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7. Die elektrische Spannung

Der Begriff der elektrischen Spannung

Der Begriff der elektrischen Spannung ist sehr schwierig und geht weit über das hinaus, was Grundschulkindern angeboten werden sollte. Insbesondere eine akzeptable Abgrenzung von dem Begriff der Stromstärke gelingt selbst in der Mittelstufe selten. Schließen wir das gleiche Lämpchen an verschiedene Batterien an, dann leuchtet es im Allgemeinen unterschiedlich hell, d.h. es fließen verschieden starke Ströme durch das Lämpchen. Da jedes Mal das gleiche Lämpchen benutzt wurde, muss der verschieden starke Strom von einer den Batterien zuzuschreibenden Eigenschaft herrühren. Diese unterschiedliche „Stärke“ der Batterien wird elektrische Spannung genannt (und in Volt angegeben).

Eine Batterie mit einer hohen Spannung zwischen ihren Anschlüssen treibt durch ein bestimmtes Lämpchen einen höheren Strom als eine Batterie mit geringerer Spannung. Etwas später werden Analogien angegeben, die helfen können um einen angemessenen Spannungsbegriff zu entwickeln.

Das Konzept der „Ersatzbatterie“

Für die folgenden Überlegungen bezüglich der Spannung in Schaltungen mit mehreren Batterien bzw. Geräten ist die Vorstellung einer Ersatzbatterie als Zusammenfassung mehrerer Elemente nützlich. Jedes Paar von Anschlüssen, zwischen denen ein elektrischer Strom fließt wenn sie über ein elektrisches Gerät miteinander verbunden sind, kann (in gewissen Grenzen) als Klemmenpaar einer Batterie aufgefasst werden:

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Abb. 10: a und b können als Anschlüssen einer Batterie aufgefasst werden, zwischen denen eine Spannung anliegt, die Elektrizität durch das Lämpchen 2 treibt.

Regeln für die Spannung bei Parallel- und Reihenschaltungen

a) Reihenschaltung von Batterien

Die Spannungen zweier Batterien addieren sich, wenn sie hintereinander geschaltet werden („in der Mitte“ wird ein Pluspol der einen Batterie mit einem Minuspol der zweiten verbunden oder umgekehrt). Durch dieses Hintereinanderschalten erhalten wir eine stärkere Batterie, und zwar eine Batterie mit der Spannung UBa = UBa1 + UBa2.

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Abb. 11: Bei „richtiger“ Hintereinanderschaltung zweier Batterien addieren sich die Spannungen.

Schalten wir z.B. in der beschriebenen Weise 51 4,5-Volt-Flachbatterien hintereinander, dann haben wir eine Spannung von etwa 230 Volt und können eine übliche Deckenglühlampe normal leuchten lassen.

Als nächstes wenden wir uns der Frage zu, mit welchen Spannungen die Lämpchen in Reihen- und Parallelschaltungen betrieben werden? Oder mit anderen Worten: An Batterien welcher Stärke sind sie ersatzweise anzuschließen, damit sie so hell leuchten wie sie es in der Parallel- bzw. Reihenschaltung tun?

b) Parallel geschaltete Lämpchen:

Ein Lämpchen sei „passend“ angeschlossen an eine Batterie der richtigen Spannung. Dann leuchtet es „normal“ hell. Ein zweites Lämpchen gleicher Sorte wird parallel zum ersten an die Batterie angeschlossen. Wir beobachten, dass die Helligkeit des ersten Lämpchens praktisch ungeändert bleibt. D.h. durch das erste Lämpchen fließt der gleiche Strom wie vor der Zuschaltung des zweiten. Das bedeutet, dass an den Anschlüssen des ersten Lämpchens noch immer die Spannung anliegt, mit der es allein betrieben wurde.

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Abb. 12: Beide Lämpchen leuchten gleich hell und zwar so, wie L1 vor dem Zuschalten von L2.

Da das zweite Lämpchen (es ist von der gleichen Sorte, wie das erste) genauso hell wie das erste leuchtet, fließt durch das zweite Lämpchen ein Strom gleicher Stärke wie durch das erste, und damit ist es auch an die gleiche Spannung angeschlossen.

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Abb. 13: Werden zwei Elektrogeräte „parallel“ an eine Batterie angeschlossen, dann liegt über den Anschlüssen beider Geräte die gleiche Spannung, in diesem Fall die Batteriespannung UBa. Symbolisch: U2 = U1 = UBa.

 

c) In Reihe geschaltete Lämpchen:

Zu einem „normal“ leuchtenden Lämpchen wird ein zweites (der gleichen Sorte) in Reihe dazu geschaltet.

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Abb. 14: Reihenschaltung zweier Lämpchen.

Jetzt leuchten beide Lämpchen weniger hell als das erste allein, d.h. es fließt ein kleinerer Strom durch den Stromkreis. Das erste Lämpchen (und natürlich auch das zweite) ist nach der Zuschaltung an eine schwächere Ersatzbatterie angeschlossen: An den Lämpchenanschlüssen liegt jeweils eine Spannung, die kleiner als die Batteriespannung UBa ist. Zwischen der Spannung der Batterie UBa und den beiden Spannungen U1 und U2, mit denen die beiden Lämpchen betrieben werden, besteht ein einfacher Zusammenhang: Bei der Reihenschaltung zweier Lämpchen teilt sich die Batteriespannung über den beiden Lämpchen gemäß der Beziehung U1 + U2 = UB auf.

Die Aufteilung der Batteriespannung erfolgt bei einer Reihenschaltung genau so, dass im gesamten Stromkreis an jeder Stelle die gleiche Stromstärke vorliegt.

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