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Elektrische Spannung

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Physikalische Größe
Name Elektrische Spannung
Formelzeichen der Größe U,V
Größen- und
Einheitensystem 		Einheit Dimension
SI
Volt (V)
M·L2·I−1·T−3
CGS
Statvolt (StatV)
M½·L½·T−1
Siehe auch: Mechanische Spannung
Wikipedia
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Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit bzw. Energie nötig ist, wenn man ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes bewegt. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen der Ladung. Sie ist eine Feldgröße, die um viele Größenordnungen schwanken kann.

Die Spannung U2(1) des Punktes P2 bezüglich des Punktes P1 ist gleich dem negativen 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.

Das Formelzeichen der Spannung ist U – abgeleitet vom lat. urgere (drängen, treiben, drücken), auch weit verbreitet: die Ableitung von Unterschied – im internationalen Sprachraum überwiegend V (von Voltage). Die SI-Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

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 \varphi . 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 U = Δ \varphi = \varphi_{1} - \varphi_{2} genannt. Eine positive Spannung zeigt somit bei Potentialfeldern vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (negative) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen. Zu beachten ist aber, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt; die in vielen Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest.

Um die Spannung zu messen, verwendet man einen Spannungsmesser, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man zum Beispiel ein Oszilloskop oder einen Schreiber.

Der Begriff der elektrischen Spannung ist direkt mit dem des elektrischen Stroms über den Widerstand verknüpft: 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.

Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel bei den Vorgängen der 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.

Formeln

\mathrm{Spannung} = U_{2(1)} = - \int_{1}^{2}\vec{E} \cdot d\vec{s}
\mathrm{Spannung\ (gegen\ Potential\ Null)} = \frac{\mathrm{Potentielle\ Energie}}{\mathrm{Ladung}} \qquad also ist \qquad U = \frac{W}{Q}
\mathrm{Spannung} = \mathrm{Widerstand} \cdot \mathrm{Stromst\ddot arke} \qquad also ist \qquad U = R \cdot I
\mathrm{Spannung} = \frac{\mathrm{Leistung}}{\mathrm{Stromst\ddot arke}} \qquad also ist \qquad U = \frac{P}{I}

In der Potentialschreibweise auch:

U = \Delta \varphi = \; \varphi_2 - \varphi_1 \qquad \qquad im radialen Feld einer Punktladung gilt:\qquad \varphi = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}

Spannung in der Chemie

In der Chemie wird manchmal die freie Reaktionsenthalpie in Volt angegeben. Die vorgesehene Einheit hierfür wäre J/mol.

\mathrm{ \frac{J}{mol} = \frac{W \cdot s}{mol}= \frac{V \cdot A \cdot s}{mol} = \frac{V \cdot C}{mol} = F \cdot V }

Hierbei ist C Coulomb und F die Faraday-Konstante. Die Faraday-Konstante ist die Ladung eines Mols Elektronen und durch die Definition der SI-Einheiten unveränderlich festgelegt. Hieraus folgt, dass J/mol genauso wie V das gleiche bezeichnen.

Gefahrenhinweis

Hauptartikel 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)

Von etwa 50 Volt Wechselspannung an 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 (s. 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!), sodass ein Versagen eintritt. Bei Gleichstrom erfolgt dagegen eine Verkrampfung von Arm- bzw. Beinmuskulatur beim Berühren, die ein gewolltes Unterbrechen des Stromflusses verhindert.

Zu beachten ist auch, 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.

Begriffe der Wechselspannungstechnik

Effektivspannung

Die Effektivspannung ist die Spannung, die in einem ohmschen Widerstand die gleiche Leistung hervorruft wie eine Gleichspannung desselben Wertes (quadratischer Mittelwert). Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich bei sinusförmiger Wechselspannung mit der Scheitelspannung \hat U:

\qquad U_{\rm eff} = \frac{\hat U}{\sqrt{2}}

Bei Dreieckspannung:

\qquad U_{\rm eff} = \frac{\hat U}{\sqrt{3}}

Bei Rechteckspannung fällt die Wurzel ganz weg:

\qquad U_{\rm eff} = {\hat U}

Spitzenspannung

Die Spitzenspannung ist der Scheitelwert der Spannungsamplitude.

Bezeichnungen

Europäische Normen unterscheiden nach der Spannungshöhe drei Bereiche:

Spannungsbezeichnungen

Spannungsbezeichnungen die man in fast allen Schaltplänen und in Datenblättern findet sind beispielsweise die folgenden:

VCC VDD VSS VEE

Die Index-Buchstaben (oft tiefergestellt oder zumindest in kleinerer Schriftgröße dargestellt) D ,C , E und S entstanden dabei aus den Namen der Terminals (Anschlüsse) eines Transistors (beispielsweise MOSFET) nämlich: Drain, Collector, Emitter und Source.

