Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, oder frei wird, wenn man ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes bewegt. Das Formelzeichen der Spannung ist U (vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken), auch weit verbreitet: Unterschied) bzw. im internationalen Sprachraum überwiegend E (Verwechslungsgefahr mit Feldstärke) oder V. Die Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.

Allgemeines

Wenn das elektrische Feld ein Potentialfeld ist (vgl. konservatives System), so ist die Arbeit, die auf dem Weg zwischen zwei Orten an einer Ladung verrichtet wird, wegunabhängig. Hieraus folgt, dass die elektrische Spannung zwischen diesen Orten eindeutig als die Differenz der jeweiligen Potentiale definiert ist. Deshalb wird die elektrische Spannung häufig auch Potentialdifferenz oder Galvanispannung U = Δ $\phi$ = $\phi _{1}-\phi _{2}$ genannt. Somit könnte das Formelzeichen U für Unterschied stehen. U soll jedoch von urgere (treiben) kommen. Eine positive Spannung zeigt somit immer vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (positiven) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen. Zu beachten ist aber, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt; die in vielen Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest.

Wichtig für die eindeutige Definition der Spannung ist, dass das elektrische Feld ein Potentialfeld darstellt, also wirbelfrei ist. Das bedeutet, dass die Arbeit, die an einer Ladung auf einem geschlossenen Weg verrichtet wird, gleich null ist.

Um die Spannung zu messen, verwendet man einen Spannungsmesser, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man zum Beispiel ein Oszilloskop oder einen Schreiber.

Der Begriff der elektrischen Spannung ist direkt mit dem des elektrischen Stroms verknüpft: Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z. B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden und ein elektrischer Strom zu fließen beginnt.

Auf "natürliche" Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel bei den Vorgängen der Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meist durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.

Formeln

\mathrm {Spannung\ (gegen\ Potential\ Null)} ={\frac {\mathrm {Potentielle\ Energie} }{\mathrm {Ladung} }}\qquad

bzw.

\qquad U={\frac {W}{Q}}

\mathrm {Spannung} =\mathrm {Widerstand} \cdot \mathrm {Stromst{\ddot {a}}rke} \qquad

bzw.

\qquad U=R\cdot I

\mathrm {Spannung} ={\frac {\mathrm {Leistung} }{\mathrm {Stromst{\ddot {a}}rke} }}\qquad

bzw.

\qquad U={\frac {P}{I}}

In der Potentialschreibweise auch:

U=\Delta \phi =\;\phi _{2}-\phi _{1}\qquad \qquad

im radialen Feld einer Punktladung gilt:

\qquad \phi ={\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{0}r}}

Siehe auch

Ohmsches Gesetz, Coulombsches Gesetz, Leistung, Stromstärke, Widerstand, Ladung, Arbeit

Von ca. 42 Volt an ist Spannung für den Menschen gefährlich, weil der Übergang von der Haut zum Körperinneren überwunden wird und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers erheblich zunimmt.

Doch nicht die Spannung (U), sondern die Stromstärke (I) ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Da sich jedoch mit der Spannung auch der fließende Strom erhöht gilt: Je höher die Spannung umso gefährlicher! Schon eine Stromstärke von 50 mA kann tödlich sein.

Wechselstrom

Effektivspannung ist die Spannung, die in einem ohmschen Widerstand die gleiche Leistung hervorruft wie eine Gleichspannung desselben Werts. Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich bei sinusförmiger Wechselspannung mit der Scheitelspannung ${\hat {U}}$ :

\qquad U_{\rm {eff}}={\frac {\hat {U}}{\sqrt {2}}}

Bei Dreieckspannung:

\qquad U_{\rm {eff}}={\frac {\hat {U}}{\sqrt {3}}}

Bei Rechteckspannung fällt die Wurzel ganz weg:

\qquad U_{\rm {eff}}={\hat {U}}

Bezeichnungen

Spannungen bis 50 Volt nennt man Kleinspannung, 50 Volt bis 1.000 Volt Niederspannung, und größer als 1.000 Volt Hochspannung.

In der Energiewirtschaft werden Spannungen über 1.000 Volt (= 1 Kilovolt) unterteilt in

Mittelspannung: 1 kV ... 50 kV
Hochspannung: 50 kV ... 200 kV
Höchstspannung: > 200 kV

Übliche Spannungen

Zahlreiche Spannungsgrößen sind weit verbreitet und genormt, dazu gehören:

1,2 ... 2	V	Monozelle (NiCd, NiMH, Alkali, AgZn)
8,4 ... 9,6	V	Blockbatterie (6F22)
6, 12, 24, 42	V	Bordnetz Auto (PKW alt, PKW aktuell, LKW, PKW in Planung)
24, 42	V	Schutzkleinspannung bzw. Sicherheits-Kleinspannung, Spannungsgrenzwert für ungefährliche Berührung (24 V bei Spielzeug, 42 V allgemein)
60	V	analoge Telefonleitung
90	V	ISDN-Telefonleitung
100 ... 250	V	Spannung zwischen Neutralleiter und Phasenleitung im Wechselstrom-Niederspannungsnetz (in Deutschland 230 V)
175 ... 435	V	Spannung zwischen zwei Phasenleitungen im Drehstrom-Niederspannungsnetz (in Deutschland 400 V)
15	kV	Oberleitung der Bahnen in Deutschland, Österreich und der Schweiz
10, 20, 30	kV	Mittelspannungsnetze
110, 220, 380	kV	Hoch- und Höchstspannungsnetze, Überlandleitung

Andere Spannungsgrößen werden nur in ihrem eigenen Netz verwendet und sind nicht normativ festgelegt, beispielsweise:

500 ... 800	V	Oberleitungen von Straßenbahnen
800 ... 3.000	V	Oberleitungen von gleichstrombetriebenen Vollbahnen
6 ... 60	kV	Mittelspannungsnetze, Industrienetze
100 ... 1.000	kV	Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen

Siehe auch

Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen

Weblinks