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Was ist elektrische Spannung?

Elektrische Spannung ist eine wichtige Größe in der Elektrodynamik und wird in Volt gemessen. Ähnlich wie bei einer Wasserpumpe in einer hydraulischen Anlage zeigt die Spannung die Stärke eines elektrischen Stroms an. Erfahre mehr über ihre Bedeutung in Stromkreisen und wie sie sich auf elektrische Geräte auswirkt. Interessiert? Dann lies weiter!

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Team Digital
Was ist elektrische Spannung?
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Grundlagen zum Thema Was ist elektrische Spannung?

Elektrische Spannung

Den Begriff Spannung hast du sicher schon einmal im Zusammenhang mit elektrischen Geräten gehört. Zum Beispiel steht auf jedem Smartphone, mit welcher Spannung es geladen werden muss. Aber was ist elektrische Spannung eigentlich?

Elektrische Spannung – einfach erklärt

Die elektrische Spannung ist eine Grundgröße in der Elektrodynamik, die zum Beispiel in elektrischen Schaltungen eine Rolle spielt. Sie hat das Formelzeichen $U$. Die elektrische Spannung wird in der Einheit Volt ($\text{V}$) angegeben. Wir betrachten zur Veranschaulichung einen einfachen Stromkreis, in dem ein Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen ist:

Elektrische Spannung

Man kann die elektrische Spannung mit einem Voltmeter messen, das parallel zum Widerstand geschaltet ist. Es gibt zwei unterschiedliche Schaltzeichen für Spannungsmessgeräte, die beide in der Abbildung gezeigt sind. Das Amperemeter misst die Stärke des elektrischen Stroms. Erhöht man die Spannung bei gleichbleibendem Widerstand, steigt auch die Stromstärke $I$ an:

$U \nearrow ~ ~ \Longrightarrow ~ ~ I \nearrow$

Die Spannung muss also die Ursache für den elektrischen Strom sein. Aber wie können wir uns das bildlich vorstellen?

Hydraulische Analogie

Eine einfache Analogie, die die Spannung verdeutlicht, ist die hydraulische Analogie. Wir stellen uns dazu eine Wasserpumpe vor, die Wasser in ein Becken pumpt, das sich in der Höhe $h$ befindet. An das Becken ist ein Rohr angeschlossen, durch das das Wasser wieder nach unten strömen kann. Dabei hat es umso mehr Wucht, je höher das Becken gelegen ist. Am unteren Ende des Rohrs befindet sich eine Turbine. Diese wird durch das nach unten strömende Wasser angetrieben.

Elektrische Spannung, Hydraulische Analogie

In diesem Analogon ist die Pumpe die Spannungsquelle und die Höhe $h$ die Spannung. Je stärker die Pumpe ist, umso höher kann das Wasser gepumpt werden. Analog dazu kann eine stärkere Spannungsquelle eine höhere Spannung liefern. Die Rohre sind wiederum die elektrischen Leitungen und die Turbine der Verbraucher oder Widerstand. Strömt das Wasser aus größerer Höhe nach unten, kann es die Turbine mit mehr Wucht betreiben – genau wie eine stärkere Spannungsquelle einen elektrischen Verbraucher mit größerer Leistung betreiben kann. Dieses Analogon ist natürlich nicht eins zu eins übertragbar, veranschaulicht das zugrunde liegende Prinzip aber sehr gut.

Elektrische Spannung – Zusammenfassung

In diesem Video erhältst du einen ersten Einblick darüber, was die elektrische Spannung in der Physik ist. Wenn du mehr über dieses Thema lernen möchtest, solltest du dir die Videos zum elektrischen Potenzial und zu elektrischen Spannungsquellen anschauen.

Transkript Was ist elektrische Spannung?

