Um alle Funktionen dieser Seite zu nutzen, aktivieren Sie bitte die Cookies in Ihrem Browser.
my.chemie.de
Mit einem my.chemie.de-Account haben Sie immer alles im Überblick - und können sich Ihre eigene Website und Ihren individuellen Newsletter konfigurieren.
- Meine Merkliste
- Meine gespeicherte Suche
- Meine gespeicherten Themen
- Meine Newsletter
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. Sie ist eine Feldgröße, die um viele Größenordnungen schwanken kann. Das Formelzeichen der Spannung ist U – abgeleitet vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken). Die SI-Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta. Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel durch Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meistens durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt. Die umgangssprachliche Bezeichnung „Stromspannung“ ist fachlich inkorrekt und sollte bei eindeutigem Zusammenhang durch „Spannung“ und sonst durch „elektrische Spannung“ bzw. „Netzspannung“ ersetzt werden. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
DefinitionDie elektrische Spannung ist der Quotient aus der zur Verschiebung einer Ladung erforderlichen Arbeit und dieser Ladung. Aus den Zusammenhängen:
ergibt sich für die Spannung: Q = Ladung; F = Kraft; E = elektrische Feldstärke; s = Abstand; WAB = Verschiebungsarbeit Der hier und in Folge verwendete Begriff der Ladung Q versteht sich als Mengeneinheit für den Überschuss an negativ bzw. positiv geladenen Elementarteilchen (Elektronen bzw. Protonen). Elektrisches Potential
Das elektrische Potential (eng. electrical potential) ist eine Spannungsangabe, bezogen auf einen festgelegten Bezugspunkt. Wenn das elektrische Feld ein Potentialfeld ist (vgl. konservatives System), so ist die Arbeit, die auf dem Weg zwischen zwei Orten an einer Ladung verrichtet wird, wegunabhängig. Das Formelzeichen für das Potential ist . Hieraus folgt, dass die elektrische Spannung zwischen diesen Orten eindeutig als die Differenz der jeweiligen Potentiale definiert ist. In diesem Fall wird die elektrische Spannung häufig auch Potentialdifferenz oder Galvanispannung genannt. Eine positive Spannung zeigt somit bei Potentialfeldern vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich in Richtung der negativen Spannung, während negativ geladene Objekte sich in Richtung der positiven Spannung bewegen. Die Spannung uAB des Punktes A bezüglich des Punktes B ist gleich dem Integral des elektrischen Feldes über den Weg zwischen diesen beiden Punkten (Potentialdifferenz). Diese Beziehung gilt für alle elektrischen Felder, sowohl für Wirbelfelder als auch für wirbelfreie (Potential-) Felder. Bei Wirbelfeldern hängt die Spannung vom Weg ab. Ein Potential ist damit vom Widerstand und vom Strom unabhängig, während die Potentialdifferenz, die durch den fließenden Strom durch einen Widerstand hervorgerufen wird, als Spannungsabfall bezeichnet wird. Mathematische Beschreibung
Potentialdifferenz im radialen Feld einer Punktladung gilt: Q = Ladung, E = elektrische Feldstärke, s = Abstand, r = Radius, = Elementarladung Weiterführende Artikel: Elektrostatik, Äquipotentiallinien, Potential, Potentialfeld, Konservative Kraft Richtungs- und BezugssinnHauptartikel: Zählpfeil Als Richtungssinn der Spannung U ist die Richtung von A nach B definiert, wenn das elektrische Feld an einer positiven Ladung positive Arbeit verrichtet spricht man von einem Spannungsabfall. Im umgekehrten Falle, also bei einer Energiezufuhr, von einer Quellenspannung. Zu beachten ist, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt, die in den Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest. Dabei ist eine Spannung, die entgegen dem Umlaufsinn einer Masche zeigt, als negativ und eine in Richtung des Umlaufsinnes als positiv anzunehmen, der Umlaufsinn kann dabei willkürlich festgelegt werden. Die in den Darstellungen verwendeten Pfeile für die Stromrichtung zeigen dabei, wenn nicht anderes angegeben, die technische Stromrichtung an.
