Elektrische Potentiale können mit Höhen verglichen werden. Wenn wir z. B. sagen, ein Tisch sei 80 cm hoch, dann meinen wir damit folgendes: Die Tischplatte liegt um 80cm über den Füßen des Tisches. Wir verwenden für Höhen zwei Begriffe: Die Höhenlage beschreibt einen Absolutwert. Die Höhendifferenz beschreibt einen relativen Wert. Umgangssprachlich bezeichnen wir beides als Höhe, deshalb verwende ich diesen unscharfen Begriff hier nicht weiter.
Betrachten wir den Tisch in einem Raum. Die Tischplatte ist um 80cm höher als der Boden, auf dem der Tisch steht. Wir können also sagen, dass ein Stift, der auf dem Tisch liegt, 80cm über dem Boden liegt. Aber welche absolute Höhe hat dieser Stift? Das können wir gar nicht beantworten, denn dazu fehlt der Bezug. Es ist unmöglich, eine absolute Höhenlage anzugeben.
Der Bezugspunkt für die Höhenangabe innerhalb eines Raums ist intuitiv der Boden des Raums. Geografen würden als Bezug den Meeresspiegel nehmen. Bauingenieure würden den Kellerboden nehmen. Physiker wählen vielleicht den Mittelpunkt der Erde oder den Mittelpunkt der Milchstraße. Absolute Höhen anzugeben ist Unsinn, wir brauchen dafür immer einen Bezug. Also dürfen wir nicht sagen, der Stift sei auf der Höhe von 80cm. Wir müssen den Bezug mit angeben und sagen: Der Stift befindet sich 80cm über dem Boden.
Wir können Höhendifferenzen addieren. Dafür betrachten wir zusätzlich einen Stuhl, der 50 cm Höhendifferenz zwischen Sitzfläche und Boden aufweist. Wir können eine größere Höhendifferenz erzeugen, wenn wir den Stuhl auf den Tisch stellen. Die Höhenlage der Oberseite des Tisches entspricht dann der Höhenlage der Unterseite des Stuhls. Wir erzeugen damit eine Höhendifferenz von insgesamt 130 cm.
Wir können den Bezugspunkt im Raum frei wählen, ohne dass sich die Höhendifferenzen ändern. Der Bezugspunkt ändert nur die Höhenlagen. Ist der Boden der Bezugspunkt, sind die Höhenlage der Tischplatte (+80 cm) und des Stuhls (+130 cm) beide positiv. Wir können auch die Tischplatte als Bezugspunkt wählen. Dann ist die Höhenlage des Bodens negativ (-80 cm). Die Sitzfläche des Stuhls befindet sich dann auch einer positiven Höhenlage von +50 cm.
Potentiale sind analog zur Höhenlage und Spannungen zur Höhendifferenz. Die Spannung ist die Differenz zweier Potentiale. Ohne Bezug macht ein Potential keinen Sinn. Der Bezug aller Potentiale in einer Schaltung ist oft das niedrigste Potential, damit wir keine negativen Potentiale berechnen müssen. Den Bezugspunkt können wir beliebig wählen. Wir bezeichnen den Bezugspunkt als „Masse“. Alle Potentiale in einer Schaltung werden auf Masse bezogen.
Betrachten wir als Beispiel eine Batterie mit UBatt = 3,7V. Die Spannung an der Batterie gibt die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen vor. Wenn wir den negativen Anschluss (-) der Batterie als Bezugspunkt (Masse) wählen, ist das Potential des positiven Anschlusses (+) positiv (+3,7V). Wenn wir den positiven Anschluss als Bezugspunkt wählen, ist das Potential des negativen Anschlusses netgativ (-3,7V).
Ein Stuhl hat zwei Höhenlagen: Unten seine Beine und oben seine Sitzfläche. Das kann mit zwei Anschlüssen einer Batterie mit unterschiedlichen Potentialen verglichen werden. Verbinden wir zwei Stellen einer Schaltung oder zwei Anschlüsse von Batterien leitend miteinander, sind diese anschließend auf gleichem Potential. Das ist so, als ob wir den Stuhl auf den Tisch stellen.
Wir können zwei Batterien so zusammenschalten, dass sich ihre Spannungen addieren. Das wird z. B. in jeder Fernbedienung gemacht. Überlegen Sie mal, welche Anschlüssen der Batterien sie dafür leitend verbinden müssen. Wenn wir nur positive Potentiale in der Schaltung haben wollen, wohin legen wir dann die Masse?