Spannung messen

Die Spannung $U$ gibt an, wie viel Energie die Quelle jeder Ladungsportion mitgibt bzw. wie viel ein Bauteil ihr entnimmt. Anders als die Stromstärke wird sie zwischen zwei Punkten gemessen: Das Voltmeter greift außen ab, parallel zum Bauteil. An diesem Aufbau lernst du das Messen, untersuchst die Aufteilung der Spannung in einer Reihenschaltung und siehst auf dem Oszilloskop, was eine Wechselspannung von einer Gleichspannung unterscheidet.

Spannung und Stromstärke sind das Messgrößen-Paar der gesamten Elektrizitätslehre: Ohne saubere Spannungsmessung gibt es kein ohmsches Gesetz, keine Kennlinie und keine Leistungsbestimmung. Zugleich ist die Spannung die Größe, mit der unser Alltag beschriftet ist: Batterien ($1{,}5\ \mathrm{V}$), USB ($5\ \mathrm{V}$), Steckdose ($230\ \mathrm{V}$). Was diese Zahlen bedeuten, und dass die $230\ \mathrm{V}$ ein Effektivwert einer schwingenden Spannung sind, klärt dieses Experiment.

Die Einheit Volt erinnert an Alessandro Volta, dessen Säule (1800) die erste dauerhafte Spannungsquelle war. Dass unser Netz eine sinusförmige Wechselspannung führt, geht auf die Generatoren der Kraftwerke zurück: Eine rotierende Spule liefert von sich aus einen sinusförmigen Spannungsverlauf.

Baue eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen ($20\ \Omega$ und $30\ \Omega$) an $6{,}0\ \mathrm{V}$ Gleichspannung auf. Miss die Quellenspannung und beide Teilspannungen und prüfe, ob sich die Teilspannungen zur Quellenspannung addieren.

Was misst das Voltmeter eigentlich? Die Spannung zwischen zwei Punkten gibt an, wie viel Energie jede Ladungsportion zwischen diesen Punkten abgibt oder aufnimmt. Deshalb ist die Anschlussregel anders als beim Amperemeter: Nicht der Strom soll durchs Gerät, sondern das Gerät soll zwei Punkte vergleichen, also parallel ans Bauteil.

Die Erwartung: Die Ladungen bekommen ihre Energie einmal an der Quelle und geben sie unterwegs vollständig ab, an jedem Bauteil einen Teil. Wenn das stimmt, müssen sich die an den Bauteilen gemessenen Teilspannungen genau zur Quellenspannung addieren. Am größeren Widerstand sollte dabei der größere Anteil liegen, denn dort ist der Energieumsatz pro Ladung größer.

Grundbestand mit den beiden Festwiderständen. Festwiderstände sind hier günstiger als Lampen: Ihr Widerstand ist konstant, dadurch bleiben die Teilspannungen während der Messung stabil.

Schaltplan der Reihenschaltung mit drei eingezeichneten Voltmeter-Positionen (an der Quelle, an jedem Widerstand). Die drei Positionen dürfen nacheinander mit demselben Gerät gemessen werden; im Plan werden sie zur Übersicht alle eingezeichnet.

Grundaufbau: Netzgerät, Schalter und zwei in Reihe geschaltete Widerstände (alternativ zwei verschiedene Lampen). Das Voltmeter wird nacheinander parallel zur Quelle, zum ersten und zum zweiten Widerstand geschaltet. Für die Wechselspannungs-Zielsetzungen wird auf den Wechselausgang umgesteckt und zusätzlich das Oszilloskop parallel angeschlossen.

Schritt 1: Reihenschaltung aufbauen, Quelle auf $6{,}0\ \mathrm{V}$ einstellen, Schalter schließen.

Schritt 2: Voltmeter parallel zur Quelle anschließen und die Quellenspannung messen.

Schritt 3: Voltmeter parallel zum ersten Widerstand ($20\ \Omega$) anschließen und $U_1$ messen.

Schritt 4: Voltmeter parallel zum zweiten Widerstand ($30\ \Omega$) anschließen und $U_2$ messen. Alle Werte notieren.

Schritt 1: Summenprobe. Die Teilspannungen addieren sich:

Die Erwartung aus der Vorbetrachtung bestätigt sich: Die Quellenspannung teilt sich vollständig auf die Bauteile auf, nichts geht „verloren“ und nichts kommt hinzu.

Schritt 2: Verhältnis betrachten. Es fällt auf: $U_1 : U_2 = 2{,}4 : 3{,}6 = 2 : 3$, genau das Verhältnis der Widerstände $20 : 30$. Das ist plausibel, denn durch beide fließt derselbe Strom, und am größeren Widerstand setzt jede Ladungsportion mehr Energie um. Diese Beobachtung wird im Experiment „Spannungsteiler“ zum eigenen Werkzeug ausgebaut.

Die Spannung wird parallel gemessen und teilt sich in der Reihenschaltung im Verhältnis der Widerstände auf: $2{,}4\ \mathrm{V}$ und $3{,}6\ \mathrm{V}$ addieren sich zur Quellenspannung $6{,}0\ \mathrm{V}$.

Die Spannungsmessung ist robust; ihre Fehler stecken im Messgerät selbst und im Ablesen: