Elektrische Spannung

Die Elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wieviel Arbeit nötig ist bzw. frei wird, um ein Objekt mit einer bestimmten Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen. Das Formelzeichen der Spannung ist U (im internationalen Sprachraum auch E (Verwechslungsgefahr mit Feldstärke) oder V), die Einheit ist das Volt (nach Alessandro Volta).

Allgemeines

Wenn das elektrische Feld ein Potenzialfeld 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 Potenziale definiert ist. Deshalb wird die elektrische Spannung häufig auch Potenzialdifferenz (U=Δφ=φ₂-φ₁) genannt.

Eine positive Spannung zeigt somit immer vom Ort höheren Potenzials zum Ort niedrigeren Potenzials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (positiven) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen.

Wichtig für die eindeutige Definition der Spannung ist, dass das elektrische Feld ein Potenzialfeld 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 ein Voltmeter, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man ein Oszilloskop.

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 beginnt zu fließen.

Auf "natürliche" Weise entsteht elektrische Spannung 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} ={\frac {\mathrm {Arbeit} }{\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 Potenzialschreibweise auch:

U=\Delta \phi =\;\phi _{2}-\phi _{1}\qquad \qquad wobei\qquad \qquad \phi ={\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{0}r}}

Siehe auch: Ohmsches Gesetz, Coulombsches Gesetz, Leistung, Stromstärke, Widerstand, Ladung, Arbeit

Bezeichnungen

Spannungen kleiner als 42 Volt nennt man Kleinspannung, 42 Volt bis 1000 Volt Niederspannung, und größer als 1000 Volt Hochspannung.

In der Energiewirtschaft werden Spannungen über 1000 Volt (= 1 Kilovolt) unterteilt in

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