Die Spannung steigt

Der Begriff, der heute im Mittelpunkt steht, ist wieder einmal einer, der in Alltag und Umgangssprache häufig auftaucht: Die Spannung. Man kann unter Spannung stehen oder gespannt sein wie ein Flitzebogen, etwas spannendes erleben,...
In einigen Fällen kommen die Ausdrücke eher aus dem Bereich der Mechanik, in der die Spannung eine rücktreibende Kraft eines elastischen Körpers ist. Streckt oder staucht man beispielsweise eine Feder, so wird sie gespannt, und diese Spannung wirkt als Kraft gegen die spannende Kraft.
Eine weitere Bedeutung erhält der Begriff der Spannung in der Elektrizitätslehre. Hier bezeichnet er die Potentialdifferenz zwischen zwei Orten. Und nun wird es etwas schwierig. Um ganz genau zu erklären was das bedeutet, müsst man hier einen etwas tieferen mathematischen Zusammenhang betrachten. Ich versuche deshalb stattdessen eine möglichst greifbare (wenn auch weniger exakte) Erklärung zu geben:
Die Spannung hat sowohl Eigenschaften von Energie als auch von Kraft. Man könnte sagen, die Spannung gibt das bestreben einer Ladung an, von einem Ort zum anderen zu gelangen. Bei hohen Spannungen ist dieses Bestreben sehr groß und Ladungen nehmen dafür auch Wege in kauf, die sie sonst nicht gehen würden, z.B. durch Luft (->Blitz). Sind die Spannungen niedrig, so ist das Bestreben der Ladungen einen Stromkreis zu durchlaufen, ebenfalls klein. So bleibt beispielsweise das Licht aus.
(Auch diesbezüglich werde ich mich später leicht korrigieren müssen, aber für den Augenblick belassen wir es bei diesem Modell).

Was ist ein Stromkreis?

Nun, das Wort sagt es schon ganz gut: Es ist der Weg, den der Strom durchläuft, wenn er von einem Pol der Stromquelle (auch Spannungsquelle genannt) zum anderen fließt.
Ein einfacher Stromkreis ist im Bild links dargestellt. Die zwei senkrechten Striche stellen die Spannungsquelle dar, der dicke schwarze Balken einen sogenannten Widerstand und der Kreis mit dem Kreuz symbolisiert eine Glühbirne. Der blaue Pfeil deutet an, dass der Strom den Kreis im Uhrzeigersinn durchläuft.



Auf der rechten Seite ist der Stromkreis auseinandergebogen und langgezogen dargestellt. Der blaue Pfeil gibt wieder die Stromrichtung an, also fließt der Strom von der Quelle durch den Widerstand, durch die Glühlampe und wieder zur Quelle.

Zusammen mit dem Diagramm über diesem abgewickelten Stromkreis will ich nun versuchen den Spannungsbegriff an diesem Beispiel zu erläutern. In dem Diagramm ist, wie man sagt, die Spannung gegen den Ort aufgetragen. Das bedeutet an jedem Ort (hier bezüglich des Stromkreises) ist ein Punkt gemacht worden, und zwar in der höhe, die der Spannung an diesem Ort entspricht. Wenn wir uns die Spannung nun als so etwas wie eine Energie vorstellen, liest sich das Diagramm so: Am Anfang haben die Ladungen viel Energie und wandern munter durch die Leitung. Dann stoßen sie auf (den) Widerstand (und deshalb heißt er so) und müssen einiges an Energie aufwenden um hindurchzukommen, die Energie sinkt. Dann geht es weiter durch die Leitung bis zur Glühlampe. Wir wissen ja, dass Licht Energie kostet, Energie, die natürlich von den Ladungen genommen wird wenn sie durch die Lampe gehen. Die Lampe ist für den Strom also auch ein Widerstand und die Ladungen verlieren wieder Energie. Und so erreichen die Ladungen wieder die Spannungsquelle und habe alle Energie, die sie vorher besessen haben, an den Stromkreis abgegeben.
Diese Argumentation kann man auch mit dem Kraftbegriff führen: Die Ladungen müssen immer eine Kraft aufwenden, wenn sie auf einen Widerstand stoßen, um ihn zu durchqueren. (An dieser Stelle bitte nicht den Falschen Schluss ziehen, dass Energie und Kraft das gleiche sind!)

Ziehen wir eine Parallele zum Alltag: Nehmen Sie sich nicht auch manchmal etwas vor und sind dann sehr bestrebt, das Vorhaben umzusetzen? Oft kommt es dann vor, dass man auf einen Widerstand stößt, und schon sinkt das Bestreben (die Spannung). Im physikalischen Zusammenhang spricht man deshalb auch von "Spannungsabfällen" (an Widerständen). Um Ihr Ziel zu erreichen, muss also Ihr bestreben mindestens so groß sein, dass es ausreicht um alle Widerstände zu überwinden.

In der Physik ist es da etwas einfacher, und das ist der Teil, weshalb ich mich später noch einmal korrigieren werden muss: Die Spannung ist immer genau so groß, dass alle Widerstände überwunden werden können. Nur, je größer und zahlreicher die Widerstände, um so weniger Ladungen können fließen. Dieser Zusammenhang, das Ohmsche Gesetz, wird uns aber erst später beschäftigen.

So viel also zur Spannung. Ich hoffe, Ihr bestreben war groß genug, und die Widerstände in Form von Text und Verständnis haben sie nicht aufhalten können. Wenn Sie noch Energie über haben, würde ich mich freuen, wenn Sie sie mit in den nächsten Post nehmen würden.