Zusammenhängemit StromHauptartikel: Ohmsches Gesetz Die elektrische Spannung kann bei bestimmten Leitern direkt mit dem elektrischen Strom verknüpft werden, wobei der Proportionalitätsfaktor als elektrischer Widerstand bezeichnet wird. Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z. B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden und ein elektrischer Strom zu fließen beginnt. Diese Zusammenhänge sind für bestimmte Leiter (z.B. den meisten Metallen) durch das ohmsche Gesetz definiert. Widerstand als Proportionalitätskonstante: Widerstand als Bauelement für R = const. i = Stromstärke, A = Querschnitt des Leiters, l = Länge des Leiters, ρ = spezifischer Widerstand des Leitermaterials Nicht alle Leiter gehorchen jedoch dem Ohmschen Gesetz, oft ist der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung nicht proportional. Bei Wechselströmen benutzt man für die Berechnung des Spannungsabfalls den Effektivwert des Stromes. In Anlehnung an die Zusammenhänge des ohmschen Gesetzes lässt sich für Signale, bei denen durch Induktivität oder Kapazität Strom und Spannung in der Phase verschoben sind, im komplexen Bereich folgende Formel verwenden, wobei hier Z die Impedanz des Bauelements darstellt. mit Leistung und EnergieBeim Durchfluss einer Ladungsmenge Q durch einen Widerstand wird in Folge der Verschiebungsarbeit eine Energie W umgesetzt. Diese beträgt laut Definitionsgleichung: Fließt die Ladungsmenge Q in einem Zeitintervall t durch den Widerstand, so ergibt sich mit der Definition des elektrischen Stromes: Aus dem Zusammenhang zwischen Leistung und Energie ergibt sich: Ersetzt man nun den Strom mit der Definition des ohmschen Gesetzes: , ergibt sich: nach Kirchhoff(Maschensatz aus den Kirchhoffschen Regeln) Die Summe aller Spannungsabfälle über den Leitungen und den Verbrauchsmitteln entspricht der Spannung der Spannungsquelle. In einem Umlauf mit n Teilspannungen eines elektrischen Gleichstromnetzes gilt folgende Formel:
nach Strom- und SpannungsteilerAus den kirchhoffschen Regeln im Zusammenspiel mit dem ohmschen Gesetz lassen sich die Teilerregeln von Strom und Spannung an mehreren Widerständen herleiten. In diesem Artikel beschränken wir uns bewusst auf die Zusammenhänge der einzelnen Spannungen zueinander, weiterführende Erläuterungen findet man in den Hauptartikeln: Spannungsteiler und Stromteiler Spannungsteiler
Stromteiler
Messung von elektrischer SpannungHauptartikel: Spannungsmessgerät Um eine Spannung zu messen, verwendet man einen Spannungsmesser und, um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, in der Regel ein Oszilloskop oder einen Messschreiber. Um die Funktionsweise dieser Geräte zu verstehen, sollte man sich die entsprechenden Hauptartikel durchlesen. In diesem Artikel soll es darum gehen, wie man ein Messgerät richtig in eine Schaltung integriert und was man dabei misst. Allgemein kann man sagen, dass man, um eine Spannung zu messen, die oben beschriebene Stromteiler-Schaltung benutzt. Um den Messbereich gegebenenfalls zu erweitern, benutzt man die Spannungsteiler-Schaltung. Je nach Messgerät ist das, was man eigentlich misst, der Spannungsabfall an Ri (Innenwiderstand des Messgerätes) oder der Strom durch Ri, der dann ein Maß für den Spannungsabfall ist. Da jedes Messgerät einen beschränkten Messbereich hat, in dem es innerhalb seiner Fehlergrenzen arbeitet, und einen Bereich der Belastbarkeit, in dem es spannungsfest ist, kann man über einen vorgeschalteten Rv (Vorwiderstand) durch Spannungsteilung den Messbereich erweitern. Hierbei ist zu beachten, dass Ri + Rv im Vergleich zum Widerstand R1 sehr groß sein muss, damit der Großteil des Stromes durch R1 fließt und somit der Gesamtwiderstand der Messschaltung annähernd unverändert bleibt. Das ist wichtig, damit die Messschaltung nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die restliche Schaltung nimmt.
