Spannung in der Physik: Ein grundlegendes Konzept
In der Physik ist die Spannung der Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen zwei Punkten. Die Spannung, mit V bezeichnet, wird definiert als die Menge an Arbeitsenergie, die benötigt wird, um eine Einheit elektrischer Ladung von einem Referenzpunkt (a) zu einem bestimmten Punkt (b) in einem elektrischen Feld zu bewegen. Mathematisch wird dies ausgedrückt als ΔV = Va – Vb. Diese Definition ist entscheidend für das Verständnis elektrischer Phänomene.
Das Verhalten von Ladungen und konventioneller Strom
Negative Ladungsträger werden zu höheren Spannungen gezogen, während positive Ladungsträger zu niedrigeren Spannungen gezogen werden. Dies führt dazu, dass der konventionelle Strom in einem Draht oder Widerstand stets von einem Bereich höherer Spannung zu einem Bereich niedrigerer Spannung fließt. Ohmsches Gesetz besagt, dass ein Volt die Menge an Kraft ist, die erforderlich ist, um einen Strom von einem Ampere durch einen Widerstand von einem Ohm zu treiben.
Die Einheit der Spannung: Volt
Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird das elektrische Potenzial in Joule pro Coulomb (J⋅C−1), oder Volt (V), ausgedrückt. Ein Volt wird definiert als der Potenzialunterschied, der erforderlich ist, um einem Coulomb Strom eine Arbeit von einem Joule verrichten zu lassen. Ein Coulomb entspricht 6,28 x 1018 Elektronen.
Typische Spannungswerte in der Praxis
Um verschiedene Größenordnungen zu vergleichen, folgt eine Liste typischer Spannungsniveaus:
- 1,5V (DC) – Eine gängige offene Kreisspannung für nicht wiederaufladbare Alkalibatterien (z. B. AAA, AA und C-Zellen).
- 3,8V (DC) – Fast alle Smartphone-Batterien arbeiten mit 3,8 Volt.
- 12V (DC) – Eine gängige Spannung für Autobatterien.
- 110 – 120V (AC) – Die übliche Steckdosenspannung in amerikanischen Haushalten.
- 3kV – Spannung, die erforderlich ist, um jeden 1 mm eines elektrischen Lichtbogens zu erzeugen.
- 110kV – Die Spannung in elektrischen Übertragungsleitungen.
- 300 MV – Eine typische Spannung eines Blitzes.
Methoden zur Erzeugung von Spannung
Spannung kann durch verschiedene Methoden erzeugt werden, darunter:
- Statische Elektrizität – Häufig durch den triboelektrischen Effekt verursacht.
- Elektrochemie – Durch chemische Reaktionen, die Elektronen übertragen.
- Magnetinduktion – Durch Rotation von Spulen in einem Magnetfeld.
- Piezoelektrizität – Durch Verbiegen oder Verdrehen bestimmter Materialien.
- Thermoelektrizität – Durch Erhitzen zweier unterschiedlicher Materialien.
- Photoelektrischer Effekt – Durch Bestrahlung mit Photonen.
- Thermionische Emission – Durch Elektronenfreisetzung von einer heißen Oberfläche.
Spannung und die hydraulische Analogie
Die hydraulische Analogie ist ein nützliches Werkzeug, um elektrische Schaltungen zu verstehen. Sie vergleicht elektrische Komponenten mit hydraulischen Äquivalenten. In diesem Modell ist die Spannung vergleichbar mit dem Druckunterschied, der Wasser durch einen Schlauch treibt. Dieses Modell wird oft in der Lehre verwendet, um die unsichtbaren Prozesse in der Elektronik zu veranschaulichen.
Häufig gestellte Fragen zur Spannung
Was ist wichtig für das elektrische Potenzial? Obwohl das Konzept des elektrischen Potenzials nützlich ist, sind nur Unterschiede in der potenziellen Energie messbar. Diese Unterschiede werden mit einem Voltmeter gemessen.
Warum haben Alkalibatterien (AAA oder AA) 1,5V, während wiederaufladbare 1,2V haben? Primärzellen verlieren mit der Nutzung allmählich an Spannung; sie beginnen bei 1,5 Volt, fallen auf 1,2 Volt und weiter bis auf 1,0 Volt, wo das Gerät aufhört zu arbeiten. Sekundärzellen arbeiten gleichmäßiger, sogar mit nur 1,2 Volt; sie haben eine flache Entladung, wo sie ziemlich konstant bei 1,2 Volt bleiben, bis sie erschöpft sind, und dann schnell auf unter 1,0 Volt fallen.
Was sind die typischen Spannungen für Geräte im Haushalt? Die meisten Haushaltsgeräte verwenden Spannungen wie 1,5V (DC) für Alkalibatterien, 3,8V (DC) für Smartphone-Batterien und 110 – 120V (AC) für Steckdosen in Amerika.
