Motiv: Ein kleiner Ventilator steht auf einem Schreibtisch neben einem Solarpanel. Durch das Fenster fällt Sonnenlicht. Im Hintergrund sind Wolken zu sehen, die teilweise die Sonne verdecken.]
Der Sommer ist da. Draußen klettert das Thermometer nach oben, und auch dein Zimmer hat sich ordentlich aufgeheizt. Du sitzt am Schreibtisch und die Hitze macht dir zu schaffen.
Du stellst einen kleinen Ventilator auf und schließt ein Solarpanel an. Der Ventilator dreht sich munter. Doch dann ziehen Wolken auf. Das Sonnenlicht wird schwächer und der Ventilator langsamer.
Als die Sonne wieder hervorkommt, nimmt er erneut Fahrt auf. Was hat sich verändert?
1. Was steckt dahinter?
Das Solarpanel wandelt Sonnenlicht in elektrische Energie um, mit der der Ventilator betrieben wird. Wenn weniger Sonnenlicht auf das Panel fällt, kann es weniger elektrische Energie bereitstellen. Dadurch kann sich auch die Drehgeschwindigkeit des Ventilators verändern.
Um besser zu verstehen, was dabei passiert, schauen wir uns eine wichtige elektrische Größe genauer an: die elektrische Spannung.
2. Was bedeutet elektrische Spannung?
Batterien, Solarpanels und Netzteile können elektrische Spannung bereitstellen. Doch was bedeutet das eigentlich?
Stell dir eine Batterie vor. Sie besitzt zwei Anschlüsse. Zwischen diesen Anschlüssen besteht eine elektrische Spannung.
Die elektrische Spannung beschreibt einen Unterschied zwischen zwei Punkten. Bei einer Batterie betrachten wir dafür ihre beiden Anschlüsse. Zwischen ihnen besteht eine elektrische Spannung. Wie dieser Unterschied entsteht, schauen wir uns später genauer an.
Die elektrische Spannung ist eine wichtige Eigenschaft einer Energiequelle. Sie spielt eine entscheidende Rolle dabei, elektrische Energie an ein angeschlossenes Gerät übertragen zu können.
Wie wird Spannung angegeben?
Damit wir die Spannung einer Energiequelle eindeutig angeben können, gibt es eine feste Maßeinheit: Volt. Das Kurzzeichen dafür ist V.
Auf einer Batterie findest du beispielsweise die Angabe 1,5 V. Auf einem Netzteil kann beispielsweise 12 V stehen. Die Angaben informieren dich darüber, welche Spannung die jeweilige Energiequelle bereitstellt.
Die Einheit Volt wurde 1881 auf einem internationalen Elektrizitätskongress offiziell als Einheit für die elektrische Spannung festgelegt. Ihr Name erinnert an den italienischen Physiker Alessandro Volta, der um 1800 eine frühe Batterie entwickelte.
3. Warum ist die richtige Spannung wichtig?
Elektrische Geräte sind für bestimmte Spannungen ausgelegt. Deshalb ist es wichtig, auf die Angaben des Herstellers zu achten.
Eine kleine Lampe, die für 1,5 V vorgesehen ist, kann durch eine deutlich höhere Spannung beschädigt werden. Eine ungeeignete Spannung kann also dazu führen, dass ein Gerät nicht richtig funktioniert oder Schaden nimmt.
Die Spannungsangabe hilft uns dabei, eine geeignete Energiequelle für ein Gerät auszuwählen.
Ein Beispiel aus dem Alltag:
Eine Batterie, ein Netzteil und eine kleine Taschenlampe liegen nebeneinander. Auf Batterie und Netzteil sind gut lesbare Spannungsangaben zu sehen. Die Taschenlampe ist als typisches batteriebetriebenes Gerät erkennbar.]
Du möchtest eine kleine batteriebetriebene Taschenlampe verwenden. Auf der Lampe steht, welche Spannung die Batterie haben soll. Du solltest deshalb nicht einfach irgendeine Batterie einsetzen, sondern darauf achten, dass die Spannungsangabe zur Lampe passt.
Die Spannung ist also nicht nur eine Zahl auf einer Batterie. Sie hilft uns zu beurteilen, ob eine Energiequelle grundsätzlich für ein bestimmtes Gerät geeignet ist.
