Welcher zusammenhang besteht zwischen spannung und stromstärke

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die Stromstärke I in einem Leiter und die Spannung U zwischen den Enden des Leiters direkt proportional sind. Die Formel URI ist eine mathematische Darstellung dieses Gesetzes.

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes lassen sich die drei Grundgrößen eines Stromkreises berechnen, wenn mindestens zwei davon bekannt sind. Die drei Grundgrößen sind Spannung, Strom und der Widerstand.

Der Physiker Georg Simon Ohm hat den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand festgestellt und nachgewiesen. Nach ihm wurde das Ohmsche Gesetz benannt.

Ohne Verständnis des Ohmschen Gesetzes ist das Verständnis von Elektrotechnik und Elektronik kaum möglich.

Wichtiger Hinweis für Elektronik-Einsteiger

Normale Widerstände sind linear. Halbleiter nicht.

Es ist wichtig zu verstehen, dass das Ohmsche Gesetz nur für ohmsche Widerstände gilt. Dazu zählen normale Widerstände und Bauelemente, die einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom aufweisen. Der Widerstand einer Diode oder einer Lampe kann nicht mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden, da Strom und Spannung an diesen Bauelementen keinen linearen Zusammenhang aufweisen. Normale Widerstände haben im Rahmen ihrer Grenzwerte, unabhängig von Spannung und Strom, immer den gleichen Wert. Nur dieser Widerstandswert kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden.

Nachweis des Ohmschen Gesetzes

Legt man einen Widerstand R an eine Spannung U und bildet einen geschlossenen Stromkreis, so fließt durch den Widerstand R ein bestimmter Strom I. Die folgenden Messungen zeigen den linearen Zusammenhang auf, der in der anschließenden Strom-Spannungs-Kennlinie dargestellt wird.
Die ermittelten Werte gelden für eine Messung an einem Widerstand. Bei einer zusammenhängenden Schaltung mit mehreren unterschiedlichen Bauelementen müssen weitere Gesetzmäßigkeiten berücksichtigt werden.

Hinweis: Strom- und Spannungsmessgerät haben jeweils einen Innenwiderstand, der das Messergebnis beeinflusst. Um Messfehler auszuschließen macht es Sinn Strom und Spannung getrennt voneinander zu messen.

Messung 1

In einer Messschaltung wird bei gleichbleibendem Widerstand (100 Ω) die Spannung von 5 V auf 10 V und 15 V erhöht. Wie verhält sich der Strom?

Erkenntnis: Bei gleichbleibendem Widerstand R und bei gleichmäßiger Erhöhung der Spannung U, steigt der Strom I mit der Spannung U. Der Strom steigt proportional zur Spannung. Das bedeutet, eine doppelt so große Spannung führt zu einem doppelt so großen Strom. Oder anders herum, eine Halbierung der Spannung verringert auch den Strom um die Hälfte.

Messung 2

In einer Messschaltung wird bei gleichbleibender Spannung (5 Volt) der Widerstand von 50 Ohm auf 100 Ohm und 150 Ohm erhöht. Wie verhält sich der Strom?

Erkenntnis: Bei gleichbleibender Spannung U und bei gleichmäßiger Erhöhung des Widerstandes R, verringert sich der Strom I um 1/R. Das bedeutet, ein doppelt so großer Widerstand führt zu einer Halbierung des Stroms. Oder anders herum, eine Halbierung eines Widerstands führt zu einem doppelt so großen Strom.

Strom-Spannungs-Kennlinie / Widerstandskennlinie

Trägt man Spannungen und Ströme eines dazugehörigen Widerstandes in ein Diagramm ein und verbindet die Punkte miteinander, dann bildet sich eine gerade Linie (Gerade). Je steiler die Gerade, desto kleiner ist der Widerstand.

Formeln des Ohmschen Gesetzes

Das Ohmsche Gesetz kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom, Spannung und Widerstand. Voraussetzung ist, das jeweils zwei der Grundgrößen bekannt sind.

	Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den Widerstand R ein Strom I.
	Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die Spannung U berechnet werden.
	Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine Spannung U an.

Praxis-Tipp: Das Magische Dreieck

Das magische Dreieck kann als Hilfestellung verwendet werden um die verschiedenen Formeln des Ohmschen Gesetzes zu ermitteln. Der Wert, der berechnet werden soll, wird herausgestrichen. Mit den beiden übrigen Werten wird das Ergebnis ausgerechnet.

Damit man sich die Reihenfolge der Werte merken kann, prägt man sich das Wort URI ein. Wobei U über R und I steht.

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Über die elektrische Spannung können folgende Aussagen gemacht werden:

• Die elektrische Spannung ist der Druck oder die Kraft auf freie Elektronen.
• Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stroms.
• Die elektrische Spannung (Druck) entsteht durch den Ladungsunterschied zweier Punkte oder Pole.

Die elektrische Spannung an Spannungsquellen bzw. Leistungserzeugern:

Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Die elektrische Spannung U gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um diesen Unterschied der Elektronenmenge zu erreichen. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom.

