Elektrische Spannung (Volt)

Was ist die elektrische Spannung (Volt)?

Im Alltag ist die elektrische Spannung, angegeben in der Einheit Volt, eine häufig anzutreffende Größe. So ist zum Beispiel allgemein bekannt, dass der Strom aus der Steckdose eine Spannung von 230 Volt hat, und auch Begriffe wie „Hochspannung“ sind den meisten Menschen geläufig. Dabei ist die Spannung nicht bedeutender als andere elektrische Größen. Was sagt die Spannung also genau aus und warum ist sie so wichtig?

 

Wie entstehen elektrische Spannungen?

Eine elektrische Spannung entsteht immer dann, wenn zwei verschiedene elektrische Ladungen räumlich voneinander getrennt sind. Entscheidend ist dabei nicht, ob es sich um eine positive und eine negative Ladung handelt, sondern nur, dass an einem Ort mehr freie Ladungsträger vorhanden sind als am anderen. Wandern solche Ladungsträger vom Ort des Überschusses zu dem Ort, an dem ein Mangel herrscht, transportieren sie dabei ihre Energie durch den elektrischen Leiter. Diese Energie können sie an elektrische Verbraucher abgeben, die an den Stromkreis angeschlossen sind.

Die Größe einer elektrischen Spannung wird in Volt (V) gemessen, benannt nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta (1745 – 1827), dem Begründer der Elektrizitätslehre und Erfinder der ersten Batterie. Die Spannung gibt an, mit welcher Kraft eine Spannungsquelle die freien Ladungsträger in Bewegung versetzen kann beziehungsweise wie viel Energie pro Ladung transportiert wird. Es gilt also: 1 V = 1 J/C. In einer bekannten Analogie, die den Fluss der Elektronen durch einen elektrischen Leiter mit dem von Wasser durch ein Rohr vergleicht, entspricht die Spannung also in etwa dem Druck des Wassers beziehungsweise der von einer Wassermenge transportierten Energie.

Elektrische Spannungen sind die Voraussetzung für das Auftreten elektrischer Ströme, es ist also an jedem elektrischen Phänomen eine Spannungsquelle beteiligt. Natürliche Spannungsquellen sind zum Beispiel Gewitterzellen. Bernstein, von dessen griechischer Bezeichnung élektron sich unser Wort „Elektrizität“ ableitet, kann hingegen eine Spannung aufbauen, wenn er zunächst durch Reibung elektrisch aufgeladen wird. Auch die Funktion des Gehirns beruht auf elektrischen Spannungen, die entstehen, wenn elektrisch geladene Ionen durch Zellmembranen wandern.

 

Wie werden elektrische Spannungen genutzt?

In der Energietechnik werden elektrische Spannungen auf vielfältige Weise erzeugt. In Batterien und Akkus kommen elektrochemische Prozesse zum Einsatz. In Wärmekraftwerken und Windenergieanlagen induziert ein von Turbine oder Rotor bewegtes Magnetfeld eine Spannung in elektrischen Spulen. Und in Solarzellen treibt das einfallende Licht der Sonne freie Elektronen in einer Halbleiterschicht zur Bewegung an.

Dass bei Stromquellen und Verbrauchern im Alltag oft ein Spannungswert angegeben wird, liegt daran, dass dieser Auskunft über eine wichtige Eigenschaft des jeweiligen Bauteils gibt. Die Spannung einer Stromquelle gibt an, mit wie viel Kraft diese die Elektronen in der Stromleitung antreibt, während die des Verbrauchers aussagt, wie stark der Antrieb der Elektronen sein muss, um ihm die benötigte Energie bereitzustellen. Je nach Höhe der Spannung wird hierbei zwischen Klein-, Nieder- und Hochspannung unterschieden. Eine Batterie liefert mit 1,5 Volt zum Beispiel eine Kleinspannung, aus der Steckdose kommt mit 230 Volt eine Niederspannung und über Land führende Stromleitungen transportieren Hoch- und Höchstspannungen von mehr als 100 Kilovolt.

„Gleichspannung“ und „Wechselspannung“ sind hingegen physikalische Begriffe: Bei Gleichspannung werden die Elektronen zur Bewegung in die immer gleiche Richtung angetrieben. Bei einer Wechselspannung wechselt die Stromrichtung hingegen entsprechend der Frequenz mehrmals pro Sekunde, sodass die Elektronen insgesamt am selben Ort bleiben. Dass sie trotzdem Energie an den Verbraucher abgeben, liegt daran, dass die Energie in der Bewegung der Elektronen steckt, ungeachtet der Richtung oder ob die Elektronen irgendwo „ankommen“.

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