Stromspannung, Stromstärke – was sind die Unterschiede?

Was ist elektrische Spannung (U)?

Elektrische Spannung beschreibt den Druck, mit dem der elektrische Strom fließt. Je höher die Spannung, desto stärker ist der Antrieb der Elektronen im Stromkreis.

Man kann sich das wie einen Wasserkreislauf vorstellen. Hier sorgt eine Pumpe für den nötigen Druck, damit das Wasser durch die Leitungen fließt. Beim Stromkreis übernimmt die Spannungsquelle, z.B. eine Batterie, diese Pumpen-Funktion. Sie erzeugt das elektrische Feld, das die Elektronen in Bewegung setzt.

Ohne Spannung fließt kein Strom. Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt. Übliche Spannungen im Haushalt sind 230 Volt (in Europa) oder 120 Volt (in den USA).

Einheit Volt

Die elektrische Spannung wird in der Einheit Volt (Abkürzung V) angegeben. Volt ist das Maß für die elektrische Spannung oder elektrische Potentialdifferenz.

Je höher die Spannung ist, desto stärker ist der Druck, mit dem der elektrische Strom fließt. Eine Spannung von 1 Volt bedeutet, dass eine Energie von 1 Joule benötigt wird, um eine Ladung von 1 Coulomb zu bewegen.

Volt ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt, der die erste Batterie erfand. Ohne Volt als Maßeinheit wäre es nicht möglich, die Spannung in elektrischen Geräten und Stromkreisen zu beschreiben.

Typische Spannungen

In Europa beträgt die Netzspannung in der Regel 230 Volt. Dies wird auch als Niederspannung bezeichnet. In Haushalten und Büros kommt diese Standardspannung von 230 Volt zum Einsatz. Sie ist niedrig genug, um für Menschen ungefährlich zu sein, aber hoch genug, um elektrische Geräte wie Lampen, Computer oder Haushaltsgeräte zu betreiben.

Die Steckdosen in europäischen Ländern sind auf 230 Volt ausgelegt. Daher können elektrische Geräte problemlos in verschiedenen Ländern eingesetzt werden. Andere Regionen der Welt verwenden teilweise abweichende Standardspannungen zwischen 100 und 240 Volt.

In der Industrie und für die öffentliche Versorgung kommen neben der Niederspannung auch höhere Spannungsebenen zum Einsatz. Diese Hochspannungen ermöglichen eine effiziente Verteilung über weite Strecken. Für den Endverbraucher wird die Spannung dann auf die 230 Volt der Steckdosen reduziert.

Hochspannung

In Hochspannungsnetzen, also den Übertragungsnetzen für elektrischen Strom, herrschen extrem hohe Spannungen. Während in Haushalten üblicherweise 230 Volt verwendet werden, liegt die Spannung in Hochspannungsleitungen bei bis zu 380.000 Volt.

Diese enorme Spannung ist notwendig, um den Strom über weite Strecken effizient transportieren zu können. Durch die hohe Spannung können die Übertragungsverluste gering gehalten werden. Erst in der Nähe der Verbraucher, etwa von Städten, wird die Spannung dann mit Transformatoren auf die benötigten Niederspannungsniveaus heruntertransformiert.

Die Hochspannungsleitungen selbst bestehen aus dick isolierten Kabeln oder Freileitungen, die auf großen Masten montiert sind. Um Unfälle und Stromschläge zu verhindern, sind Sicherheitsabstände von mehreren Metern zu den Leitungen einzuhalten. Die Hochspannungstechnik erfordert daher besondere Schutzmaßnahmen und darf nur von speziell ausgebildetem Personal betrieben und gewartet werden.

Blitzspannung

Bei einem Blitz können extrem hohe Spannungen von über 100 Millionen Volt erreicht werden. Dies liegt daran, dass sich in den Wolken elektrische Ladungen aufbauen, die sich schließlich in einem Blitz entladen.

Durch die enorme Spannung kommt es zu einem elektrischen Strom, der sehr schnell zwischen Wolke und Erde fließt. Dieser Strom hat zwar eine relativ geringe Stärke, aber aufgrund der extremen Spannung dennoch eine sehr große Leistung.

Die gigantischen Blitzspannungen sind für den Menschen lebensgefährlich. Wird man direkt von einem Blitz getroffen, kann das Herz-Kreislaufsystem durch den Stromschlag aus dem Takt gebracht werden. Außerdem besteht die Gefahr von Verbrennungen.