Die elektrische Spannung in elektronischen Schaltungen:

Der Begriff der Spannung findet in einer Schaltung in verschiedenen Formen Anwendung. Bei den Spannungserzeugern (Spannungsquelle oder Netzspannung) in Form eines Generators oder Netzgeräts, welche die Spannung Uges oder UBat bereitstellen. Man nennt diese Spannung auch Quellenspannung Uq oder Urspannung. Diese Spannung teilt sich an den Verbrauchern im Stromkreis auf (Reihenschaltung). Die Teilspannungen werden als Spannungsabfall bezeichnet, die aber nichts mit Müll oder Dreck zu tun haben. Man meint damit das Abfallen (Reduzieren) der Quellenspannung am Verbraucher.

Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Die elektrische Spannung U gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um diesen Unterschied der Elektronenmenge zu erreichen. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom.

Maßeinheit

... 1.000.000 V = 1 MV (Megavolt) 100.000 V = 100 kV (Kilovolt) 10.000 V = 10 kV (Kilovolt) 1.000 V = 1 kV (Kilovolt) 100 V (Volt) 10 V (Volt) 1 V (Volt) 0,1 V = 100 mV (Millivolt) 0,01 V = 10 mV (Millivolt) 0,001 V = 1 mV (Millivolt) 0,0001 V = 100 µV (Mikrovolt)

...

Die gesetzliche Grundeinheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt (V). Normalerweise liegen die Spannungswerte in der Elektronik zwischen einigen Millivolt und mehreren hundert Volt. In der Hochspannungstechnik wird mit Kilovolt (kV) und Megavolt (MV) gearbeitet.

Formelzeichen

Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist das große "U". In der englischsprachigen Literatur wird für die elektrische Spannung (voltage) das Formelzeichen "V" benutzt. So findet man in der Schaltungstechnik häufig Spannungsbezeichnungen, wie VOUT (Ausgangsspannung), VBAT (Batteriespannung) und andere. Sowohl das Formelzeichen als auch die Einheit sind beides V.
Davon abweichend gibt es verschiedene Schreibweisen in Groß- und Kleinschreibung mit zusätzlichen Kennzeichen, die eine bestimmte Bedeutung haben. Während für Gleichspannungsgrößen generell das große "U" als Formelzeichen verwendet wird, wird für Wechselspannungsgrößen oft auch das kleine "u" als Formelzeichen verwendet. Eine Zahl oder Buchstaben als Index kennzeichnen in einer Schaltung eine bestimmte Spannung.

U : Elektrische Spannung u : Augenblickswert einer Wechselspannung û : Scheitelwert einer Wechselspannung

VCC : Betriebsspannung einer Schaltung

Wie es zum deutschen Formelzeichen U gekommen ist, ist unbekannt. Es gibt allerdings viele verschiedene Erklärungen dazu. Eine Erklärung besagt, dass das deutsche Formelzeichen U vom Lateinischen "urgere" (drängen, treiben, drücken) abgeleitet ist.

Spannungsarten

Im Zusammenhang mit der Einheit V (Volt) kommen häufig die Kürzel "AC" und "DC" vor.

• Die Abkürzung "AC" steht für "alternating current" (Englisch) und bedeutet auf Deutsch "wechselnder Strom".
• Die Abkürzung "DC" steht für "direct current" (Englisch) und bedeutet auf Deutsch "Gleichstrom".

Warum kennzeichnet man eine Spannung mit einem Strom? Wechselspannung deutet immer daraufhin, dass wir es mit Wechselstrom zu tun haben. Desweiteren tritt Strom immer mit Spannung zusammen auf. Wenn irgendwo Strom fließt, dann liegt da auch eine Spannung an.

Formeln zur Berechnung

Potential und Spannungsrichtung

Das Potential phi eines Punktes ist gleich der Spannung dieses Punkts gegenüber dem Bezugspunkt 0 V. Der Bezugspunkt wird auch als Masse bezeichnet. Die Angabe oder Messung eines Potentials bezieht sich immer auf den Bezugspunkt. Bei der Messung eines positiven Werts, ist das Potential positiver als der Bezugspunkt. Das Vorzeichen ist Plus. Bei der Messung eines negativen Werts, ist das Potential negativer als der Bezugspunkt. Das Vorzeichen ist Minus. Die Spannung hat eine bestimmte Wirkrichtung. In einer Schaltung wird diese Richtung durch einen Pfeil angezeigt. Grundsätzlich zeigt der Spannungspfeil von Plus nach Minus oder von einen höheren Spannungswert (Potential) zum niedrigeren Spannungswert (Potential).

In einer Schaltung wird der Spannungspfeil einer Spannungsquelle vom Plus- zum Minuspol gerichtet. Der Spannungspfeil eines Spannungsabfalls (Teilspannung) an einem Verbraucher (z. B. Widerstand) zeigt in Richtung der technischen Stromrichtung, weil der Strom immer vom höheren Potential zum niedrigeren Potential fließt.

Messen der elektrischen Spannung

• Die Messung erfolgt in der Regel mit einem digitalen Vielfachmessgerät (Multimeter).
• Das Spannungsmessgerät wird immer parallel zur Spannungsquelle oder zum Bauelemente angeschlossen.
• Im Gegensatz zum Strom kann man das Spannungsmessgerät im laufenden Betrieb an- und abklemmen.
• Spannungsmessung
• Spannungsprüfer

Spannungserzeugung

Spannung in der Elektronik

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