AUGE in AUGE stehen sie sich gegenüber, die Spannung ist fast GREIFBAR, ELEKTRISIEREND! Äh, was? Greifbar UND elektrisierend? Gut, dass wir uns nicht um "sprachliche Spannungsbögen" kümmern müssen. Lieber sehen wir uns an, was "die ELEKTRISCHE Spannung" ist und wie wir diese begreifen können. Dazu solltest du bereits wissen, was elektrischer STROM ist: "Der gerichtete Fluss von elektrischen Ladungen" , zum Beispiel von "Elektronen" in einem Kupferdraht. "Gerichtet" bedeutet: alle Ladungsträger fließen in EINE Richtung. Genau wie bei einem FLUSS, wo alle Wasserteilchen immer vom "Berg" ins "Tal", also von der "Quelle" ins "Meer" fließen. Bei den ELEKTRONEN heißt das: gemäß der "physikalischen Stromrichtung" vom MINUS-Pol zum PLUS-Pol. Aber dafür muss es ja irgendeine treibende KRAFT geben! Beim Wasserlauf ist es die SCHWERKRAFT, die das Wasser ins Tal zieht. Beim elektrischen Strom ist eine andere Kraft entscheidend: die "elektrostatische Abstoßung und Anziehung". Sie bewirkt, dass GLEICHNAMIGE Ladungen sich voneinander abstoßen , und UNGLEICHNAMIGE Ladungen sich anziehen. Deshalb werden die negativ geladenen ELEKTRONEN vom Minus-Pol WEG und zum Plus-Pol HIN gezogen. Klingt erstmal logisch – aber wo kommen die beiden Pole eigentlich her? Die sitzen oft direkt nebeneinander – zum Beispiel in einer Batterie. Die Elektronen fließen also von EINER Seite ausgehend im Kreis , um auf der ANDEREN Seite der Batterie wieder anzukommen. Daher die Bezeichnung "Stromkreis" für eine Anordnung wie diese hier. Die Batterie ist eine "Spannungsquelle" oder auch "elektrische Quelle". In ihr findet eine "Ladungstrennung" statt. Das heißt, NEGATIV geladene "Elektronen" werden von einzelnen Atomen getrennt, wodurch diese als POSITIV geladene "Atomrümpfe" zurückbleiben. Das geschieht in der Batterie durch einen chemischen Prozess, den wir uns ein andermal noch genauer ansehen. Ladungen können aber auch durch REIBUNG getrennt werden. Vielleicht hast du so sogar selbst schon mal einen kleinen Stromschlag bekommen? In großem Stil wird das mit einem "Van-de-Graaff-Generator" gemacht, wobei ein Gummiband an einem Metall reibt und dadurch eine Stahlkugel aufgeladen wird. Eine elektrische Quelle ist idealerweise so aufgebaut, dass die Ladungen in ihr auch getrennt BLEIBEN. Dann haben die Elektronen keine andere Möglichkeit, als durch den Draht zu fließen, um die positive Ladung auf der anderen Seite wieder auszugleichen. So wie bei der Quelle eines Flusses der HÖHENUNTERSCHIED gegenüber dem Meer entscheidend ist, so ist es bei der elektrischen Quelle die LADUNGSDIFFERENZ zwischen den beiden Polen. Die Energie, die in der Ladungstrennung steckt, beschreibt die "Potentialdifferenz" – DAS ist die elektrische Spannung. Sie ist die Ursache für den elektrischen Strom. Ohne Spannung ist KEIN Stromfluss möglich , allerdings kann eine Spannung bestehen, OHNE dass Strom fließt. Das ist zum Beispiel bei einer "Batterie" der Fall: Auch wenn sie noch gar nicht angeschlossen ist, besteht bereits eine "Potentialdifferenz" und damit die beiden Pole. Verschiedene Batterientypen haben eine unterschiedlich große Potentialdifferenz, die in VOLT angegeben wird. Das ist die EINHEIT der Spannung, benannt nach "Alessandro Volta", einem der Begründer der Elektrizitätslehre. Man spricht davon, dass eine "Spannung U anliegt", wenn eine elektrische Quelle an einen Stromkreis ANGESCHLOSSEN ist. Je größer die Spannung "U", desto größer auch die Stromstärke "I" im Stromkreis. Über den Stromfluss kann die elektrische ENERGIE, die die Spannungsquelle bereitstellt, zu einem Energie-WANDLER, zum Beispiel einer Lampe, transportiert werden. Es zeigt sich, dass DIESELBE Lampe mit unterschiedlichen Batterien auch UNTERSCHIEDLICH hell leuchtet , und bei zu großer Spannung sogar durchbrennen kann. Die Lampe im Stromkreis kann man sich als Energiewandler wie ein Wasserrad in einem FLUSS vorstellen, das durch den Wasserstrom angetrieben wird. In diesem Vergleich entspricht die elektrische Quelle einer PUMPE, die immer dafür sorgt, dass das Wasser von unten wieder nach oben gepumpt wird. So wird der HÖHENUNTERSCHIED und damit der Wasserstrom aufrechterhalten. Wird VIEL Wasser auf eine GROSSE Höhe gepumpt, wird der Wasserstrom umso stärker sein. Im Stromkreis ist es die POTENTIALDIFFERENZ, die durch die elektrische Quelle aufrechterhalten wird. Die Ladungen werden dabei genauso wenig verbraucht, wie das Wasser im FLUSS, allerdings lässt die Fähigkeit einer Batterie mit der Zeit nach, eine Spannung AUFRECHTZUERHALTEN. Genauso wie einer PUMPE fortlaufend Energie zugeführt werden muss, muss deshalb auch beispielsweise ein Handy-Akku immer wieder aufgeladen werden. Die "zweihundertdreißig Volt", die vom normalen Haushaltsnetz zur Verfügung gestellt werden, sind allerdings ein bisschen viel für ein Handy. Deshalb hat jedes Ladekabel noch ein "Netzteil", das die Spannung herunterregelt. Sowas würde man sich auch für einen BLITZ wünschen, bei dem sich eine Spannung in der Luft entlädt, die fast EINHUNDERT-MILLIONEN Volt erreicht! DAS wird eindeutig zu viel – schnell zur Zusammenfassung! Die elektrische Spannung ist die Ursache für den elektrischen Strom. In einer "elektrischen Quelle" werden Ladungen getrennt. Die getrennten Ladungen fließen im Stromkreis, um die POTENTIALDIFFERENZ zwischen Minus- und Pluspol wieder auszugleichen. Je größer die "Spannung U" der Quelle, desto größer die "Stromstärke I" im Stromkreis. So wird "elektrische Energie" übertragen, die in einem "Energiewandler" umgewandelt werden kann. Manchmal entlädt sich eine Spannung aber auch auf EINEN Schlag! Naja, oder auch nicht.

