Spannungsquellen – elektrischer Strom für das alltägliche Leben!

Was sind Spannungsquellen und was ist eine elektrische Spannung?

In der Elektrotechnik wird ein aktiver Zweipol, das heisst ein Bauelement mit zwei Anschlüssen (Klemmen) als Spannungsquelle bezeichnet, wenn dadurch eine elektrische Spannung geliefert wird. Die Stromstärke hingegen ist hier in den meisten Fällen vernachlässigbar. Die elektrische Spannung der Elektrizitätslehre ist etwas komplett anderes als die Druck- oder Zugspannung in der Mechanik.

Werden zwei entgegengesetzte Ladungen Q zweier elektrisch geladener Körper im Abstand r entgegen der Coulombkraft verschoben, wird eine Verschiebungsarbeit W verrichtet. Diese Verschiebungsarbeit wird als potenzielle Energie im System gespeichert. Die Spannung U in Joule pro Coulomb beziehungsweise Volt ist die Potenzialdifferenz der potenziellen Energie zwischen beiden Abständen. Verschiebt man somit eine elektrische Elementarladung e gegen eine Spannung U von einem Volt ist dazu ein Energiebeitrag notwendig, das Elektronenvolt eV.

Was ist der Unterschied zwischen einer Spannungsquelle und einer Stromquelle?

Eine Stromquelle ist wie die Spannungsquelle ebenfalls ein aktiver Zweipol, mit dem Unterschied, dass an diesen Anschlüssen Strom geliefert wird. Im Gegensatz zur elektrischen Spannung ist der Strom ein Ladungsfluss frei beweglicher Elektronen, den Leitungselektronen, die vom negativen Pol der Klemme zum positiven Pol wandern. Die Stromstärke hängt an der Stromquelle genauso wenig von der Spannung ab wie umgekehrt. Sie ist im Idealfall unabhängig vom angeschlossenen Verbraucher. Unterschiedliche Stromquellen liefern:

• Gleichstrom
• Wechselstrom
• Drehstrom

Das Schaltzeichen für eine Stromquelle in einem Stromkreis ist ein Kreis mit durchzogener Mittellinie, wohingegen eine Spannungsquelle als gleichschenkliges U mit jeweils einem kleinen Kreis an jedem der Schenkel gekennzeichnet wird.

Welche Arten von Spannungsquellen gibt es?

In der Elektrik ist eine ideale Spannungsquelle unabhängig vom Strom und liefert entweder eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung. Beispiele für Spannungsquellen sind:

• galvanisches Element
• Batterie
• Solarzelle

Das galvanische Element, als erste künstliche Quelle elektrischer Energie, ist eine Gleichspannungsquelle, welche sich die unterschiedliche Löslichkeit verschiedener Materialien in einem Elektrolyten zunutze Macht. Eine Batterie mit einer Zelle, die nach diesem Prinzip arbeitet, liefert eine Gleichspannung von 1,5 Volt. In Reihe n geschaltete Zellen liefern somit eine Gleichspannung von n mal 1,5 Volt. Wechselspannungen werden hingegen mit einem Dynamo erzeugt und ändern sich periodisch mit der Zeit. Die Spannungsquelle kann zudem in ideale und reale Spannungsquellen unterteilt werden. Eine ideale Spannungsquelle liefert eine konstante Spannung unabhängig von Strom und Verbraucher. Reale Spannungsquellen sind hingegen ideale Spannungsquellen, die eine Leerlaufspannung liefern und vom Innenwiderstand beeinflusst werden.

Wieso haben Spannungsquellen einen Innenwiderstand?

Stoffe mit weniger oder mehr frei beweglichen Ladungsträgern werden als elektrische Leiter bezeichnet und von den Nichtleitern oder Isolatoren unterschieden. Der Leiter, der beim Anlegen einer Spannung dem Elektronenfluss einen Innenwiderstand aufgrund von Reibung entgegensetzt, ist abhängig von der Spannung, die ein Ladungsgefälle bewirkt. Die Spannung U in Volt ist direkt proportional zur Stromstärke I in Ampere sowie dem Widerstand in Ohm (V/A). Die unterschiedlichen Widerstände von Materialien hängen direkt mit deren spezifischer Leitfähigkeit zusammen. Der spezifische Widerstand beziehungsweise dessen reziproker Wert, die Leitfähigkeit, sind Materialkonstanten, die in Verbindung mit der Länge und dem Querschnitt des leitenden Materials den elektrischen Widerstand ergeben.

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Spannungsquelle und der Klemmenspannung?

Der Innenwiderstand ist ein Effekt, der bei allen Spannungsquellen und Leitungen auftritt. Soll der Spannungswert der Klemmenspannung weitestgehend der Quellenspannung entsprechen, muss der Innenwiderstand der Spannungsquelle so gering wie möglich sein. Sinkt der Widerstand der Spannungsquelle hingegen auf null, ist die Spannung gleich null und es entsteht ein elektrischer Kurzschlussstrom. Für den Ausgangswiderstand an der Spannungsquelle gibt es somit keinen einheitlichen Wert und er ist abhängig von:

• kleinen Laständerungen (differentieller Widerstand)
• schnellen Änderungen (dynamischer Innenwiderstand)

Der Maximalstrom der Klemmenspannung wird durch den statischen Innenwiderstand (Statik) ermittelt.

Wann entsteht ein Stromkreis?

Ein elektrischer Stromkreis entsteht durch die Reihen- oder Parallelschaltung elektrischer oder elektromechanischer Bauteile. Für eine elektrische Schaltung ist eine elektrische Energiequelle vonnöten, also ein Leistungserzeuger in Form einer Spannungsquelle oder einer Stromquelle. Ein einfacher Stromkreis besteht somit aus einem Erzeuger und einem Verbraucher, die über Leitungen miteinander gekoppelt sind. Dieser Stromkreis kann durch einen Schalter unterbrochen werden.

Welche Stromstärke besitzt die Spannungsquelle?

In allen Fächern und Klassenstufen lernt man: Damit in einem Stromkreis eine Spannung fliesst, muss eine elektrische Spannung, die Stromquelle, anliegen. In der Elektronik wird hingegen zwischen Spannungsquelle und Stromquelle unterschieden. Hier gilt:

1. Eine ideale Spannungsquelle liefert eine konstante Spannung, unabhängig vom Wert der Stromstärke.
2. Eine ideale Stromquelle liefert immer die gleiche Stromstärke. Die dafür notwendige Spannung wird von der Stromquelle automatisch geregelt.

Hierbei handelt es sich um idealisierte Modelltypen. Tatsächlich sinkt die Spannung bei Belastung mit höheren Stromstärken ab.