Was ist ein Spannungsabfall in einem Stromkreis?

In dieser häufig gestellten technischen Frage geben wir eine kurze begriffliche Erklärung des Spannungsabfalls und erörtern die Polarität von Spannungen, die an Widerständen, Kondensatoren und Induktoren abfallen.

Spannung, Arbeit und Stromfluss

Eine Batterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um und erzeugt eine Spannung – d. h. einen Unterschied im elektrischen Potenzial – an ihren beiden Anschlüssen. Ein Widerstand ist ein Bauteil, das dem elektrischen Strom einen bestimmten Widerstand entgegensetzt. Wenn wir die beiden Pole eines Widerstands mit den beiden Polen einer Batterie verbinden, bewegen sich Ladungsträger durch den Stromkreis, was wir als elektrischen Strom bezeichnen.

Spannung bedeutet die Fähigkeit, Ladung von einem Punkt zu einem anderen zu transportieren. Eine 5-Volt-Batterie kann zum Beispiel 5 Joule Arbeit pro Coulomb Ladung verrichten. Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, können wir die Arbeit (pro Ladungseinheit) messen, die erforderlich ist, um den Strom durch den Widerstand fließen zu lassen.

Das ist das Wesen des Spannungsabfalls: Eine Batterie (oder Spannungsquelle) liefert Energie, um die Arbeit der Ladungsbewegung zu verrichten. Wenn Strom fließt, verbrauchen Bauteile wie Widerstände Energie, und die Arbeit pro Ladungseinheit, die mit dem durch ein bestimmtes Bauteil fließenden Strom verbunden ist, ist der Spannungsabfall des Bauteils.

Der Spannungsabfall eines Bauteils macht einen Teil der von der Batterie erzeugten Spannung aus. Mit anderen Worten, die von der Batterie geleistete Arbeit wird auf die Komponenten im Stromkreis aufgeteilt.

Intuitiv können wir erkennen, dass das Treiben einer bestimmten Strommenge durch mehr Widerstand mehr Arbeit erfordert. Wenn also zwei Widerstände in Reihe geschaltet sind (was bedeutet, dass sie den gleichen Stromfluss haben), hat der Widerstand mit dem größeren Widerstand einen größeren Spannungsabfall. Dies ist die Grundlage für die Funktionsweise der Spannungsteilerschaltung.

Polarität der Spannungsabfälle

Ein Widerstand funktioniert immer als Last, d. h. als ein Bauteil, das Energie verbraucht. Nimmt man das herkömmliche Stromflussmodell an, bei dem der Strom von einer höheren zu einer niedrigeren Spannung fließt, so ist der Spannungsabfall über einem Widerstand dort positiv, wo der Strom in den Widerstand eintritt, und negativ, wo der Strom aus dem Widerstand austritt:

Ein Stromflussmodell, das zeigt, dass der Spannungsabfall dort positiv ist, wo der Strom in den Widerstand eintritt, und negativ, wo er austritt.

Diese Polarität ist der Quellenspannung „entgegengesetzt“: Wenn wir eine Batterie mit der gleichen Polarität anschließen würden, würde der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließen (oder er würde der Quellenspannung entgegenwirken, je nachdem, wie man darüber denkt).

Kondensatoren und Induktoren speichern Energie und können daher entweder als Last oder als Quelle funktionieren. Wenn sie als Last fungieren, haben sie die gleiche Polarität des Spannungsabfalls wie ein Widerstand.

Wenn sie als Last fungieren, haben Kondensatoren und Induktivitäten die gleiche Polarität des Spannungsabfalls wie ein Widerstand.

Die Polarität des Spannungsabfalls eines Kondensators ändert sich nicht, wenn er zu entladen beginnt. Obwohl er als Quelle fungiert, erzeugt er einen Strom, der der Richtung des Ladestroms entgegengesetzt ist.

Wenn sich jedoch eine Induktivität entlädt, versucht sie, den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Dadurch ändert sich die Polarität des Spannungsabfalls der Induktivität, weil sie einen Strom erzeugt, dessen Richtung mit der des von der Quelle erzeugten Ladestroms übereinstimmt.