Grundwissen

Spannung als Basisgröße

Rückblick
Um die Verhältnisse in einem Stromkreis zu charakterisieren, kennen Sie bisher die Größe "elektrische Stromstärke I". Verwendet man stets die gleiche Stromquelle, so hängt die Stromstärke in dem aus einem Strommesser und einer Drahtspule bestehenden Testkreis davon ab, wie viel Draht in dem Kreis verwendet wird.

Spannungsbegriff
Verwendet man dagegen stets den gleichen Teststromkreis und schließt diesen an verschiedene Stromquellen an, so wird man i.a. feststellen, dass die Stromstärke im Kreis davon abhängig ist, wie "stark" die Stromquelle ist.

Zur Charakterisierung der "Stärke" der Stromquelle führt man die Größe "elektrische Spannung U" ein. Die Spannung kennzeichnet die Fähigkeit der Quelle, in einem angeschlossenen äußeren Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten, sie ist also die Ursache für den Strom.

Durch Vergleich mit einem geeigneten Wassermodell des Stromkreises kann man sich die Bedeutung der Spannung besser klarmachen:

Die Pumpe fördert Wasser vom unteren in das obere Becken. Je größer der Höhenunterschied Dh ist, desto größer ist der Wasserstrom (Zur Veranschaulichung der Verhältnisse im Stromkreis sind noch weiter Modelle denkbar. Vergleichen Sie hierzu die Aufgaben).
Übersetzt auf den Stromkreis (Objekt) heißt dies: Je größer die Spannung der Quelle ("elektrischer Höhenunterschied") ist, desto größer ist der Strom. Was in der Quelle abläuft, damit es zu diesem "elektrischen Höhenunterschied" kommt wissen wir noch nicht. Aus den Vorversuchen im Kapitel "Ladung und Strom" wissen wir jedoch, dass Spannung immer dann auftritt, wenn eine Ladungstrennung vorliegt, die durch Verrichten von Arbeit erreicht wurde.
Beachten Sie, dass die Spannung einer Quelle auch dann vorhanden ist, wenn kein Stromfluss durch den äußeren Kreis stattfindet. (Hier "hinkt" unser Wassermodell etwas, da bei geschlossenem Hahn der Höhenunterschied Δh zunehmen würde).

Spannung als Basisgröße:
Durch die Vorversuche und den Vergleich mit dem Wassermodell haben Sie erste Informationen über die Spannung bekommen. Zur genauen Festlegung der Spannung müssen jedoch noch weitere Überlegungen angestellt werden. Führt man die Spannung als physikalische Basisgröße ein (dies ist in Bayern immer noch der Fall), so muss man das Messverfahren für Gleichheit, Einheit und Vielfachheit angeben:

Spannungsgleichheit

Zwei Stromquellen haben gleiche Spannung, wenn sie
a) im gleichen Stromkreis die gleiche Stromstärke hervorrufen

b) beim Gegeneinanderschalten im Stromkreis den Strom Null erzeugen.

Eselsbrücke für die Schaltung:

Spannungseinheit

Die Einheit der Spannung ist das Volt. Alessandro Volta (1745 - 1827) stellte sie mit dem Voltaelement her, einer Kupfer und Zinkscheibe, zwischen die eine mit Salzlösung getränkte Lederscheibe gelegt war.

Spannungsvielfachheit

Durch Hintereinanderschalten von n gleichen Stromquellen der Spannung 1 V erhält man eine Spannung von n Volt.

Schaltung von Stromquellen

Hintereinanderschaltung

Modell

Objekt

Bei Hintereinanderschaltung der Stromquellen addieren sich die Einzelspannungen.

Eselsbrücke für die Schaltung der Quellen:

Parallelschaltung

Modell

Objekt

Bei Parallelschaltung gleicher Stromquellen erhöht sich die Spannung nicht.

Erläuterung:
Ein Wasserteilchen wird durch die linke oder die rechte Pumpe in die Höhe gehoben. Es bekommt die gleiche Lageenergie wie bei nur einer Pumpe und kann deshalb an der Turbine auch nur die gleiche Arbeit verrichten.
Analog ist es mit einem Elektron, das nur von einer der beiden Quellen auf eine bestimmte "elektrische Höhe" gebracht wird, die genauso groß ist, wie wenn nur eine Quelle vorhanden wäre.