Elektrische Spannung als Ursache für elektrischen Strom

Die elektrische Spannung ist eine weitere wichtige Größe der Elektrizitätslehre. Um zu verstehen, was man unter elektrischer Spannung versteht, stellen wir uns zunächst die Fragen:

  • Wie bringt man Ladungen dazu, sich in eine Richtung zu bewegen?
  • Was ist die Ursache für einen elektrischen Strom?

Wir haben bereits festgestellt, dass zwischen elektrischen Ladungen Kräfte wirken:

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, verschiedennamige Ladungen ziehen sich an.

Damit sich Elektronen in einem Leiter in Bewegung setzen und in eine bestimmte Richtung fließen, muss es eine Kraft geben, die auf die Elektronen in diese Richtung wirkt.

Elektronen sind negativ geladen und werden zu einem Ort angezogen, an dem Elektronenmangel herrscht, der also positiv geladen ist. Wir nennen ihn Pluspol.

Abgestoßen werden sie von einem Ort mit Elektronenüberschuss, der also negativ geladen ist – ein Minuspol.

Die Kraft, die zwischen Pluspol und Minuspol auf die Elektronen wirkt, ist die Ursache dafür, dass diese sich bewegen, also dass ein Strom fließt.

Durch Ladungstrennung entsteht eine Spannung

Stellen wir uns zwei Metallkugeln vor, die sich in einem gewissen Abstand voneinander befinden. Eine der Kugeln sei positiv geladen, die andere negativ:

elektrische Spannung durch Ladungstrennung

Zwischen den geladenen Kugeln besteht eine elektrische Spannung


Die Elektronen in der negativ geladenen Kugel werden von der positiv geladenen Kugel angezogen. Auf sie wirkt eine Kraft, die sie in Richtung der positiv geladenen Kugel zieht. Solange aber zwischen den Kugeln kein Leiter vorhanden ist, können die Elektronen nicht zur positiv geladenen Kugel gelangen. Zwischen den Kugeln herrscht eine Spannung – die Elektronen haben das Bestreben, das Ladungsungleichgewicht auszugleichen, sie können es aber nicht.

Analogie:

Wenn Du das Bestreben hast, unbedingt irgendwo hinzugelangen, aber jemand hält Dich fest, so erzeugt das eine Spannung in Dir. Wenn Du losgelassen wirst, rennst Du dorthin, wo Du Dich hingezogen fühlst. Dadurch läasst die Spannung in Dir nach.

Ein anderes Beispiel für eine Spannung ist eine gespannte Schraubenfeder: Wenn Du eine Schraubenfeder auseinanderziehst, entfernst Du die beiden Enden voneinander. Die Feder wird gespannt – es wirkt eine Kraft, die die beiden Enden der Feder wieder näher zusammenbringen möchte. Hältst Du dagegen, bleibt die Spannung bestehen, Lässt Du ein Ende los, entspannt sich die Feder – die Feder verkürzt sich wieder, und das losgelassene Ende bewegt sich auf das andere zu.

Ähnlich ergeht es den Elektronen:

Wenn wir eine leitende Verbindung zwischen den beiden Kugeln herstellen, z.B. indem wir sie mit einem Kabel verbinden, dann können die Elektronen zur positiv geladenen Kugel fließen, bis die Ladungen ausgeglichen sind. Elektronen fließen immer vom Elektronenüberschuss (Minuspol) zum Elektronenmangel (Pluspol).


Ladungsausgleich

Es fließen Elektronen, bis der Ladungsausgleich erfolgt ist.


Das führt innerhalb sehr kurzer Zeit zu einem Ladungsausgleich: Elektronen fließen durch das Kabel zur positiv geladenen Kugel, bis die Ladungsverteilung ausgeglichen ist – durch das Kabel fließt ein Strom.

Nach diesem Ladungsausgleich gibt es kein Ladungsungleichgewicht und damit keine Spannung mehr. Der Stromfluss kommt zu Erliegen.

Man kann also sagen:

Ohne Spannung kein Strom. Eine Spannung ist die Ursache für einen Strom.

Um einen Strom dauerhaft fließen zu lassen, muss immer wieder ein Ladungsungleichgewicht erzeugt werden, indem ständig Ladungen verschoben werden. Genau das macht eine Spannungsquelle, wie eine Batterie oder ein Netzgerät.

Elektrische Spannung

Das Ausgleichsbestreben unterschiedlicher elektrischer Ladungen wieder zusammenzukommen, nennt man elektrische Spannung.

Eine Spannungsquelle (Batterie, Netzgerät) trennt elektrische Ladungen voneinander.

Eine elektrische Spannung ist immer die Ursache für elektrischen Strom.