Was ist elektrische Spannung? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Was ist elektrische Spannung? kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die treibende Kraft für die Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Leiter.

    Tipps

    Ladungstrennung führt zu einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Bereich im elektrischen Leiter.

    Reibt man einen Ballon an den Haaren, so richten sich die Haare auf.

    Positive und negative Ladungen streben danach, die Ladungstrennung schnell wieder auszugleichen.

    Lösung

    Im elektrischen Strom spielt eine antreibende Kraft eine entscheidende Rolle: die elektrostatische Anziehung und Abstoßung. Diese bewirkt, dass Ladungen gleicher Polarität sich abstoßen, während Ladungen unterschiedlicher Polarität sich anziehen. Daher werden die negativ geladenen Elektronen vom Minuspol weg und zum Pluspol hin bewegt.


    • Gravitationskraft
    $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
    Die Gravitationskraft kann nicht die richtige Lösung sein, weil sie im Kontext elektrischer Ströme vernachlässigbar schwach ist.

    • elektrostatische Anziehung und Abstoßung
    $\implies$ Diese Antwort ist richtig.
    Denn diese Kräfte bewirken, dass geladene Teilchen wie Elektronen sich aufgrund von Ladungsunterschieden anziehen (ungleiche Ladungen) oder abstoßen (gleiche Ladungen), was den Fluss von Elektronen ermöglicht.

    • Magnetfelder
    $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
    Das ist nicht die richtige Lösung, da Magnetfelder zwar die Richtung der Elektronenbewegung beeinflussen können, aber nicht die Haupttriebkraft für den Fluss von Elektronen.