Aus diesem Grund sollte man bei Gewitter besonders vorsichtig sein und Blitzschlag durch geeignete Maßnahmen wie Blitzableiter vermeiden. Die mehr als 100 Millionen Volt eines Blitzes sind eine Naturgewalt, die man nicht unterschätzen sollte.

Was ist elektrische Stromstärke (I)?

Die elektrische Stromstärke beschreibt die Menge an Elektronen, die pro Zeiteinheit durch einen elektrischen Leiter fließen. Sie gibt also an, wie stark der elektrische Strom ist.

Je mehr Elektronen sich in einem Stromkreis bewegen, desto höher ist die Stromstärke. Sie wird gemessen in der Einheit Ampere (A). Wenn viele Elektronen fließen, spricht man von einem starken Strom. Bei wenigen Elektronen handelt es sich um einen schwachen Strom.

Die Stromstärke hängt unter anderem vom Widerstand im Stromkreis ab. Je größer der Widerstand, desto geringer ist bei gleicher Spannung die Stromstärke. Außerdem ist sie abhängig von der angelegten Spannung. Eine höhere Spannung bewirkt eine stärkere Bewegung der Elektronen und somit eine höhere Stromstärke.

In Haushalten und elektrischen Geräten werden üblicherweise Ströme bis maximal 16 Ampere eingesetzt. In der Industrie gibt es Anwendungen mit sehr hohen Strömen im Kiloamperebereich. Auch Blitzentladungen erreichen enorme Stromstärken von über 100.000 Ampere.

Die Stromstärke ist neben der Spannung eine der wichtigsten Größen der Elektrotechnik. Ohne Stromfluss gibt es keine Energieübertragung. Die Stromstärke bestimmt maßgeblich, welche Wärme- oder Lichteffekte in einem Stromkreis entstehen können.

Einheit Ampere

Die elektrische Stromstärke wird in der Einheit Ampere (A) gemessen. Sie gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fließen. Je mehr Elektronen fließen, desto höher ist die Stromstärke.

Ein Strom von 1 Ampere bedeutet, dass pro Sekunde 6,24 x 10^18 Elektronen durch den Leiter fließen. Ampere ist das Basismaß des internationalen Einheitensystems (SI) für die Stromstärke. Neben Gleichstrom werden auch Wechselströme in Ampere gemessen.

Die Stromstärke hängt von der angelegten Spannung und dem Widerstand des Stromkreises ab. Bei konstanter Spannung erhöht sich die Stromstärke, wenn der Widerstand sinkt. In der Elektrotechnik werden Ströme von Mikroampere bis zu mehreren Kiloampere genutzt. In Haushalten liegt die Stromstärke üblicherweise zwischen 5 und 25 Ampere.

Was ist elektrische Leistung (P)?

Die elektrische Leistung beschreibt die verbrauchte oder erzeugte Energiemenge in einem elektrischen Stromkreis. Sie gibt an, wie viel Energie pro Zeit in Form von elektrischer Arbeit umgesetzt wird.

Je größer die elektrische Leistung, desto mehr Energie wird verbraucht oder erzeugt. Die Einheit der elektrischen Leistung ist das Watt. Eine 60-Watt-Glühbirne verbraucht pro Sekunde 60 Watt Energie, um Licht und Wärme zu erzeugen. In einem Haushalt werden üblicherweise Leistungen von wenigen Watt bis zu 2000 Watt verbraucht.

Die Leistung hängt von zwei Faktoren ab: Der elektrischen Spannung und der Stromstärke. Für die Berechnung der Leistung gilt:

Leistung (in Watt) = Spannung (in Volt) x Stromstärke (in Ampere)

Wenn man also die Spannung und die Stromstärke kennt, lässt sich die Leistung leicht berechnen. In Europa beträgt die Netzspannung etwa 230 Volt. Bei einer Stromstärke von 10 Ampere ergibt sich somit eine Leistung von 230 Watt.

Die Leistung gibt an, wie viel Energie pro Zeit verbraucht wird. Durch Multiplikation mit der Zeit erhält man die insgesamt verbrauchte Energie. Die Einheit für elektrische Energie ist die Kilowattstunde (kWh), die häufig auf Stromrechnungen angegeben ist.

Einheit Watt

Die elektrische Leistung wird in der Einheit Watt (W) angegeben. Watt ist die Maßeinheit für die Leistung bzw. die pro Zeiteinheit umgesetzte Energie.

