Elektrische Spannung (U)

Damit Strom fließt, braucht er einen Antrieb. Dieser Antrieb heißt elektrische Spannung. Ihr Zeichen ist U, ihre Einheit Volt (V).

Stell dir zwei Wassertanks vor, die mit einem Schlauch verbunden sind. Steht das Wasser in einem Tank höher, fließt es zum anderen. Der Höhenunterschied ist wie die Spannung: Je größer er ist, desto stärker drückt es.

In einer Batterie ist das so: Am Minuspol sind viele Elektronen, am Pluspol fehlen sie. Diese getrennten Ladungen wollen wieder zusammen. Verbindest du die Pole über eine Lampe, fließt Strom, und die Lampe leuchtet.

Wichtig: Spannung gibt es immer zwischen zwei Punkten, nie an einem allein. „230 V an der Steckdose“ heißt: zwischen Außenleiter L und Neutralleiter N liegen 230 V.

Hilfreich ist der Vergleich mit Höhe: Jeder Punkt in einer Schaltung hat ein Potential φ (sprich „phi“), so wie jeder Ort eine Höhe über dem Meeresspiegel hat. Die Spannung zwischen zwei Punkten ist der Unterschied der Potentiale, wie der Höhenunterschied zwischen zwei Orten.

Als Bezugspunkt mit 0 V wählt man meist den Minuspol oder die Erde. Eine Spannung kann auch negativ sein: Misst du im Bild von unten nach oben, erhältst du 0 V − 12 V = −12 V. Das Multimeter zeigt dann ein Minuszeichen. Am Betrag ändert das nichts, nur die Richtung ist vertauscht.

Physikalisch gibt die Spannung an, wie viel Energie W jede Ladung Q beim Weg von einem Punkt zum anderen abgibt oder aufnimmt.

Daraus folgt die Einheit: Ein Volt bedeutet, dass jedes Coulomb Ladung ein Joule Energie transportiert.

1 V=1 J1 C

Im Alltag rechnest du allerdings viel häufiger mit dem Ohmschen Gesetz U = R · I. Beide Formeln beschreiben dieselbe Größe, nur aus einem anderen Blickwinkel.

Jede Spannungsquelle trennt Ladungen und braucht dafür Energie aus einer anderen Form:

• Chemisch: In Batterie und Akku trennen chemische Reaktionen die Ladungen. Eine Alkali-Zelle liefert etwa 1,5 V, eine Lithium-Ionen-Zelle etwa 3,6 V.
• Magnetisch (Induktion): Im Generator dreht sich ein Magnetfeld gegenüber Spulen. So entsteht fast der gesamte Strom aus Kraftwerken und Windrädern.
• Licht: In der Solarzelle löst Licht Ladungsträger aus dem Halbleiter. Eine Siliziumzelle liefert rund 0,6 V, viele in Reihe ergeben ein Modul.
• Wärme: Ein Thermoelement erzeugt aus einem Temperaturunterschied wenige Millivolt. Das nutzt man zum Messen von Temperaturen.
• Druck: Piezokristalle erzeugen beim Zusammendrücken eine Spannung, zum Beispiel im Gasanzünder.

Foto: Jiazheng0609, „Testing voltage of a battery using a digital multimeter“, Lizenz: CC BY-SA 4.0, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.

Im Beruf musst du zwei Arten sicher unterscheiden. Gleichspannung (DC) hat immer dieselbe Richtung und meist denselben Wert, zum Beispiel aus Batterie, Akku oder Netzteil. Wechselspannung (AC) ändert ständig Richtung und Wert. Im deutschen Netz geschieht das 50-mal pro Sekunde, also mit 50 Hz.

Spannungsbereiche

Für den Schutz gegen elektrischen Schlag unterscheidet man nach der Höhe der Spannung:

• Kleinspannung: bis 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung. Bei SELV und PELV gilt sie unter festgelegten Bedingungen als ungefährlich, zum Beispiel für Klingelanlagen oder Steuerungen mit 24 V.
• Niederspannung: bis 1.000 V Wechselspannung oder 1.500 V Gleichspannung. Dazu gehören 230 V und 400 V im Haus. Diese Spannungen sind lebensgefährlich.
• Hochspannung: alles darüber, etwa das Mittelspannungsnetz mit 10 kV oder 20 kV und Überlandleitungen mit bis zu 380 kV.

Der Spannungsmesser wird immer parallel zu dem Bauteil oder zwischen die zwei Punkte geschaltet, deren Spannung du wissen willst. Der Stromkreis bleibt dabei geschlossen, du musst nichts auftrennen.

Damit die Messung die Schaltung nicht verfälscht, hat ein Spannungsmesser einen sehr hohen Innenwiderstand. Bei Digitalmultimetern sind es typischerweise rund 10 MΩ. So fließt durch das Messgerät fast kein Strom.

• „Spannung an einem Punkt“: Es gibt nur Spannung zwischen zwei Punkten. Sag immer dazu, wogegen du misst, zum Beispiel L gegen N oder L gegen PE.
• Spannungsmesser in Reihe geschaltet: Wegen seines hohen Innenwiderstands fließt dann fast kein Strom mehr, der Verbraucher geht aus und die Messung ist sinnlos.
• Falsche Spannungsart am Messgerät: Mit DC-Einstellung an der Steckdose zeigt das Multimeter keinen sinnvollen Wert an. Erst AC oder DC wählen, dann messen.
• Einpoliger Phasenprüfer statt Spannungsprüfer: Die Glimmlampe zeigt bei schlechtem Kontakt zur Erde oft nichts an. Für die Spannungsfreiheit ist er nicht zulässig.