Ideale Spannungsquelle

Eine Spannungsquelle stellt eine feste Spannung an ihrem Ausgang bereit. Ein Beispiel dafür ist eine Steckdose in einer Wand. An dieser Steckdose beträgt die Spannung immer 230V, unabhängig davon welchen Verbraucher Sie anschließen. Verbraucher wie z. B. ein Fön ziehen viel Leistung aus der Steckdose. Ein Handy-Ladegerät zieht deutlich weniger Leistung. Da die Spannung immer gleich groß ist, benötigt eine große Leistung viel Strom.

Eine ideale Spannungsquelle weist eine Ausgangsspannung auf, die unabhängig vom Strom ist, der aus der Quelle herausfließt.

Modellierung

Eine Spannungsquelle wird in einem elektrischen Schaltplan als Kreis mit senkrechtem Strich gezeichnet. Neben diesem Symbol für die Quelle muss immer ein Pfeil für die Richtung der Spannung an der Quelle sowie ein Bezeichner verwendet werden. Die Quelle weist zwei Anschlüsse oberhalb und unterhalb des Kreises auf, an denen andere Bauelemente angeschlossen werden können.

Bauelemente erhalten üblicherweise einen Index in der Bezeichnung, um mehrere Bauelemente gleichen Typs auseinander halten zu können. Es gibt dann z. B. R₁, R₂, R₃, usw.

Für Quellen wird in diesem Tutorial der Index 0 verwendet, deshalb ist für den Wert der Spannung an der Quelle die Variable U₀ verwendet worden. Ein Modell einer 9V-Batterie hätte also eine Spannung von U₀ = 9V.

Oberhalb und unterhalb der Quelle sind unterschiedlich große elektrische Potentiale. Die Spannungsquelle weist getrennte Ladungen auf. Das Potential oberhalb der Quelle φ_o ist bei der 9V-Batterie um U_o = φ_o – φ_u = 9V höher als das Potential unterhalb der Quelle φ_u. Oft wird das Potential unterhalb der Quelle als niedrigstes Potential einer Schaltung als Masse mit φ_u = 0V festgelegt. Die Spannungsquelle sorgt nur dafür, dass zwischen ihrem Klemmen eine Spannung anliegt, sie definiert aber nicht die absolute Lage der Potentiale an ihren Klemmen.

In einem Beispiel wird an dieser ideale Spannungsquelle mit U₀ = 9V ein Widerstand als Verbraucher mit R = 9Ω angeschlossen. Dies wird als einfache Schaltung in einem Schaltplan folgenermaßen modelliert: Die Spannungsquelle wird über Leitungen mit dem Widerstand verbunden.

Dann gilt am Widerstand:

Simulation

Wird ein Widerstand mit R = 1Ω angeschlossen beträgt die Spannung am Widerstand immer noch U_R = 9V, denn die Quellenspannung ist unabhängig von der Belastung durch Verbraucher. Der Strom beträgt jetzt aber:

Der Strom, der aus der Quelle herausfließt, ist also abhängig von der Belastung.

Man kann sich eine ideale Spannungsquelle als unendlich großen Speicher für getrennte Ladungen vorstellen, der niemals leer wird. Die positiven Ladungen in der oberen Kammer fließen durch den Verbraucher hindurch in die untere leere Kammer hinein.

Spannungsquellen sind z. B. die Steckdose, eine Batterie oder Labornetzteile im Praktikum.