Elektrische Spannung

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

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Wenn das elektrische Feld ein Potentialfeld ist, 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 = Δφ = φ12) 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 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

<math>\mathrm{Spannung} = \frac{\mathrm{Arbeit}}{\mathrm{Ladung}} \qquad \mathrm{bzw.} \qquad U = \frac{W}{Q}</math>
<math>\mathrm{Spannung} = \mathrm{Widerstand} \cdot \mathrm{Stromst\ddot arke} \qquad \mathrm{bzw.} \qquad U = R \cdot I</math>
<math>\mathrm{Spannung} = \frac{\mathrm{Leistung}}{\mathrm{Stromst\ddot arke}} \qquad \mathrm{bzw.}\qquad U = \frac{P}{I}</math>

In der Potentialschreibweise auch:

<math>U = \Delta \phi = \; \phi_2 - \phi_1 \qquad \qquad \mathrm{wobei} \qquad \qquad \phi = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}</math>

Ab ca. 42 Volt 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 allein die Spannung (U) sondern die Stromstärke (I) ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Schon eine Stromstärke von 50 mA kann tödlich sein.

Wechselstrom

Effektivspannung ist die Spannung, die im Mittel zur Verfügung steht. Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich die Formel:

<math>\qquad U_{\rm eff} = \frac{U_0}{\sqrt{2}}</math>

Bezeichnungen

Spannungen bis 50 Volt nennt man Kleinspannung, 50 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

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)
60 V analoge Telefonleitung
90 V ISDN-Telefonleitung
100 ... 250 V Spannung zwischen Mittelpunkt und Phasenleitung im Drehstrom-Niederspannungsnetz
175 ... 435 V Spannung zwischen zwei Phasenleitungen im Drehstrom-Niederspannungsnetz
15 kV Oberleitung der Eisenbahnen in Deutschland, Österreich und der Schweiz
10, 20, 30 kV Mittelspannungsnetze
115, 230, 400 kV Überlandleitung

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

500 ... 800 V Oberleitungen von Straßenbahnen
800 ... 3000 V Oberleitungen von gleichstrombetriebenen Vollbahnen
6 ... 60 kV Mittelspannungsnetze, Industrienetze
100 ... 1000 kV Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anlagen

Weblinks

Hinweis

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