Messung der Spannung – Grundlagen und Methoden
In der Physik ist die Spannung der Unterschied im elektrischen Potential zwischen zwei Punkten. Sie wird durch das Symbol V dargestellt und definiert als die Menge an Arbeitsenergie, die benötigt wird, um eine Einheit der elektrischen Ladung von einem Referenzpunkt (a) zu einem spezifischen Punkt (b) in einem elektrischen Feld zu bewegen. Die Spannungsdifferenz wird mathematisch ausgedrückt als ΔV = Va – Vb.
Obwohl das Konzept des elektrischen Potentials nützlich ist, um elektrische Phänomene zu verstehen, sind nur Unterschiede in der potenziellen Energie messbar. Diese Unterschiede in der potenziellen Energie werden mit einem Voltmeter gemessen. Häufig wird ein gemeinsames Referenzpotential, wie der Systemgrund, als einer der Punkte verwendet.
Der Voltmeter – Ein unverzichtbares Instrument
Voltmeter sind Instrumente zur Messung des elektrischen Potenzialunterschieds zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Stromkreis. Um den Potenzialunterschied zwischen zwei Punkten im Stromkreis zu finden, werden die Voltmeterklemmen zwischen diesen Punkten angeschlossen, ohne den Draht zu durchtrennen oder zu unterbrechen. Voltmeter werden parallel geschaltet.
Ihre Funktionalität ist heutzutage in modernen Multimetern integriert. Ein ideales Voltmeter hätte unendlichen Widerstand, so dass sein Anschluss an einen Schaltkreis keine der Ströme verändern würde. Reale Voltmeter haben jedoch immer einen endlichen Widerstand, aber ein Voltmeter sollte einen ausreichend großen Widerstand haben, so dass sein Anschluss an einen Schaltkreis die anderen Ströme nicht merklich verändert.
Symbol und hydraulische Analogie des Voltmeters
In Schaltplänen wird ein Voltmeter durch den Buchstaben V in einem Kreis dargestellt, mit zwei hervorgehenden Linien, die die beiden Messpunkte repräsentieren. Die hydraulische Analogie, oder die Elektro-Flüssigkeits-Analogie, ist eine weit verbreitete Analogie zwischen Hydraulik und Elektrizität, die ein nützliches Werkzeug für die Lehre und für diejenigen ist, die Schwierigkeiten haben zu verstehen, wie Schaltkreise funktionieren.
Die Beziehung zwischen Spannung und Strom wird (in ohmschen Geräten wie Widerständen) durch das Ohmsche Gesetz definiert. Das Ohmsche Gesetz ist analog zur Hagen-Poiseuille-Gleichung, da beide lineare Modelle sind, die den Fluss und das Potenzial in ihren jeweiligen Systemen in Beziehung setzen.
Arten von Voltmetern
Die verschiedenen Arten von Voltmetern werden durch das Konstruktionsprinzip und die Messarten bestimmt, zu denen gehören:
- Dauermagnet-Bewegungsspulen-Voltmeter (PMM)
- Bewegungseisen-Voltmeter
- Digitalvoltmeter (DVM)
- Elektrodynamometer
- Gleichrichtertyp-Voltmeter
- Induktionstyp-Voltmeter
- Elektrostatischer Typ-Voltmeter
Voltmeter, die einen Potenzialunterschied von 1 μV messen können, sind üblich, und Empfindlichkeiten bis zu 10-12 können erreicht werden. Digitale Messgeräte können mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, typischerweise besser als 1%. Speziell kalibrierte Testinstrumente haben höhere Genauigkeiten.
