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.

Betreibe dieselbe Lampe nacheinander an Gleich- und an Wechselspannung mit gleichem Anzeigewert ($6{,}0\ \mathrm{V}$). Vergleiche Helligkeit und Oszilloskopbild. Ersetze anschließend die Lampe durch eine LED mit Vorwiderstand und deute ihr Verhalten in beiden Betriebsarten.

Für die Lampe zählt nur die umgesetzte Leistung, und die ist bei gleichem Effektivwert gleich: Es wird kein Unterschied erwartet. Die LED dagegen ist ein Richtungsbauteil: Sie leitet nur, wenn Plus an ihrer Anode liegt. An Gleichspannung hängt ihr Leuchten also von der Polung ab; an Wechselspannung wird sie in jeder Periode nur eine Halbwelle lang durchlässig, sie muss flackern oder (bei 50 Hz) für das Auge durchgehend, aber dunkler leuchten. Die LED macht damit sichtbar, was das Oszilloskop zeigt: den periodischen Polungswechsel.

Grundbestand; zusätzlich die LED mit passendem Vorwiderstand (sie darf nie direkt an die Quelle, der Vorwiderstand begrenzt den Strom).

Zwei Schaltpläne: Lampe bzw. LED mit Vorwiderstand an umschaltbarer Quelle, Oszilloskop parallel zum Bauteil. Bei der LED die Durchlassrichtung mit Pfeil markieren.

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: Lampe an Gleichspannung $6{,}0\ \mathrm{V}$: Helligkeit und Oszilloskopbild notieren.

Schritt 2: Auf Wechselspannung mit $U_\mathrm{eff} = 6{,}0\ \mathrm{V}$ umschalten: Helligkeit vergleichen, Bild notieren.

Schritt 3: LED mit Vorwiderstand an Gleichspannung anschließen, dann die Anschlüsse vertauschen. Beobachten.

Schritt 4: LED mit Vorwiderstand an Wechselspannung anschließen. Beobachten (gegebenenfalls die LED schnell hin- und herbewegen: Lichtspur).

Die Lampe bestätigt die Wirkungsgleichheit gleicher Effektivwerte: kein sichtbarer Unterschied.

Die LED entlarvt den Unterschied im Verlauf: An Gleichspannung entscheidet die Polung dauerhaft über Leuchten oder Dunkelheit. An Wechselspannung gibt es keine feste Polung mehr, jede Anschlussrichtung erwischt fünfzigmal pro Sekunde „ihre“ Halbwelle: Die LED leuchtet in beiden Richtungen, aber jeweils nur die halbe Zeit. Die unterbrochene Lichtspur beim Bewegen zeigt die Leuchtpausen direkt.

Damit ist der Kernunterschied ohne jedes Messgerät sichtbar gemacht: Gleichspannung hat eine feste Polung, Wechselspannung wechselt sie periodisch.

Bei gleichem Effektivwert wirken beide Spannungsarten auf die Lampe gleich; der Unterschied liegt im zeitlichen Verlauf: feste Polung gegen periodischen Polungswechsel. Ein Richtungsbauteil wie die LED macht diesen Wechsel unmittelbar sichtbar.

Auch dieser Vergleich erbt die Fehler des Helligkeitsurteils; bei der LED kommt eine Deutungsfalle hinzu: