Spannungsquellen

Mit der Entdeckung der Elektrostatik, d.h. der Ladungstrennung durch Reibung bestimmter Materialien aneinander, war es erstmals möglich, elektrische Spannung zu “erzeugen”. Damit konnten Experimente durchgeführt werden und die Wissenschaftler konnten Experimente zur Elektrizität durchführen. Mit der Erfindung der Batterie stand dann erstmals eine zeitlich konstante Spannungsquelle zur Verfügung, mit welcher auch im Bereich der Chemie grosse Fortschritte gemacht wurden (z.B. Entdeckung der Elektrolyse).

Grundsätzlich gelten die Spannungsquellen bei jedem Schaltkreis als “Motor” und damit als die Grundvoraussetzung für jeglichen Stromfluss. Es gibt verschiedene Arten von Spannungsquellen mit verschieden hohe Spannungen.

Mobile Spannungsquellen (Batterie und Akku)

Wir wissen, dass mobile elektrische Geräte eine Batterie oder einen Akku beinhalten. Die Batterie ist eine Spannungsquelle, weil sie chemisch gebundene Energie in elektrische Arbeit umwandeln kann – wie ein kleines Kraftwerk. Sie ist klein und kompakt und kann deshalb einfach eingebaut und mitgenommen werden.

Der Akku funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Im Gegensatz zur Batterie lässt sich der Akku aber auch wieder aufladen, d.h. er kann auch elektrische Arbeit aufnehmen und sie in chemische Energie wieder speichern, was die Batterie nicht kann.

Batterien und Akkus stellen Spannungen zur Verfügung, die im Normalfall im einstelligen Voltbereich liegen. Mehr kriegen wir aus einem rein chemischen Prozess nicht heraus.

Wenn mehrere Batterien in Serie geschaltet werden, können wir die Batteriespannung entsprechend aufaddieren und so auch zweistellige Voltbeträge erreichen.

Die elektrische Spannung ist sowohl bei Batterien, wie bei Akkus, immer Gleichspannung.

Stromnetz

Zu Hause stehen fast überall Steckdosen zur Verfügung. Sie bieten eine viel grössere elektrische Spannung als Batterien an, nämlich 230 Volt. Damit lassen sich auch grössere Geräte und Motoren antreiben (Waschmaschine etc.). Batterien wäre da zu schwach und wären auch viel zu schnell leer.

Die Spannung an der Steckdose wird vom Stromnetz geliefert, die letztlich von einem Verbund von Kraftwerken bereitgestellt wird. Das eine Stromnetz, an welchem wir angeschlossen sind, vernetzt uns mit allen Kraftwerken in Europa, die ihre elektrische Arbeit in dieses Netz zeitgleich einspeisen, wie wir sie beziehen. Die Netzspannung ist eine Wechselspannung, denn die Generatoren der Kraftwerke produzieren Wechselspannung. Im Gegensatz zur Gleichspannung, lässt sie sich auch für die Stromübertragung hoch- und dann wieder runter transformieren.

Für kleinere Geräte sind 230 V zu viel, z.B. braucht der Akku in unserem Mobiltelefon etwas in der Grössenordnung von wenigen Volt und dann auch lieber Gleichspannung. Dazu gibt es Netzgeräte, die einen Transformator eingebaut haben. Diese reduzieren die Spannung von 230 V auf 5 V und machen daraus auch eine Gleichspannung.

Andere Spannungsquellen

Neben den Batterien/Akkus und dem Stromnetz (Generatoren der Kraftwerke) gibt es noch zwei Spannungsquellen, die möglicherweise in Zukunft an Bedeutung gewinnen werden, weil sie umweltfreundliche Alternativen darstellen.

Die Brennstoffzelle braucht – wie der Name es verrät – Brennstoff, z.B. Wasserstoff. In der Brennstoffzelle wird der Brennstoff verbrannt, d.h. er wird oxidiert und gibt dabei Energie ab. Jedoch nicht durch eine klassische Verbrennung, bei welcher Wärme entsteht, sondern direkt zu elektrischer Arbeit. Mit Brennstoffzellen ausgerüstete Elektroautos werden mit Wasserstoff getankt. Ihre Brennstoffzelle wandelt dann die chemische gebundene Energie zu elektrischer Arbeit um.

Funktionierende Brennstoffzellen gibt es schon seit Jahrzehnten, jedoch haben sie noch keinen Durchbruch erzielen können.

Die Photovoltaik (PV) ist eine weitere Spannungsquelle, die schon viel weiter verbreitet ist, als die Brennstoffzelle. Licht ist ja eine elektromagnetische Welle. Die PV-Zelle schafft es, die Energie dieser Welle aufzunehmen und direkt als elektrische Arbeit wieder abzugeben.

Sowohl die Brennstoffzelle, wie die PV-Zelle stellen eine Gleichspannung zur Verfügung und, wie üblich für chemische Prozess, ist die Spannung im einstelligen Voltbereich, wenn überhaupt.