Volt – Spannungseinheit

Volt – Die Einheit der Spannung

Die Einheit Volt definiert sich als das elektrische Potential zwischen zwei Punkten eines leitenden Drahtes, wenn ein elektrischer Strom von einem Ampere eine Leistung von einem Watt zwischen diesen Punkten verbraucht. Volt ist die abgeleitete Einheit für elektrisches Potential, elektrische Spannungsdifferenz (Spannung) und elektromotorische Kraft.

Im Internationalen Einheitensystem (SI) wird das elektrische Potential in Einheiten von Joule pro Coulomb (J⋅C^-1) oder Volt (V) ausgedrückt. Der Volt ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta (1745–1827) benannt.

Definition und Grundlagen

Ein Coulomb entspricht 6,28 x 10¹⁸ (Milliarden Milliarden) Elektronen. Wenn ein Objekt ein Coulomb negativer Ladung gewinnt, hat es 6.280.000.000.000.000.000 zusätzliche Elektronen aufgenommen. Ein Volt wird definiert als Potentialdifferenz, die ein Coulomb Strom dazu bringt, eine Joule Arbeit zu verrichten.

Spannung ist auch so definiert, dass negativ geladene Objekte zu höheren Spannungen und positiv geladene Objekte zu niedrigeren Spannungen gezogen werden. Daher fließt der konventionelle Strom in einem Draht oder Widerstand immer von einer höheren zu einer niedrigeren Spannung.

Nach dem Ohmschen Gesetz entspricht ein Volt der benötigten Kraft, um einen Strom von einem Ampere durch einen Widerstand von einem Ohm zu treiben.

Typische Spannungswerte

Zum Vergleich unterschiedlicher Größenordnungen folgt eine Liste typischer Spannungswerte:

1,5V (DC) – Eine gängige Leerlaufspannung für nicht wiederaufladbare Alkalibatterien (z.B. AAA, AA, C-Zellen).
3,8V (DC) – Fast alle Smartphone-Akkus arbeiten mit 3,8 Volt. Damit der Strom vom Ladegerät zum Akku fließen kann, muss eine Potentialdifferenz vorhanden sein. Daher liefern fast alle Smartphone-Ladegeräte oder USBs eine Spannung von 5V.
12V (DC) – Eine übliche Spannung für Autobatterien beträgt 12 Volt (DC).
110 – 120V (AC) – Die am häufigsten vorkommende elektrische Steckdose in jedem Haushalt. Der amerikanische Kontinent verwendet eine Spannung von 110 bis 120 Volt (AC), während Europa, Asien und Afrika 220 bis 240 Volt (AC) verwenden.
3kV – Spannung, die benötigt wird, um jeden 1mm eines elektrischen Lichtbogens zu erzeugen. Luft ist ein sehr schlechter Stromleiter und hat eine hohe dielektrische Festigkeit. Die dielektrische Festigkeit von Luft liegt bei nahezu 3000V/mm.
110kV – Die Spannung in elektrischen Übertragungsleitungen, die zur Verteilung von Strom von Kraftwerken verwendet wird, kann mehrere hundert Mal größer sein als Verbraucherspannungen, typischerweise 110 bis >500 kV (AC).
300 MV – Ein typischer Blitzschlag hat etwa 300 Millionen Volt und etwa 30.000 Ampere.

Methoden zur Erzeugung von Spannung

Die Spannung oder das elektrische Potential kann auf folgende Weise erzeugt werden:

Statische Elektrizität – Die meisten statischen Elektrizitäten, denen wir täglich begegnen, werden durch den triboelektrischen Effekt verursacht. Das Aufladen eines festen Objekts durch Reibung kann durch den Transfer von Elektronen von einem Objekt zum anderen erklärt werden. Dies kann leicht durch Reiben zweier unterschiedlicher Materialien, wie Bernstein mit Pelz oder Glas mit Seide, erzeugt werden.
Elektrochemie – Chemikalien können mit bestimmten Metallen kombiniert werden, um eine chemische Reaktion zu verursachen, die Elektronen überträgt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Magnetinduktion – Das Drehen von Drahtspulen durch ein stationäres Magnetfeld oder durch Drehen eines Magnetfelds durch eine stationäre Spule erzeugt ein elektrisches Potential.
Piezoelektrischer Effekt – Das Biegen oder Verdrehen bestimmter Materialien verursacht, dass Elektronen in Richtung der Kraft aus ihrer Umlaufbahn getrieben werden. Wenn die Kraft freigegeben wird, kehren die Elektronen in ihre ursprüngliche Umlaufbahn zurück.
Thermoelektrizität – Das Erhitzen zweier verbundener unterschiedlicher Materialien bewirkt einen Transfer von Elektronen zwischen den Materialien und erzeugt so einen Stromfluss.
Photoelektrischer Effekt – Der photoelektrische Effekt ist die Emission von Photoelektronen aus einem Material, wenn elektromagnetische Strahlung (Photonen) auf dessen Oberfläche trifft.
Thermionenemission – Das Freisetzen von Elektronen von einer heißen Oberfläche bewirkt, dass Elektronen entweichen.

Hydraulische Analogie

Die hydraulische Analogie, oder die Elektrik-Flüssigkeits-Analogie, ist eine weit verbreitete Analogie zwischen Hydraulik und Elektrik, die ein nützliches Werkzeug für das Lehren und für diejenigen ist, die Schwierigkeiten haben, das Funktionieren von Schaltkreisen zu verstehen. Sie kann auch auf Probleme des Wärmetransports angewendet werden.