Messung der elektrischen Spannung einfach erklärt: So geht's

Stell dir vor, deine Taschenlampe bleibt dunkel, obwohl du sie einschaltest. Ist die Glühbirne kaputt oder ist einfach die Batterie leer? Um das herauszufinden, können wir nicht einfach in das Kabel hineinschauen.

Wir brauchen ein Werkzeug, das uns sagt, wie viel elektrischer „Druck“ noch vorhanden ist. In diesem Artikel lernst du alles über die Messung der elektrischen Spannung und wie man ein Voltmeter richtig benutzt, um die Spannung in einem Stromkreis zu messen, ohne dabei den Stromfluss zu stören!

Schnellantwort

Die Messung der elektrischen Spannung erfolgt mit einem Voltmeter (Spannungsmessgerät). Da die Spannung einen Potenzialunterschied (wie einen Höhenunterschied) beschreibt, wird das Messgerät immer parallel zum jeweiligen Bauteil angeschlossen. Der Stromkreis muss dafür nicht unterbrochen werden.

Vorwissen

• Elektrische Spannung ($U$): Beschreibt den Antrieb oder „Druck“ des Stroms. Man kann sie sich wie einen Höhenunterschied in einer Landschaft vorstellen. Die Einheit ist Volt ($\text{V}$).

  Beispiel: Eine normale Haushaltsbatterie hat eine Spannung von $1.5 \text{ V}$.

• Strommessung (Amperemeter): Um zu messen, wie viel Strom fließt, muss das Messgerät direkt in den Weg des Stroms eingebaut werden (Reihenschaltung). Der Stromkreis muss dafür aufgetrennt werden.

  Beispiel: Das Wasser eines Flusses muss durch ein Wasserrad fließen, damit man die Wassermenge messen kann.

Aufgabentyp 1: Verwendung eines Voltmeters

Um die elektrische Spannung zu messen, benutzen wir ein Voltmeter (auch Spannungsmessgerät genannt). Da die Spannung wie ein Höhenunterschied ist, müssen wir immer zwischen zwei verschiedenen Punkten messen. Wenn du wissen willst, wie hoch ein Berg ist, misst du ja auch den Unterschied zwischen dem Tal und dem Gipfel.

Deshalb wird ein Voltmeter immer parallel zu dem Bauteil (zum Beispiel einer Lampe oder einer Batterie) angeschlossen.

Das bedeutet: Du musst den Stromkreis nicht unterbrechen! Die Lampe leuchtet ganz normal weiter. Du tippst mit den zwei Kabeln des Voltmeters einfach nur links und rechts an die Anschlüsse des Bauteils.

Was passiert, wenn wir an einem einfachen Kabel messen?

Stell dir vor, du misst den Höhenunterschied zwischen zwei Punkten auf einem völlig flachen Fußboden. Der Unterschied ist null. Genau so verhält es sich im Stromkreis: Ein einfaches, durchgehendes Verbindungskabel hat überall das gleiche elektrische Potenzial (die gleiche „Höhe“). Wenn du das Voltmeter an zwei Stellen desselben Kabels anschließt, ohne dass ein Bauteil dazwischen liegt, zeigt das Gerät immer $0 \text{ V}$ an. Es gibt dort keinen elektrischen „Gefälle“.

Spannung im Stromkreis messen

Ziel: Wir wollen beweisen, wo in einem Stromkreis eine Spannung (ein Potenzialunterschied) messbar ist und wo nicht.

Materialien: Eine $4.5 \text{ V}$ Batterie, eine kleine Glühlampe, Verbindungskabel, ein Voltmeter.

Durchführung:

1. Baue einen einfachen Stromkreis: Verbinde die Batterie über die Kabel mit der Glühlampe, sodass sie leuchtet.
2. Halte die zwei Prüfspitzen des Voltmeters direkt an den Plus- und Minuspol der Batterie.
3. Halte die Prüfspitzen nun links und rechts an die Anschlüsse der leuchtenden Glühlampe.
4. Halte zum Schluss beide Prüfspitzen an zwei verschiedene Stellen desselben Verbindungskabels (zwischen Batterie und Lampe).

Beobachtung:

An der Batterie misst du etwa $4.5 \text{ V}$. An der Glühlampe misst du ebenfalls fast $4.5 \text{ V}$. Wenn du jedoch beide Spitzen an dasselbe Kabel hältst, zeigt das Voltmeter exakt $0 \text{ V}$ an.

Erklärung:

Die Batterie erzeugt den elektrischen „Höhenunterschied“ ($4.5 \text{ V}$). An der Glühlampe wird diese Energie genutzt, der Strom „fällt“ hier sozusagen wieder nach unten, daher messen wir auch hier einen Unterschied. Das einfache Kabel hingegen ist wie eine flache Ebene: Es gibt keinen Unterschied zwischen zwei Punkten auf dem Kabel, daher misst das Voltmeter $0 \text{ V}$.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Stromkreis geschlossen lassen: Überprüfe, ob der Hauptstromkreis komplett verbunden ist und funktioniert (z.B. die Lampe leuchtet). Trenne keine Kabel auf!
2. Messpunkte bestimmen: Entscheide, an welchem Bauteil (Batterie, Widerstand, Lampe) du die Spannung messen möchtest. Finde die zwei Anschlüsse dieses Bauteils.
3. Parallel anschließen: Verbinde das eine Kabel des Voltmeters mit dem Anschluss vor dem Bauteil und das andere Kabel mit dem Anschluss hinter dem Bauteil. Das Voltmeter bildet nun eine eigene, kleine Abzweigung (Parallelschaltung).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Ein Voltmeter misst den elektrischen „Höhenunterschied“ (die Spannung) zwischen zwei Punkten.
• Es wird immer parallel zum Bauteil oder zur Batterie angeschlossen.
• Der Hauptstromkreis darf für die Spannungsmessung nicht unterbrochen werden.
• Misst man an zwei Stellen desselben, einfachen Kabels, zeigt das Voltmeter immer $0 \text{ V}$ an, da kein Potenzialunterschied besteht.