Analogie Wasserkreislauf

Zu verstehen, was elektrische Spannung genau bedeutet, fällt meist schwerer als bei elektrischem Strom. Beide Größen sind gleichermaßen wichtig, unterscheiden sich aber deutlich voneinander. Man darf sie nicht miteinander verwechseln. Zum besseren Verständnis werden häufig Analogien verwendet.

Was ist eine Analogie?

Als Analogie bezeichnet man die Ähnlichkeit zwischen zwei verschiedenen Strukturen. Damit soll das Verständnis für bestimmte Zusammenhänge gefördert werden, ähnlich wie mit einem Modell.

Eine Analogie beschreibt ein bekanntes, leichter verständliches Phänomen, das dem zu beschreibenden Phänomen ähnelt. Das trägt zum Verständnis bei, man muss jedoch dabei beachten, dass jede Analogie Grenzen hat, da sie sich von dem zu beschreibenden Prozess in einigen Eigenschaften unterscheidet, was u.U. zu Widersprüchen führen kann.

Oben wurden bereits zwei verschiedene Analogien zur elektrischen Spannung beschrieben. Beide beschreiben vergleichbare Prozesse, aber natürlich stimmen sie nicht in allen Punkten mit der elektrischen Spannung überein.

Eine häufig benutzte Analogie zum elektrischen Stromkreis, die zum Verständnis der elektrischen Spannung beitragen soll, ist die eines Wasserkreislaufs:

In einem Wasserkreislauf fließt Wasser, das heißt, alle Wasserteilchen bewegen sich in eine bestimmte Richtung. Je mehr Wasser in einer bestimmten Zeit durch die Leitung fließt, umso größer ist die “Wasserstromstärke“. Diese ist gut mit der elektrischen Stromstärke vergleichbar.

Damit das Wasser fließt, muss es angetrieben werden. Das kann z.B. mit Hilfe einer Pumpe geschehen. Diese erzeugt einen gewissen Wasserdruck. Dadurch wird das Wasser angetrieben. Der Druck bestimmt, wie stark das Wasser in die Leitung gedrückt wird und ist mit der elektrischen Spannung vergleichbar. Die Elektronen werden durch die elektrische Spannung angetrieben.

Drückt man z.B. einen Wasserschlauch zusammen oder dreht das Ventil zu, so existiert weiterhin ein Druck – das Wasser kann aber nicht fließen. Das ist vergleichbar mit einem Stromkreis: Ist der Stromkreis unterbrochen, besteht weiterhin eine Spannung, es kann aber kein Strom fließen.

Eine Schwäche dieser Analogie ist folgende:

Schneidet man die Wasserleitung durch, so fließt das Wasser heraus. Das kann bei Elektronen nicht passieren. Schneidet man ein Kabel durch, so fließt kein Strom mehr. Elektronen können nicht aus dem Leiter herausfließen.

Wie lautet die Definition der elektrischen Spannung?

Die Pumpe in einem Wasserkreislauf muss Arbeit verrichten, um den Druck zu erzeugen, der das Wasser antreibt. Genauso muss Arbeit verrichtet werden, um negative und positive Ladungen entgegen ihrer Anziehungskraft voneinander zu trennen.

(Zur Erinnerung: Physikalische Arbeit W ist definiert als Produkt aus Kraft F und Weg s:     W=F\cdot s)

Je mehr Arbeit man aufbringt, um Ladungen voneinander zu trennen (je mehr Ladungen man voneinander trennt oder je weiter man sie voneinander entfernt), umso größer ist das Bestreben der Ladungen, wieder zusammenzukommen, umso größer ist also die Spannung.

Die elektrische Spannung gibt an, wie viel Arbeit an den Ladungen bzw. an einer Ladungsmenge Q verrichtet wurde. Das Formelzeichen für die elektrische Spannung ist U.

Definition der elektrischen Spannung

Die elektrische Spannung U ist ein Maß für die (zum Trennen der Ladungen) aufgewandte Arbeit W pro Ladung(smenge) Q:

U=\dfrac {W}{Q}

Die Einheit der elektrischen Spannung ist Volt (V).

Spannungen von unter 1 V werden in Millivolt (mV) angegeben. Es gilt: 1 V = 1000 mV.

Sehr hohe Spannungen werden in Kilovolt (kV) oder Megavolt (MV) angegeben. Es gilt: 1 MV = 1000 kV = 1000 000 V.

Um eine Vorstellung zu bekommen, wie groß die Spannungen sind, mit denen man es im Alltag zu tun hat, hier ein paar Beispiele für Spannungen:

Batterie (z.B. AA oder AAA)
1,5 V
Akku vom Handy
3,8 V
Autobatterie 12 V
Netzspannung (Steckdose) in Europa 230 V
Netzspannung (Steckdose) in den USA 115 V
Überlandleitung 380 000 V (380 kV)
Blitz bis über 100 000 000 V (100 MV)