Mathematisch: Um herauszufinden, wie groß Ri + Rv im Vergleich zu R1 sein muss, damit bleibt, bzw. damit Rges nur um einen kleinen Betrag von R1 abweicht, nimmt man folgenden Ansatz. Daraus folgt Überträgt man den Begriff des relativen Messabweichung f auf diese Schaltung, so erhält man Fordert man, dass | f | < 1% sein soll, so muss x > 99 sein. Wenn Ri + Rv 100mal so groß wie R1 ist, ist Rges um 1 % kleiner als R1. Falls der Strom von A nach B aus einer Konstantstromquelle kommt, wird die Spannung mit einer relativen Abweichung f = -1 % gemessen. Falls zwischen A und B eine Konstantspannungsquelle anliegt, ist f = 0. Bei jeder anderen Speisung liegt die Messabweichung dazwischen. KlassifizierungSpannungsform
SpannungshöheEuropäische Normen unterscheiden nach der Spannungshöhe drei Bereiche:
elektrische Spannungen verschiedener Größenordnungen siehe Größenordnung (elektrische Spannung) SpannungsbezeichnungenEine Zusammenstellung von Spannungsbezeichnungen, die man in vielen Schaltplänen und Datenblättern sieht, findet man im Hauptartikel Spannungsbezeichnung WechselspannungstechnikDie Wechselspannungstechnik beschäftigt sich mit den Phänomenen von periodischen Spannungen, die in der Elektrotechnik, hauptsächlich in der Energieversorgung und Nachrichtentechnik, eine hohe Bedeutung haben. Man unterscheidet hier zwischen harmonischen und nichtharmonischen Spannungen, welche sich wiederum in Mischspannungen und Wechselspannungen untergliedern. Benutzt man eine periodische Spannung als Informationsträger, wird diese auch als Signal bezeichnet. Kennwerte
Mittelwerte und BewertungsfaktorenBei der Vielzahl zeitabhängiger Verläufe einer Spannung stellt sich die Frage, wie beliebige Kurvenformen von Spannungen gleicher Perioden und gleicher Scheitelwerte in vergleichbaren Anwendungen wirken, hierzu benutzt man Mittelwerte und Bewertungsfaktoren.
Harmonische WechselspannungIn der Elektrotechnik hat die periodische Änderung elektrischer Größen nach einer Sinusfunktion, die auch als harmonische Funktion bezeichnet wird, neben allen anderen möglichen Funktionen die größte Bedeutung. Gründe hierfür sind, dass eine Sinusfunktion eindeutig und leicht mathematisch beschreibbar ist, sie als Grundfunktion aufgefasst werden kann und keine weiteren Schwingungsanteile enthält, dass bei der Ableitung einer Sinusfunktion nach der Zeit wieder eine sinusförmige Funktion entsteht und dass sich eine nichtsinusförmige periodische Größe nach Fourier als Summe von Sinusschwingungen darstellen lässt. Mathematische Beschreibung reellwertig: komplexer Bereich (Hauptartikel komplexe Wechselstromrechnung) ωt = Phasenwinkel; = Nullphasenwinkel; restliche Werte siehe oben Mittelwerte Gleichrichtwert der Spannung: Effektivspannung: Weitere Werte und Faktoren siehe: Scheitelfaktor GefahrenHauptartikel: Gefährliche Spannungen Die allgemeine Regel lautet: 50 V Wechselspannung bzw. 120 V Gleichspannung sind die Grenze der höchstzulässigen Berührungsspannung. (vgl. TAEV 1996 IV/1.1) Ab etwa 50 Volt Wechselspannung ist Spannung für den Menschen gefährlich, weil der Übergang von der Haut zum Körperinneren überwunden wird und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers erheblich zunimmt. Doch nicht die Spannung U, sondern die Stromstärke I ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Da sich jedoch mit der Spannung auch der fließende Strom erhöht (siehe ohmsches Gesetz), gilt: Je höher die Spannung, desto gefährlicher! Eine Stromstärke von 50 mA kann bereits tödlich sein. Die Schädigung bei höheren Strömen erfolgt durch Verbrennung des Gewebes. Die Gefährlichkeit kleiner Wechselströme rührt von der Gefahr des Herzkammerflimmerns: Die Herzmuskulatur wird mit der Frequenz des Wechselstroms angeregt (50 Schläge pro Sekunde), so dass ein Versagen eintritt. Bei Gleichstrom dagegen erfolgt beim Berühren eine Verkrampfung von Arm- bzw. Beinmuskulatur, die ein gewolltes Unterbrechen des Stromflusses verhindert. Zu beachten ist, dass auch bei „ungefährlichen“ Spannungen schwere Unfälle durch Verbrennung erfolgen können, wenn metallischer Körperschmuck (Fingerring, Arm- oder Halsketten) einen Kurzschluss verursacht; oder beim Entnehmen einer Sicherung bei starken Verbrauchern durch den nicht abreißenden Lichtbogen. Spannung in der ChemieElektrische Spannungen in der Elektrochemie liegen meist im unteren einstelligen Voltbereich. Für jede Reaktion besteht ein Standardpotential als Differenz der Elektrodenpotentiale. Deren Konzentrationsabhängigkeiten werden mit der Nernst-Gleichung beschrieben, Spannung in der KernphysikElektrische Spannungen in der Kernphysik werden zur Beschleunigung von Teilchen verwendet, um diese herzustellen oder zu zerstören, die Spannungen liegen im Hochspannungsbereich von ca. 25 kV bis 100 GV. Siehe auch
Literatur
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Elektrische_Spannung aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |