Elektrische Spannung im Mass

Die Masseinheit für die elektrische Spannung ist Volt (V). Was entspricht dieser Einheit? Wie wird sie genau gemessen? Eine kurze technische Erklärung.

Das Volt ist die Einheit zur Messung der elektrischen Spannung in einem Stromkreis. Der Name geht auf den italienischen Physiker Alessandro Volta (1745 – 1827) zurück, der vor allem durch seine Arbeiten über die Elektrizität und die Erfindung der sogenannten voltaischen Batterie, der Vorläuferin der modernen Alkali-Batterie, berühmt geworden ist.

Der Begriff der elektrischen Spannung ist nicht einfach zu erklären, man bedient sich deshalb häufig einer Analogie aus der Sparte der Wasserkraft. Die elektrische Spannung wird demnach mit dem Druck in einer Wassersäule verglichen. Die Stromstärke ist vergleichbar mit dem Wasserdurchfluss bei geöffnetem Wasserhahn und die Leistung entspricht dem Produkt von Druck und Durchflussmenge.

Je höher die elektrische Spannung in einem geschlossenen Stromkreis ist, desto grösser ist die Durchflussmenge an Elektronen. Eine hohe Spannung bedeutet aber nicht zwingend, dass die Leistung hoch ist. Um eine elektrische Leistung (Watt) zu erzeugen, muss die Spannung (Volt) mit der Stromstärke (Ampère) multipliziert werden.

Beispiele von elektrischen Spannungen
Das Stromübertragungsnetz, das sogenannte Hochspannungsnetz, erlaubt die Stromübertragung mit einer Spannung von 380 Kilovolt (kV) oder von 220 kV in Verbrauchernähe. Im lokalen Verteilernetz wird der Strom mit Niederspannung in die Haushalte geleitet, üblicherweise mit einer Spannung von 230 V. In den Transformatorenstationen findet die Umwandlung von einer Netzspannung in die andere statt.

Die Spannung eines Blitzes kann an die hundert Megavolt (100 MV), d.h. eine Million Volt erreichen. Die Batterie eines Automobils generiert in der Regel eine Spannung von 12 V und eine nicht aufladbare standardmässige Alkalibatterie des Typs AA oder AAA eine solche von 1,5 V.

Eine genaue Spannungsmessung…
Das eidgenössische Institut für Metrologie (METAS) mit Sitz in Wabern bei Bern wacht darüber, dass die für einen reibungslosen Betrieb des Schweizer Stromnetzes notwendigen Spannungs-, Leistungs- und Frequenzwerte exakt gemessen werden. In diesem Zusammenhang nimmt das Institut insbesondere die Kalibrierung von Messinstrumenten vor, mit denen beispielsweise die Elektrizitätszähler in den Haushalten sowie die Transformatorstationen des Netzes geprüft werden können.

Um diese Aufgabe erfüllen zu können, benötigt das METAS einen Richtwert für die elektrische Spannung, eine elektrische Quantennormale. Laut Alessandro Mortara, Laborleiter Gleichstrom und Niederfrequenz, ist das eine Frage der Rückverfolgbarkeit: «Man muss eine ununterbrochene und dokumentierte Kalibrierungskette zwischen dem Messresultat und einer Bezugsnormale garantieren können».

…dank des Josephson-Effekts
Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist «ein Volt [ist] die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten eines fadenförmigen, homogenen und gleichmässig temperierten Leiters, in dem bei einem zeitlich unveränderten elektrischen Strom der Stärke 1 Ampère zwischen den Punkten die Leistung 1 Watt umgesetzt wird». Diese Definition ist für die Durchführung einer Kalibrierung allerdings nicht ideal, weil bei vergleichenden Experimenten zwischen der elektrostatischen und der mechanischen Kraft zu grosse Messunsicherheit herrschte. «Seit ungefähr dreissig Jahren verwendet man für die technische Realisierung des Volts den Josephson-Effekt», erklärt Alessandro Mortara.

Matthieu Buchs, Fachspezialist Erneuerbare Energien, BFE

Dieser Artikel ist in der gedruckten Ausgabe von ENERGEIA erstmals erschienen.