Spannung – Basiswissen

In unserem letzten Artikel haben wir dir die Grundlagen des elektrischen Stroms näher gebracht. Wenn du dort aufgepasst hast, dann weißt du mit Sicherheit noch, dass eine der Bedingungen für Stromfluss eine vorhandene Spannung ist. Heute geben wir dir einige nützliche Fakten zum Thema Spannung mit und beleuchten diese genauer.

Was ist elektrische Spannung? *

Das Wichtigste gleich zu Beginn: Die elektrische Spannung U ist Ursache für den elektrischen Strom.

Damit wir Spannung erzeugen können braucht es eine Ladungstrennung!
Wir müssen also Elektronen (negative Ladungsträger) von den Ionen (positive Ladungsträger) trennen. Wenn eine solche Trennung existiert, haben wir eine Spannung, wird diese Trennung aufrecht erhalten (z.B. durch chemische Prozesse bei einer Batterie), kannst du von einer Spannungsquelle sprechen. Der Pluspol der Batterie enthält die positiven Teilchen und der Minuspol die negativen Teilchen. Dabei kannst du dir merken, je mehr Teilchen du voneinander trennst, um so größer ist die elektrische Spannung.  Noch genauer gibt die elektrische Spannung U an, wie viel Energie notwendig ist, um die Ladungen zu trennen.
Solltest du die Pole mit einem leitfähigen Material verbinden, ist der Antrieb für den elektrischen Strom geschaffen. Es kommt zu einem Ladungsausgleich.

In unserem Artikel zum Strom haben wir das Wasser als Modell verwendet, damit du dir das Wesentliche besser merken kannst. Das ist auch im Fall der Spannung möglich.

Stell dir einen Wasserkreislauf vor, in dem du zwei Behälter auf unterschiedlicher Höhe hast und diese mit einem Rohr verbindest. Das Wasser fließt vom oberen Behälter in den unteren.
Je größer Höhenunterschied (potentielle Energie) und Wassermenge im oberen Gefäß sind, desto mehr Druck (analog zur Spannung) ist auf dem Rohr.
Wenn wir in diesen Kreislauf eine Wasserpumpe einbauen, die unser Wasser wieder in das Ausgangsbecken befördert, haben wir eine Spannungsquelle simuliert.
Den Fluss des Wassers kannst du dir als fließenden Strom vorstellen.

 

Wasserkreislauf als Analogie zur Spannung

Wasserkreislauf als Analogie zur Spannungsquelle

 

Formel der elektrischen Spannung *

Natürlich besitzt auch die elektrische Spannung Formeln. Eingangs haben wir erwähnt, dass Spannung aus der Arbeit resultiert die Ladungen voneinander zu trennen.

In Worten gilt:

    \[ Spannung = \frac{Arbeit}{Ladung} \]

Als Formel:

    \[ \boxed{U = \frac{W}{Q}} \]

Die wohl bekannteste Formel bildet den Zusammenhang zwischen Spannung Strom und Widerstand.

    \[ Spannung = Widerstand * Strom \]

    \[ \boxed{U = R*I} \]

Einheit der Spannung *

Die Einheit der elektrischen Spannung sind Volt. Diese wird Abgekürzt mit V.

    \[ \boxed{[U] = 1V} \]

Wie auch beim Strom wird dir die Einheit Volt in verschiedenen Größen begegnen, weswegen du nachfolgend wieder unsere Umrechnungstabelle an die Hand bekommst.

PräfixSymbolMultiplikatorMacht der Zehn
TerraT1,000,000,000,000
GigaG1,000,000,000
MegaM1,000,000
Kilok1,000
--1
millim0,001
microu0,000,001
nanon0,000,000,001
picop0,000,000,000,001

Beispiele:

    \[ 0.5V = 500mV = 500 000 uV \]

    \[ 450V = 0.45kV = 0.00045 MV \]

 

Im Rahmen der Einheit Volt möchten wir dir gerne einige Beispiele aus der Natur zeigen, damit du weißt, mit welchen Spannungen du wo rechen kannst.