Die Leistung gibt an, wie viel Energie pro Sekunde von einem elektrischen Gerät aufgenommen oder umgesetzt wird. Sie hängt von der Stromstärke und der Spannung ab. Je höher die Spannung und Stromstärke, desto höher ist die Leistung.

Die Formel lautet:

Leistung (in Watt) = Spannung (in Volt) x Stromstärke (in Ampere)

P (in W) = U (in V) x I (in A)

Beispiel:

Ein Staubsauger hat eine Leistungsaufnahme von 1000 Watt. Bei einer Netzspannung von 230 Volt ergibt sich daraus eine Stromstärke von 1000 W / 230 V = 4,35 Ampere.

Die Einheit Watt ist nach dem schottischen Ingenieur James Watt benannt, der durch die Weiterentwicklung der Dampfmaschine maßgeblich zur Industrialisierung beitrug.

Berechnung der elektrischen Leistung

Die elektrische Leistung gibt an, wie viel Energie pro Zeit in einem elektrischen Stromkreis umgesetzt wird. Sie wird in der Einheit Watt (W) angegeben.

Mathematisch ergibt sich die Leistung aus dem Produkt der elektrischen Spannung und der Stromstärke:

Leistung (in Watt) = Spannung (in Volt) x Stromstärke (in Ampere)

P = U x I

Beispiel:
In einer 230V Steckdose fließt ein Strom von 10A. Die elektrische Leistung beträgt dann:

P = 230V x 10A = 2300W

Es werden also 2300 Watt Leistung umgesetzt. Je höher die Spannung und die Stromstärke, desto größer die Leistung. Daher ist es wichtig, Geräte mit hoher Leistungsaufnahme nur an geeigneten Steckdosen bzw. Stromkreisen zu betreiben und die Absicherung (z.B. durch Sicherungen) entsprechend auszulegen.

Anwendung: Sicherungen und Stromkreise in der Wohnung

In einer Wohnung gibt es üblicherweise mehrere Stromkreise, die jeweils über einen eigenen Sicherungsautomaten abgesichert sind.

Die Sicherungen dienen dem Schutz der Leitungen und Geräte vor Überlastung. Bei zu hoher Stromstärke schaltet die Sicherung den Stromkreis automatisch ab, um Schäden zu verhindern.

Typische Stromkreise in der Wohnung sind beispielsweise:

• Küche
• Bad
• Beleuchtung
• Steckdosen

Jeder Raum hat normalerweise einen separaten Stromkreis für die Steckdosen. Große Verbraucher wie der Herd, die Waschmaschine oder eine Elektroheizung werden ebenfalls über einen eigenen Stromkreis mit höherer Absicherung versorgt.

Die Sicherungsautomaten befinden sich meist im Sicherungskasten. Hier ist für jeden Stromkreis der Nennstrom in Ampere angegeben, für den die Leitungen ausgelegt sind. Bei Überlast schaltet die Sicherung ab und muss zum Wiedereinschalten händisch zurückgesetzt werden.

So stellen die Sicherungen und unterteilten Stromkreise sicher, dass die Elektroinstallation einer Wohnung sicher betrieben werden kann.

Einheit Kilowattstunde

Die Kilowattstunde (kWh) ist die gebräuchliche Einheit für den Energieverbrauch. Sie gibt an, welche Energiemenge in Kilowatt (kW) über einen Zeitraum von einer Stunde verbraucht wird.

Beispiel: Ein Gerät mit einer Leistung von 1 kW, das eine Stunde lang läuft, verbraucht 1 kWh. Die Kilowattstunde wird verwendet, um den Stromverbrauch eines Haushalts oder der elektrischen Geräte anzugeben. Der Stromzähler misst die verbrauchten Kilowattstunden, die dann in der Stromrechnung in Rechnung gestellt werden.

Üblicher Stromverbrauch eines Privathaushalts in Deutschland:

• 1-Personen-Haushalt: ca. 1.500 kWh pro Jahr
• 2-Personen-Haushalt: ca. 2.200 kWh pro Jahr
• 3-Personen-Haushalt: ca. 3.000 kWh pro Jahr
• 4-Personen-Haushalt: ca. 3.500 kWh pro Jahr

Der Strompreis wird oft in Cent pro kWh angegeben. Je mehr Strom man verbraucht, desto höher ist die Stromrechnung. Stromsparen im Haushalt reduziert also die Kosten.

