Elektrische Spannung

Spannung ist der „Druck“, der Ladungen durch einen Stromkreis treibt. Ohne Spannung fließt kein Strom, und jede Schaltung beginnt mit der Frage, welche Spannung wo anliegt. Physikalisch steckt dahinter etwas sehr Anschauliches: Energie, die in getrennten Ladungen gespeichert ist.

Spannung entsteht durch Ladungstrennung

Trennst du positive und negative Ladungen, musst du gegen ihre Anziehung Arbeit verrichten. Diese Arbeit steckt danach als Energie in der Anordnung – ähnlich wie in einem hochgehobenen Gewicht. Die Spannung gibt an, wie viel Energie pro Ladung dabei gespeichert ist:

Das Formelzeichen ist U, die Einheit das Volt (V), benannt nach Alessandro Volta:

Eine Spannung von 1 V bedeutet also: Jedes Coulomb Ladung, das von einem Pol zum anderen gelangt, gibt dabei 1 Joule Energie ab. Spannung liegt immer zwischen zwei Punkten an – sie ist die Differenz der Potentiale dieser Punkte. Eine Angabe wie „der Pin hat 3,3 V“ ergibt nur Sinn, wenn klar ist, worauf sie sich bezieht, meist auf Masse.

An einer Quelle bedeutet das konkret: Am Minuspol herrscht Elektronenüberschuss, am Pluspol Elektronenmangel. Verbindest du die Pole über einen Verbraucher, gleicht sich dieser Unterschied über den Strom aus – die Quelle muss ihn ständig neu herstellen.

Das Wassermodell

Stell dir zwei Wasserbehälter auf unterschiedlicher Höhe vor, verbunden durch ein Rohr. Der Höhenunterschied entspricht der Spannung, das fließende Wasser dem Strom, die Engstelle im Rohr dem Widerstand. Eine Pumpe, die das Wasser wieder nach oben befördert, ist die Spannungsquelle. Das Modell hat Grenzen, hilft aber bei einer wichtigen Einsicht: Ein Höhenunterschied allein bewegt noch kein Wasser – erst ein geschlossener Weg. Genauso liegt an einer Batterie ohne Verbraucher zwar Spannung an, aber es fließt kein Strom.

Wie Spannung erzeugt wird

Jede Spannungsquelle trennt Ladungen mit einer anderen Energieform:

Die Spannung, die eine Quelle im Leerlauf liefert, heißt Quellenspannung (früher EMK). Sobald Strom fließt, sinkt die Spannung an den Klemmen wegen des Innenwiderstands etwas ab – das beschreibt der Artikel Spannungsquelle.

Formelzeichen und Schreibweisen

In deutschen Texten heißt die Spannung U, in englischen Datenblättern V (voltage) – dort sind Formelzeichen und Einheit also gleich, etwa V_OUT = 3,3 V. Kleinbuchstaben stehen für zeitlich veränderliche Werte: u ist der Augenblickswert einer Wechselspannung, û ihr Scheitelwert. Indizes sagen, welche Spannung gemeint ist: U_R1 liegt am Widerstand R1, V_CC oder V_DD ist die Betriebsspannung eines ICs, U_q die Quellenspannung.

Die Kürzel DC (direct current, Gleich-) und AC (alternating current, Wechsel-) hängen zwar am Wort „Strom“, werden aber genauso für Spannungen benutzt: „12 V DC“ ist eine Gleichspannung, „230 V AC“ eine Wechselspannung.

Gängige Vorsätze sind µV und mV bei Sensorsignalen, V in der Elektronik und kV bis MV in der Energie- und Hochspannungstechnik.

Typische Spannungen

Zählpfeile und Vorzeichen

Im Schaltplan zeichnet man die Spannung als Pfeil zwischen zwei Punkten. Nach der üblichen Konvention zeigt der Spannungspfeil vom höheren zum niedrigeren Potential, also von Plus nach Minus. Ergibt eine Rechnung einen negativen Wert, zeigt die tatsächliche Spannung entgegen dem gezeichneten Pfeil – falsch ist die Rechnung deshalb nicht.

Liegen mehrere Verbraucher in Reihe, teilt sich die Quellenspannung auf sie auf. Die Teilspannungen U₁, U₂ … heißen Spannungsfall (umgangssprachlich Spannungsabfall): An jedem Verbraucher „fällt“ ein Teil der Spannung ab, zusammen ergeben sie wieder die Quellenspannung.

Bei einem Verbraucher zeigen Spannungs- und Strompfeil in die gleiche Richtung (Verbraucherzählpfeilsystem), bei einer Quelle entgegengesetzt. Mit diesen Pfeilen arbeiten die Kirchhoffschen Regeln: In jeder geschlossenen Masche ist die Summe aller Spannungen null.

Spannung messen

Spannung misst du parallel zum Bauteil, mit einem Voltmeter oder Multimeter im V-Bereich. Ein gutes Voltmeter hat einen sehr hohen Innenwiderstand (typisch 10 MΩ), damit es die Schaltung kaum belastet. Anders als beim Strommessen musst du dafür nichts auftrennen – du kannst die Messspitzen im laufenden Betrieb anlegen und wieder abnehmen. Worauf es dabei ankommt, erklärt Spannung messen.

Selbsttest