Spannung in Reihenschaltungen
Was sind Spannungen in Serie?
Eine Reihenschaltung oder Reihenverbindung bezieht sich auf die Verkettung von zwei oder mehr elektrischen Bauteilen in einer Schaltung. In dieser Art von Schaltung gibt es nur einen einzigen Weg für den Strom, um durch die Schaltung zu fließen. Die potentielle Änderung der Ladung an zwei Punkten in einer elektrischen Schaltung wird als Spannung bezeichnet. In diesem Artikel werden wir detailliert die Spannungen in einer Reihenschaltung erläutern.
Die Batterie einer Schaltung liefert Energie, damit die Ladung durch die Batterie fließen und eine potentielle Differenz zwischen den Enden des externen Schaltkreises entstehen kann. Nehmen wir nun an, dass eine Zelle eine Spannung von 2 Volt hat, so wird sie eine potentielle Differenz von 2 Volt im externen Schaltkreis erzeugen.
Der elektrische Potentialwert am positiven Pol ist 2 Volt höher als am negativen Pol. Wenn also die Ladung vom positiven zum negativen Pol fließt, verursacht dies einen Verlust von 2 Volt an elektrischem Potential.
Dies wird als Spannungsabfall bezeichnet. Dies tritt auf, wenn die elektrische Energie der Ladung in andere Formen (mechanisch, Wärme, Licht usw.) umgewandelt wird, während sie durch die Bauteile (Widerstände oder Last) in der Schaltung fließt.
Wenn wir eine Schaltung mit mehreren in Reihe geschalteten Widerständen betrachten, die mit einer 2-Volt-Zelle versorgt werden, beträgt der gesamte Verlust an elektrischem Potential 2 Volt. Das bedeutet, es wird in jedem angeschlossenen Widerstand ein bestimmter Spannungsabfall auftreten. Allerdings können wir sehen, dass die Summe aller Spannungsabfälle aller Komponenten 2 Volt betragen wird, was dem Spannung der Energiequelle entspricht.
Mathematisch können wir das wie folgt ausdrücken:
Mit Hilfe des Ohm'schen Gesetzes können die einzelnen Spannungsabfälle berechnet werden als
Nehmen wir nun an, dass eine Reihenschaltung aus 3 Widerständen besteht und von einer 9-Volt-Energiequelle versorgt wird. Hier wollen wir die potenzielle Differenz an verschiedenen Stellen während des Durchflusses des Stromes in der Reihenschaltung ermitteln.
Die Stellen sind in der unten gezeigten Schaltung in roter Farbe markiert. Wir wissen, dass der Strom in Richtung vom positiven zum negativen Pol der Quelle fließt. Das negative Vorzeichen der Spannung oder potentiellen Differenz repräsentiert den Verlust an Potential durch den Widerstand.
Die elektrische potenzielle Differenz an verschiedenen Punkten in der Schaltung kann mit Hilfe eines Diagramms, genannt Elektrisches Potentialdiagramm, dargestellt werden, wie unten gezeigt.
In diesem Beispiel beträgt das elektrische Potential bei A = 9V, da es der höhere Potenzialpol ist. Das elektrische Potential bei H = 0V, da es der negative Pol ist. Wenn der Strom durch die 9-Volt-Energiequelle fließt, gewinnt die Ladung 9V an elektrischem Potential, von H nach A. Während der Strom durch den externen Schaltkreis fließt, verliert die Ladung diese 9V vollständig.
Hierbei geschieht dies in drei Schritten. Es wird ein Spannungsabfall auftreten, wenn der Strom durch die Widerstände fließt, aber kein Spannungsabfall tritt auf, wenn der Strom durch bloße Leitungen fließt. Daher können wir sehen, dass zwischen den Punkten AB, CD, EF und GH kein Spannungsabfall auftritt. Zwischen den Punkten B und C beträgt der Spannungsabfall jedoch 2V.
Das heißt, die Quellenspannung von 9V fällt auf 7V. Nächste zwischen den Punkten D und E beträgt der Spannungsabfall 4V. An diesem Punkt fällt die Spannung von 7V auf 3V. Schließlich zwischen den Punkten F und G beträgt der Spannungsabfall 3V. An diesem Punkt fällt die Spannung von 3V auf 0V.
Im Bereich der Schaltung zwischen den Punkten G und H gibt es keine Energie für die Ladung. Daher benötigt sie eine Energiezufuhr, um wieder durch den externen Schaltkreis zu fließen. Dies wird durch die Energiequelle bereitgestellt, wenn die Ladung von H nach A fließt.
Mehrere Spannungsquellen in Reihe können durch eine einzige Spannungsquelle ersetzt werden, indem die Summe aller Spannungsquellen gebildet wird. Allerdings müssen wir die Polarität berücksichtigen, wie unten gezeigt.