Spannungen in deinem Alltag

Spannung bei Hirnstrommessung10uV - 100uV
Menschliches Herzca. 60mV
Taschenrechner1.5V
Batterie PKW12V
Spannung Haushalt230V
Zitteraalbis 800V
Generator im Kraftwerk15kV
Überlandleitung15kV - 320kV
Spannung bei Gewitter (zwischen Boden und Wolken)bis 1MV

Gleichspannung und Wechselspannung *

Das Leben wäre wohl zu einfach, wenn wir es nur mit einer Form von Spannung zu tuen hätten. Wir werden dir beide Spannungen kurz erklären aber erst in einem weiteren Artikel genauer auf die Wechselspannung eingehen. Diese ist für unsere Arduino Projekte erst einmal ohne Bedeutung. – Glück gehabt 🙂

Gleichspannung – DC *

Der Name Gleichspannung sagt schon eine Menge über die Eigenschaften dieser Spannungsform aus. Du kannst nämlich dann von einer Gleichspannung sprechen, wenn der Spannungswert über den gesamten Zeitraum das gleiche Vorzeichen und den gleichen Betrag besitzt. Zum Teil wird auch dann von Gleichspannung gesprochen, wenn die Spannung über einen längeren Zeitraum gleich bleibt oder der Wechselanteil im Vergleich zum Gleichanteil vernachlässigbar ist. Unser Arduino und auch Batterien liefern uns Gleichspannung. Häufig findest du im Zusammenhang mit der Gleichspannung die Abkürzung DC, welche für direct current steht.

Beispiel einer konstanten Gleichspannung

Konstante Gleichspannung

5V Gleichspannung

Beispiel einer Gleichspannung mit Wechselanteil

Gleichspannung mit kleinem Wechselanteil

Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung

Wechselspannung – AC *

Die Wechselspannung wechselt im Gegensatz zur Gleichspannung ihren Betrag und das Vorzeichen sinusförmig. Im Zusammenhang mit Wechselspannung wirst du häufig auch von der Abkürzung AC lesen – alternating current.

Beispiel Wechselspannung

Wechselspannung

Wechselspannung über die Zeit

Spannungen im Schaltplan *

Wie du dir denken kannst, gibt es ein paar wichtige Dinge die du über die Spannung in einem Schaltplan wissen solltest.

Schaltsymbol Spannungsquelle *

Damit du selber Schaltpläne lesen und auch erstellen kannst die gängigsten Symbole in Schaltplänen.

Allgemeines Schaltsymbol

Schaltsymbol einer allgemeinen Spannungsquelle

Schaltsymbol Batterie

Schaltsymbol einer Batterie

Schaltsymbol Wechselspannungsquelle

Schaltsymbol einer Wechselspannungsquelle

Leerlaufspannung *

Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die eine Quelle liefern kann, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist.
Diese Spannung wird dir auf deinen Quellen in der Regel angegeben. So findest du auf deiner AA Batterie die Angabe: 1,5V – Das ist deine Quellenspannung.

Die Quellenspannung wird in Schaltplänen meist als U_0 bezeichnet.

Beispiel Leerlaufspannung

Beispiel einer Leerlaufspannung

Klemmenspannung *

Die Klemmenspannung ist die Verallgemeinerung der Leerlaufspannung. Die Klemmenspannung ist, wie der Name erahnen lässt, die Spannung, die zwischen zwei Klemmen abfällt.
Das kann auch die Leerlaufspannung sein (zumindest nahezu – aber das sehen wir uns in einem anderen Artikel genauer an)!

Beispiel Klemmenspannung

Beispiel einer Klemmenspannung

So misst du die Spannung richtig *

Wie in unserem Artikel Strom – Die Grundlagen erwähnt, empfehlen wir dir dringend für dein neues Hobby ein Digitalmultimeter im Inventar zu haben. Falls du mit diesem Begriff nichts anfangen kannst, schau am besten in unseren letzten Artikel.

