Es wird viel über die Spannung in Stromkreisen gesprochen, aber was ist diese elektrische Spannung eigentlich? Welche Arten und Quellen gibt es?
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Was ist Spannung als Größe in der Elektrizität?
Spannung ist einer der in der Physik und insbesondere in der Elektrizitätslehre verwendeten Begriffe und wird mit dem Symbol U gekennzeichnet. In der Physik wird sie als der Arbeitswert definiert, der erforderlich ist, um eine Ladungseinheit zwischen zwei Feldern in einem elektrischen Feld zu übertragen.
In der Elektrotechnik wird dieser Begriff mit der Differenz des elektrischen Potenzials zwischen zwei Punkten eines Stromkreises übersetzt.
Die Einheit zur Definition des Spannungswerts ist Volt, gekennzeichnet mit dem Symbol V. Spannung kann verschiedene Quellen haben. Sie wird meist von Batterien, Akkumulatoren und speziellen Generatoren erzeugt. Diese Elemente sind für die Erzeugung von Energie verantwortlich, die zum Bewegen von Ladungen in einem Stromkreis erforderlich ist.
Der Begriff Stromstärke wird oft in Verbindung mit Spannung verwendet. Beide Begriffe sind eng miteinander verwandt und beziehen sich auf die Messung von Ladungen. Der Unterschied besteht darin, dass die Spannung die Kraft misst, mit der Elektronen durch einen Stromkreis fließen, während die Stromstärke die Geschwindigkeit des Ladungsflusses innerhalb eines Stromkreises misst. Während die Spannung für die Energieversorgung eines Stromkreises zuständig ist, misst die Stromstärke die Strommenge, die durch Kabel und Leitungen fließt.
Spezielle elektrische Geräte dienen zur Messung von Spannung und Stromfluss und ermöglichen so die sichere Beurteilung von Schaltungselementen. In elektrischen Anlagen und Netzwerken ist die Einhaltung der Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Daher bietet die Kategorie Elektrotechnik neben Messgeräten auch Montageelemente an.
Grundspannungsarten: Gleich-, Wechsel- und Wechselspannung
In der Praxis gibt es mehrere Varianten elektrischer Spannungen. Dies sind Gleich-, Wechsel- und Wechselspannung. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften, hauptsächlich in der Art und Weise, wie sich der Spannungswert im Laufe der Zeit ändert, sowie in ihrer Anwendung.
Gleichstrom, kurz DC, zeichnet sich dadurch aus, dass er über die Zeit einen konstanten Spannungspegel beibehält. Elektrischer Strom fließt stets in die gleiche Richtung und ändert seine Polarität nicht. Als Spannungsquelle dienen hier unter anderem Batterien oder Akkumulatoren, aber auch Solarmodule oder Gleichstromnetzteile. Aufgrund der konstanten Spannung wird DC häufig in elektronischen Geräten, der Automobilindustrie oder LED-Beleuchtungssystemen eingesetzt.
Der zweite Typ ist Wechselspannung. In der Nomenklatur wird sie als AC bezeichnet. Sie unterscheidet sich von der vorherigen Variante dadurch, dass sich ihr Wert im Laufe der Zeit ändert. Die Tatsache, dass der Strom konstant in eine Richtung fließt, ändert sich jedoch nicht. In der Praxis wird Gleichspannung eher selten verwendet, hauptsächlich in Spezialsystemen. Sie wird beispielsweise in Wechselrichtern und Gleichrichtersystemen verwendet.
Eine weitere Variante ist die Wechselspannung. Wie die Wechselspannung wird sie mit dem Symbol AC gekennzeichnet. Sie unterscheidet sich von den vorherigen dadurch, dass sich nicht nur ihr Wert im Laufe der Zeit ändert, sondern auch die Flussrichtung. Richtungsänderungen erfolgen rhythmisch im Verhältnis zu Spannungsänderungen. Diese Art von Spannung wird beispielsweise von Wechselstromgeneratoren, Stromnetzen oder Kraftwerken erzeugt. Elektrische Wechselspannung ist weit verbreitet. Sie ermöglicht den Transport von Energie auch über große Entfernungen. Sie wird in Stromnetzen verwendet, die Haushalte und andere Einrichtungen über Installationskabel mit Strom versorgen.
Andere Arten elektrischer Spannungen in Schaltkreisen
Obwohl Gleich-, Wechsel- und Wechselspannung am häufigsten diskutiert werden, lassen sich in der Praxis auch andere Spannungsarten unterscheiden. Ein Beispiel hierfür ist die pulsierende Spannung. Charakteristisch ist ihre periodische Änderung, die Polarität jedoch konstant. Pulsierende Spannung ist eine Variante der Wechselspannung. Ihr Wert kann zwischen 0 und dem Maximalwert des Systems liegen. Quelle dieser Spannungsart sind Stromrichter oder Gleichrichtersysteme.
Ein weiteres Beispiel ist Dreiphasenspannung. Dies ist eine Variante von Wechselspannung und zeichnet sich dadurch aus, dass es drei sinusförmige Spannungen mit der gleichen Frequenz gibt, die jeweils um 120° zueinander verschoben sind. Dieser besondere Spannungstyp wird verwendet, wenn die Stromquelle große Maschinen oder Industrieanlagen sowie Stromnetze versorgen muss, in denen einzelne Schaltkreiselemente für die Übertragung hoher Leistungen zuständig sind.
Bei der Analyse der aktuellen Spannungswerte lässt sich ein weiterer Typ feststellen – die Oberschwingungsspannung. Es handelt sich um eine Wechselspannungsstörung mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der Netzgrundfrequenz beträgt. Ursache sind elektronische Geräte und Elektromotoren. Oberschwingungsspannung beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit des Netzes sowie der darin betriebenen Geräte und führt zu schwerwiegenden Störungen im ordnungsgemäßen Betrieb von Empfängern und Stromnetzen.