    • Temperaturunterschiede
    $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
    Temperaturänderungen sind nämlich keine treibende Kraft für die Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Stromkreis.

  • Beschreibe den Vorgang in einem Stromkreis.

    Tipps

    Identifiziere den Beginn des Vorgangs.

    Wozu führt die Ladungstrennung in einer Batterie?

    Die Elektronen haben keine andere Möglichkeit, als durch den Draht zu fließen, um die positive Ladung auf der anderen Seite wieder auszugleichen.

    Lösung

    Ein Stromkreis ist ein geschlossener Pfad, in dem elektrischer Strom fließt.
    Eine elektrische Quelle, zum Beispiel eine Batterie, treibt den Strom an.
    Elektronen bewegen sich durch den Leiter von der positiven zur negativen Seite der Energiequelle und erzeugen so den Strom, der elektrische Geräte betreibt.
    Die Elektronen kehren zurück zur Energiequelle, um den Kreislauf zu schließen.

    Demnach ist das die richtige Reihenfolge:

    1.$~$Ein Stromkreis beginnt mit einer elektrischen Quelle.

    2.$~$Die elektrische Quelle setzt die Elektronen in einem Leiter in Bewegung.

    3.$~$Die bewegten Elektronen bilden den elektrischen Strom, der entlang des Leiters fließt und dazu führt, dass an dem im Stromkreis befindlichen Gerät die Spannung abgelesen werden kann.

    4.$~$Der Stromkreis bleibt so lange aktiv, wie die Spannungsquelle angeschlossen ist und einen geschlossenen Pfad für den Stromfluss bildet.

  • Formuliere eine Definition der elektrischen Spannung.

    Tipps

    Denke an das Wasser, welches das Tal herunterfließt.

    Die Einheit ist nach dem Begründer der Elektrizitätslehre benannt.

    Je größer die Spannung, desto größer ist auch die Stromstärke im Stromkreis.

    Lösung

    Die elektrische Spannung oder auch elektrisches Potential ist eine physikalische Größe, die die Differenz von zwei Polen in einem elektrischen Stromkreis beschreibt. Die elektrische Spannung wird in der Einheit Volt gemessen und ist die Fähigkeit, elektrische Ladungen zu bewegen. Eine höhere Spannung bedeutet eine größere Kraft, die auf elektrische Ladungen wirkt, was wiederum den elektrischen Stromfluss zwischen den Polen erhöht.

  • Zeige die Parallelen zwischen dem Stromkreis und dem Wasserkreislauf auf.

    Tipps

    Die Quelle in beiden Systemen ist für die Energieversorgung verantwortlich und sorgt dafür, dass der Strom angetrieben wird.

    Denke in den beiden Kreisläufen über die Fortbewegung nach.

    Im Wasserkreislauf wird die Energie der Wasserströmung in mechanische Arbeit umgewandelt – ähnlich wie die Last im elektrischen Stromkreis, die elektrische Energie in andere Formen umwandeln kann.

    Was machst du, wenn deine Batterie, also deine Spannungsquelle, leer ist? Ähnlich ist der Vorgang bei dem Wasserkreislauf.

    Lösung

    Die Lampe im Stromkreis kann man sich als Energiewandler wie ein Wasserrad in einem Wasserrohr vorstellen, das durch den Wasserstrom angetrieben wird. In diesem Vergleich entspricht die elektrische Quelle einer Pumpe, die immer dafür sorgt, dass das Wasser von unten wieder nach oben gepumpt wird. So wird der Höhenunterschied und damit der Wasserstrom aufrechterhalten. Wird viel Wasser auf eine große Höhe gepumpt, wird der Wasserstrom umso stärker sein. Im Stromkreis ist es die Potentialdifferenz, die durch die elektrische Quelle aufrechterhalten wird. Die Ladungen werden dabei genauso wenig verbraucht wie das Wasser im Rohr. Allerdings lässt die Fähigkeit einer Batterie, eine Spannung aufrechtzuerhalten, mit der Zeit nach.