Beziehung zwischen Spannung und Stromstärke

Die Spannung und Stromstärke stehen in einem direkten Zusammenhang zueinander. Je höher die Spannung ist, desto geringer kann die Stromstärke sein, um die gleiche Leistung zu erbringen.

Betrachten wir ein einfaches Beispiel: Eine 100 Watt Glühlampe benötigt bei einer Netzspannung von 230 Volt einen Strom von etwa 0,43 Ampere (100 W / 230 V = 0,43 A). Würde man nun die Spannung auf das Doppelte erhöhen, nämlich auf 460 Volt, so könnte der Strom auf die Hälfte reduziert werden, um weiterhin 100 Watt Leistung zu erbringen. Bei 460 Volt flössen nur noch 0,22 Ampere (100 W / 460 V = 0,22 A).

Dieses Prinzip nutzt man beispielsweise bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Hier wird mittels Transformatoren die Wechselspannung des Stromnetzes stark erhöht, oft auf mehrere 100.000 Volt. Der Vorteil ist, dass bei der hohen Spannung nur noch ein sehr geringer Strom fließen muss, um große Leistungen zu übertragen. Das ermöglicht den Bau kompakter Leitungen mit geringen Verlusten. Nach der Übertragung wird die Spannung wieder auf Nutzspannung heruntertransformiert.

So lässt sich zusammenfassen: Eine höhere Spannung ermöglicht bei gleicher Leistung einen geringeren Stromfluss. Dies wird in vielen Bereichen der Elektrotechnik gezielt genutzt.

Gefahren hoher Spannung

Hohe elektrische Spannungen bergen große Gefahren für den Menschen. Ab etwa 50 Volt kann elektrischer Strom lebensgefährlich sein, da er zu Muskelkontraktionen und Herzkammerflimmern führen kann.

Besonders gefährlich ist der Kontakt mit Hochspannungsleitungen, wie sie zur Stromübertragung verwendet werden. Hier liegen Spannungen von 110.000 Volt bis 380.000 Volt an. Schon die Nähe solcher Freileitungen ist lebensgefährlich, da durch Überschläge Strom auf den Körper übertreten kann. Dies führt zu schweren Verbrennungen und Herzstillstand.

Auch in vielen Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen oder Toastern können gefährliche Spannungen von 220-240 Volt anliegen. Bei unsachgemäßer Handhabung, beschädigten Kabeln oder feuchter Umgebung kann es zu lebensgefährlichen Stromschlägen kommen.

Generell sollte man sich aus Sicherheitsgründen immer maximal von Hochspannungsanlagen fernhalten. Bei Arbeiten an elektrischen Geräten im Haushalt sollte man äußerste Vorsicht walten lassen und die Geräte vorher stromlos schalten. Hohe Spannungen sind nicht zu unterschätzen und können innerhalb von Sekunden zum Tod führen.

Blitzschutz

Um einen Blitzschaden an Gebäuden oder Anlagen zu verhindern, gibt es verschiedene Maßnahmen zum Blitzschutz.

• Blitzableiter: Metallstangen, die auf dem Dach installiert werden und bei einem Blitzeinschlag den Blitzstrom kontrolliert Richtung Erde ableiten. Dadurch wird verhindert, dass der Blitz in das Gebäude einschlägt. Wichtig ist eine gute Erdung der Blitzableiter.

• Überspannungsschutz: Mithilfe von Überspannungsableitern und Varistoren werden empfindliche Geräte im Gebäude vor den hohen Blitzspannungen geschützt. Sie leiten überschüssige Spannungsspikes sicher ab.

• Potenzialausgleich: Metallische Installationen im Haus wie Wasser- und Heizungsrohre müssen elektrisch miteinander verbunden sein. So kann bei einem Blitzschlag kein gefährlicher Spannungsunterschied zwischen den Leitungen entstehen.

• Entkopplung: Empfindliche Geräte wie Computer oder HiFi-Anlagen sollten bei Gewitter vom Stromnetz und Antennenkabel getrennt werden. So können sie weder durch Überspannung noch durch Potentialunterschiede beschädigt werden.

Mit diesen Maßnahmen kann man Gebäude und Inventar wirksam vor Blitzschäden schützen. Wichtig ist eine fachgerechte Installation der Blitzschutzanlage durch einen Elektrofachbetrieb.