Die doppelte Indizierung ist in den meisten Fällen ganz einfach eine Pluralbildung, d. h. quasi eine Verallgemeinerung. Es handelt sich also nicht um die Spannung an einem einzelnen bestimmten Pin des Bauteils, sondern z. B. VCC meinte ursprünglich die Kollektor-Spannungen an mehreren Bauteilen. Absolute Unterscheidungen dieser Spannungsbezeichnungen sind seit dem abwechselnden/gleichzeitigen Einsatz von TTL- (Transistor Transistor Logic) und CMOS-Logik verwischt worden.

Hier sind einige der gängigsten Bezeichnungen im Überblick:
VB = Spannung an der Basis
VBB = Verbindung der Bulks (Wannen) der MOSFETs, meistens -5 V, also NICHT die Spannung an den Basis-Pins mehrerer Transistoren!
VBAT = Batteriespannung
VBE = Spannung zwischen Basis und Emitter bei Bipolartransistoren
VC = ist die Spannung am Kollektor (Collector) eines bipolaren Transistors
VCC = Pluralbildung: Spannung an den Kollektoren, bei bipolaren ICs positive Versorgungsspannung
VCE = Spannung zwischen Kollektor und Emitter bei Bipolartransistoren
VCEsat = Spannung zwischen C und E im Sättigungszustand des Transistors
Vcore = die Spannungsversorgung für die „wichtigen“ Chips wie CPU oder GPU
VD = Spannung am Drain eines FETs
VDS = Spannung zwischen Drain und Source bei FETs
VDD = positive Versorgungsspannung von MOS Schaltkreisen (quasi die Stelle an der viele „Drains“ der NMOSFETs hängen)
VDDQ = Die Spannungsversorgung für Ausgangsbuffer eines Speicherchips
VE = Spannung am Emitter
VEE = Spannung an den Emittern, negative Versorgungsspannung z. B. bei ECL ICs
VG = Spannung am Gate
VGS = Spannung zwischen Gate und Source bei FETs
VIN = Eingangsspannung
VMEM = Die Spannungsversorgung für einen MEMory Chip/Speicherbaustein, manchmal auch: VDDR, VDIMM oder ähnlich
VOUT = Ausgangsspannung
VPP = Spannungsdifferenz zwischen positiver und negativer Spitzenspannung (Peak to Peak), aber auch Programmierspannung bei (E)EPROMs
VREF = Referenzspannung
VS = Spannung am Source
VSS = negative Versorgungsspannung von MOS-Schaltkreisen, oft identisch mit GND (siehe unten)
VTT = Verbindung der Abschlusswiderstände (Terminatoren)

Darüber hinaus gibt es noch allgemeinere Bezeichnungen für positive und negative Versorgungsspannungen, wie z. B.:
V+ = positive Versorgungsspannung (sagt nichts über die Spannungshöhe aus!)
V++ = positive Versorgungsspannung (sagt nichts über die Spannungshöhe aus!)
V- = negative Versorgungsspannung
V-- = negative Versorgungsspannung
GND = 0V, 0-Potenzial, Abkürzung für engl. „Ground“. Gegen dieses Potenzial wird die Spannung oder „Potenzialdifferenz“ gemessen. Das Spannungspotenzial positiver Spannungen ist höher als GND, negative Spannungen haben ein Spannungspotenzial das unterhalb von GND liegt. Umgangssprachlich wird GND oft fälschlicherweise als negative Versorgungsspannung bezeichnet. Eine angelegte (positive oder negative) Spannung fließt über die GND-Leitung zurück zur Spannungsquelle
CGND = negative Versorgungsspannung, meistens im Sinn von „Chassis-Ground“ - also normalerweise mit dem Gehäuse verbunden
SGND = negative Versorgungsspannung, meistens im Sinn von „Signal-Ground“ - oft für negative Spannungslevel in analogen Schaltungsteilen verwendet, z. B. Audio

Das Problem bei dieser Namensvergabe ist: Es handelt sich hierbei lediglich immer nur um Namen, keinesfalls um verbindliche Standards oder Normen. Bei der Vergabe solcher Namen im Schaltplandesign sollte man also stets große Sorgfalt walten lassen, und nur dann neue oder zusätzliche Namen einführen, wenn die betreffende Versorgungsspannung tatsächlich physikalisch von anderen in der Schaltung befindlichen Spannungen entkoppelt ist (beispielsweise über eine Drosselspule), und wenn sie an mehreren Bauteilepins Verwendung findet.

Siehe auch

Weblinks

wikt:
Wiktionary
 Wiktionary: Spannung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen
Wikipedia
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Von „http://kefk.org/wiki/Elektrische_Spannung“
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