Hier zuerst unsere Empfehlung für ein solides Digitalmultimeter:

Digitalmultimeter
  • 100% Sicherheit Eingebaute Doppelte Sicherung. In allen Bereichen Überlastungsschutz.
  • Automatisch Tester Misst AC/DC-Spannung, AC/DC-Strom, Widerstand, Frequenz, Durchgang, Diode, usw.
  • Hintergrundbeleuchtete Anzeige Mit drei ½-stelligen LCD-Anzeigen und Hintergrundlicht, wodurch die messergebnisse auch bei geringem licht gut zu erkennen sind.
  • Besondere Punkte Datenaufnahme, Maximale Wertaufnahme, Funktionsumschaltung, Automatisches Abschalten. Abtastgeschwindigkeit: 3 mal pro sekunde.
  • 9V-Batterie Vergessen Sie NICHT die 9V-Batterie einzulegen, bevor sie das digitale universalmessgerät nutzen, ansonsten funktioniert es nicht.

Damit du die Spannung messen kannst musst du folgende Einstellungen vornehmen.

  1. Gleichsspannungsmessung einstellen (Drehschalter)
  2. Schwarze Messleitung in den COM Anschluss
  3. Rote Messleitung in den Spannungsanschluss
Spannung messen Digitalmultimeter einstellen

Gigitalmultimeter Einstellungen zum Spannung messen

Jetzt musst du lediglich eine Spannungsquelle kontaktieren – Wir nehmen eine Batterie – (Batterien )
Jetzt solltest du eine Spannung ablesen können. Ist diese negativ, musst du die Messleitungen tauschen 😉

Batterie kontaktieren Spannung messen

Kontaktieren einer Batterie zur Spannungsmessung

Wie würde eine Messung in einem Schaltplan dargestellt?

Die Spannung wird parallel zum Bauteil gemessen der Strom in Reihe (genauer werden wir dieses Thema nochmal in einem Thema zur Messtechnik erläutern – also keine Angst, wenn du es nicht auf Anhieb verstehst):

Spannungsmessung im Schaltplan:

Spannungsmessung im Schaltplan

Strommessung im Schaltplan:

Strommessung im Schaltplan

Empfehlungen – Elektrotechnik – Werde zum Profi *

Wie wir bereits in anderen Artikeln predigen ist es sehr wichtig zu üben, um ein Meister vom Fach zu werden. Insbesondere in der Elektrotechnik solltest du viele Schaltungen aufbauen und dich damit austoben. So verstehst du die Theorien dahinter wesentlicher schneller und du wirst merken, wie du bereits in kurzer Zeit zum „Meister“ auf dem Gebiet wirst.
Unsere Empfehlungen mit denen wir angefangen haben:

Einstieg in die Elektronik
  • Inhalt: 20 Bauteile, Püfkabel, CD ROM und Experimentieranleitung
  • Zusätzlich erforderlich: 4 x 1,5-V-Batterien (Typ AA)
  • 40 spannende Experimente
  • Für Kinder ab 14 Jahren
  • Elektronik, Hobby, Experiment, Strom, Stromkreise, bauen, fließen, Forschen, Technik, Prüfen, Licht, Beleuchtung
Elektronik nach dem Einstieg
  • Inhalt: 28 Bauteile, Laborsteckboard und 116 seitiges Handbuch
  • Zusätzlich benötigt: 9 V Block Batterie
  • 50 spannende Experimente - auspacken, loslegen und verstehen
  • Für Kinder ab 14 Jahren
  • Elektronik, Hobby, Experiment, Strom, Stromkreise, bauen, fließen, Forschen, Technik, Prüfen, Licht, Beleuchtung
Einstieg in Grundschaltungen
  • Inhalt: alle Komponenten, Platine und Handbuch
  • Bauteile sind fertig aufgelötet, Verbindungen müssen nur gesteckt werden
  • Bauen kann man zum Beispiel eine Alarmanlage, einen Lichtsensor, einen Touch Dimmer, ein Gute Nacht Licht und vieles mehr
  • Elektronik, Hobby, Experiment, Strom, Stromkreise, bauen, fließen, Forschen, Technik, Prüfen, Licht, Beleuchtung
  • Burkhard Kainka (Autor)

 

Letzte Aktualisierung am 5.10.2020 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API

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