Elektrische Spannung

Materie ist von außen betrachtet ladungsneutral und besteht traditionell aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Im Normalfall ist die Zahl der positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen im Atomkern gleich, sodass es zum Ladungsausgleich kommt. Mit dem Einwirken verschiedener physikalischer Kräfte lassen sich Ladungen trennen oder innerhalb der Materie verschieben. Dabei entsteht ein Ort mit Elektronenüberschuss auch negativer Pol oder Kathode genannt. Am Gegenpol, der Anode, verbleiben gleich viele positive Ladungen. Sind beide Pole gegeneinander gut isoliert, kann der angestrebte Ladungsausgleich nicht stattfinden.

Zwischen den unterschiedlich geladenen Polen besteht die elektrische Feldkraft, die als elektrische Spannung bezeichnet wird. Zur Ladungstrennung muss Arbeit verrichtet werden. Spannung errechnet sich demnach aus der aufgewendeten Arbeit pro Ladungseinheit. In den Spannungserzeugern, den Generatoren, findet eine Umwandlung unterschiedlicher physikalischer Energieformen zur elektrischen Energie statt. Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist U. Die Maßeinheit ist das Volt mit dem Kurzzeichen V.

Bandgenerator – Ladungstrennung durch Reibungskraft – mechanische Energie.
Galvanische Elemente – Ladungstrennung durch chemische Reaktionen – chemische Energie.
Thermoelemente – Ladungstrennung durch Wärmeeinwirkung – thermische Energie.
Fotoelemente – Ladungstrennung durch Lichteinwirkung – Strahlungsenergie.
Induktionsgeneratoren – Ladungstrennung durch magnetische Felder.

Elektrische Spannung verglichen mit der Potenzialenergie der Mechanik

Eine Kraft F verrichtet im physikalischen Sinn die Arbeit W = F·s, wenn sie einen Körper in Richtung der Kraftwirkung um den Weg s bewegt. Die Maßeinheit ist das Newtonmeter Nm auch Joule J genannt. Die verrichtete Arbeit bleibt im Körper gespeichert und kann von ihm jederzeit wieder abgegeben werden. Die gespeicherte Arbeit wird Energie E genannt und kann an einem anderen physikalischen System Arbeit verrichten.

Speichert ein Körper Energie gegen die Kraft eines Feldes (Erdanziehungsfeld, elastische, magnetische oder elektrische Kraft), so erhält der Körper potenzielle Energie, auch Energie der Lage genannt. Potenzielle Energie ist daher eine gegen das Feld gerichtete Arbeit. Die folgende Gegenüberstellung gilt nur für das homogene Feldmodell und zeigt die enge Verbundenheit zwischen der Physik der Mechanik und der Elektrophysik. Die Gravitationsfeldstärke ist die mechanische Kraft, die auf eine Masse wirkt. Die elektrische Feldstärke ist die elektrische Kraft, die auf eine Ladung wirkt.

Die Gravitationsfeldstärke in der Dimension m·s⁻² ist als Fallbeschleunigung g bekannt. Je höher ein Massekörper gehoben wurde, desto größer ist die Aufschlaggeschwindigkeit nach dem Fall und damit die Energieabgabe am Auftreffpunkt. Entsprechend nimmt die Energie der elektrischen Feldstärke zu, je weiter die Ladungen voneinander getrennt wurden. Die daraus resultierende höhere Spannung kann mehr elektrische Arbeit verrichten. In den Darstellungen zum statischen elektrischen Feld, wo auch das elektrische Potenzial und die Potenzialdifferenz als Spannung beschrieben sind, gibt es weiterführende Erklärungen.