Wissenschaft und Technik. Anhand dieses Ratgebers haben wir dazu wesentliche Begriffe und Zusammenhänge erklärt, um den spannenden Alltagsgegenstand zu beschreiben und besser zu verstehen. Was bleibt sind die Aussichten unserer Energiezukunft, der wir ebenso spannend entgegenblicken dürfen.
Schauen Sie sich gerne auch unseren Ratgeber Beitrag rund um „Lieferketten - Die wichtigsten Informationen zum Thema Supply Chain“ an. Hier beleuchten wir neben den globalen Lieferketten, dem Lieferkettengesetz und gestörten Lieferketten auch das Thema Rahmenaufträge.
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