    • Potentialdifferenz – Höhenunterschied
    In einem elektrischen Stromkreis erzeugt eine Spannungsquelle (wie eine Batterie oder ein Generator) eine Potentialdifferenz, die elektrische Ladungen antreibt – ähnlich wie ein Höhenunterschied ein Objekt aufgrund der Schwerkraft nach unten zieht.


    • Leitung – Wasserrohr
    Ein Wasserrohr dient als physischer Kanal für die Wasserströmung – ähnlich wie ein Draht oder eine Leitung als physischer Pfad für den elektrischen Strom.


    • elektrischer Strom – Wasserströmung
    Ähnlich wie Wasser in einem Wasserrohr von einem Punkt zum anderen fließt, bewegen sich elektrische Ladungsträger in einem elektrischen Leiter von einem Ort mit höherem elektrischen Potential zu einem Ort mit niedrigerem Potential.


    • Energiewandler – Wasserrad
    Ein Energiewandler ist eine Vorrichtung, zum Beispiel eine Lampe, die eine Form von Energie in eine andere umwandelt. Ähnlich dazu wandelt ein Wasserrad die kinetische Energie des fließenden Wassers in mechanische Arbeit.


    • elektrische Quelle – Pumpe
    Eine elektrische Quelle, zum Beispiel eine Batterie, liefert elektrische Energie, um einen elektrischen Stromkreis zu versorgen – eine Pumpe pumpt das Wasser von unten wieder nach oben.
  • Bestimme die elektrische Spannung der verschiedenen Batterien.

    Tipps

    Welche Batterietypen kennst du bereits aus dem Alltag?

    Bestimmte Geräte benötigen Batterien mit der richtigen elektrischen Spannung.

    Um viele Komponenten zu betreiben, braucht es eine besonders hohe Spannung. Zum Beispiel benötigt ein Auto eine $12$-$\text{V}$-Batterie.

    Lösung

    Verschiedene Batterietypen haben eine unterschiedlich große elektrische Spannung, die in der Einheit $\text{Volt}$ angegeben wird.
    Die Größe der elektrischen Spannung hängt von der chemischen Zusammensetzung ab.
    Jeder Batterietyp hat einen bestimmten Anwendungsbereich.
    Es ist wichtig, die elektrische Spannung der Batterien richtig einzuordnen, da bestimmte Geräte bestimmte Batterietypen brauchen.

  • Erkläre, warum Vögel problemlos auf Hochspannungsleitungen sitzen können.

    Tipps

    Es gibt keine starken Spannungsunterschiede entlang der Leitung.

    Der Vogel hat keine Verbindung, wo der Strom abfließen kann.

    Vögel sitzen sicher auf Spannungsleitungen, weil sie keinen geschlossenen Stromkreis bilden.

    Lösung

    Hochspannungsleitungen haben normalerweise sehr hohe Spannungen, oft Tausende von Volt. Trotz der hohen Spannung fließt kein Strom durch den Vogel, der auf einer solchen Leitung sitzt. Das liegt daran, dass der Vogel keine elektrische Verbindung zwischen den Leitungen herstellt.
    Die Spannung auf der Oberleitung erzeugt ein elektrisches Feld um die Leitung herum. Aber solange der Vogel nur auf der Leitung sitzt und keinen Kontakt zu einem anderen leitenden Material herstellt (zum Beispiel zu Erde oder einem anderen Draht), wird kein Stromfluss durch den Vogel verursacht.

    Lösungstext:

    Vögel können problemlos auf einer Spannungsleitung sitzen, weil die elektrische Spannung entlang der Leitung gleichmäßig verteilt ist. Das bedeutet, dass es keinen Unterschied in der Spannung gibt, den der Vogel überwinden müsste, indem er die Leitung berührt.
    Solange der Vogel keine andere Verbindung zu einem anderen leitfähigen Material herstellt, wird kein Stromfluss durch ihn verursacht.
    Dies ermöglicht es Vögeln, sicher auf Spannungsleitungen zu sitzen, ohne von der elektrischen Spannung auf der Leitung beeinflusst zu werden.