4. Wie entsteht elektrische Spannung?
Bisher haben wir erfahren, was Spannung ist, wo sie vorkommt und warum sie wichtig ist. Doch wie entsteht sie überhaupt?
Dazu müssen wir uns zunächst einige winzige Teilchen ansehen, aus denen die Dinge um uns herum bestehen.
Positive und negative Ladungen
Ob du eine Batterie, ein Kabel, eine Lampe oder deine eigene Hand betrachtest: Alles besteht aus winzigen Teilchen. Sie sind so klein, dass wir sie mit unseren Augen nicht sehen können.
Einige dieser Teilchen besitzen eine elektrische Ladung. Dabei gibt es positive und negative Ladungen.
Zwei wichtige Teilchen sind:
- Protonen: Sie tragen eine positive elektrische Ladung und befinden sich im Atomkern.
- Elektronen: Sie tragen eine negative elektrische Ladung und befinden sich in der Umgebung des Atomkerns.
In den meisten Materialien sind positive und negative Ladungen in einem bestimmten Verhältnis vorhanden. Für das Verständnis der Spannung ist wichtig, dass sich elektrische Ladungen unterschiedlich verteilen können.
Was passiert in einer Batterie?
In einer Batterie laufen chemische Vorgänge ab. Diese Vorgänge sorgen dafür, dass sich elektrische Ladungen an den beiden Anschlüssen unterschiedlich verteilen.
An einem Anschluss entsteht dabei ein Überschuss an Elektronen. Am anderen Anschluss herrscht ein Mangel an Elektronen. Dadurch entsteht zwischen den beiden Anschlüssen eine elektrische Spannung. Du kannst dir das zunächst so merken:
Die Spannung einer Batterie hängt damit zusammen, dass sich die elektrischen Ladungen an ihren beiden Anschlüssen unterschiedlich verteilen.
Die Batterie kann dadurch elektrische Energie an ein angeschlossenes Gerät abgeben. Wie sich die Elektronen dabei durch eine Leitung bewegen und wie elektrischer Strom entsteht, ist ein eigenes Thema, das wir später behandeln.
Was bedeutet „geladen“ oder „entladen“?
Im Alltag sprechen wir häufig davon, dass eine Batterie geladen oder leer ist.
Eine wiederaufladbare Batterie ist geladen, wenn sie noch genügend gespeicherte Energie besitzt, um elektrische Energie bereitzustellen. Beim Betrieb eines angeschlossenen Geräts wird Energie aus der Batterie entnommen.
Mit der Zeit kann die Batterie immer weniger Energie bereitstellen. Sie ist schließlich entladen und muss wieder aufgeladen werden, sofern sie dafür vorgesehen ist.
Wichtig ist dabei: Eine entladene Batterie hat nicht einfach ihre Elektronen verloren. Entscheidend ist, dass die chemischen Vorgänge in der Batterie nicht mehr ausreichend Energie für den vorgesehenen Betrieb bereitstellen können.
5. Das Wichtigste auf einen Blick
Stellen wir uns noch einmal eine Taschenlampe vor.
Du möchtest eine Batterie einsetzen und prüfst die Angaben auf der Verpackung und auf der Lampe. Dabei begegnet dir die elektrische Spannung.
Die wichtigsten Aussagen aus diesem Artikel sind:
- Elektrische Spannung ist eine wichtige elektrische Größe, die zwischen zwei Punkten angegeben wird.
- Bei einer Batterie hängt sie mit der unterschiedlichen Verteilung elektrischer Ladungen an ihren beiden Anschlüssen zusammen.
- Die Spannung wird in Volt (V) angegeben.
- Elektrische Geräte sind für bestimmte Spannungen ausgelegt. Deshalb müssen Energiequelle und Gerät zueinander passen.
- Eine entladene Batterie hat nicht einfach ihre Elektronen verloren. Sie kann nicht mehr genügend Energie für den vorgesehenen Betrieb bereitstellen.
Wenn du auf eine Spannungsangabe wie 1,5 V oder 12 V schaust, weißt du nun, dass es sich um eine Angabe zur elektrischen Spannung handelt.
6. Kannst du die Frage beantworten?
Du möchtest eine kleine Lampe mit einer Batterie betreiben. Auf der Lampe steht, dass sie für 1,5 V ausgelegt ist. Du findest eine andere Batterie, auf der 9 V angegeben sind.
Würdest du diese Batterie einfach einsetzen? Begründe deine Entscheidung.