Eine Potentialdifferenz ist die Energie pro Ladungseinheit in einem Stromkreis. Die Potenzialdifferenz muss zwischen zwei Punkten gemessen werden, da es im Allgemeinen unpraktisch ist, das elektrische Potenzial eines einzelnen Punktes zu messen. Die Potentialdifferenz eines Punktes in einer elektrischen Schaltung wird typischerweise in Bezug auf ein Referenzpotential, wie beispielsweise die gemeinsame Masse, gebildet.
Die Potentialdifferenz wird allgemein als Spannung bezeichnet, da Volt die Standardmaßeinheit für diese Größe ist. Es ist auch historisch als Druck und Spannung bekannt. „Druck“ ist ein veralteter Begriff für Potentialdifferenz, wird aber im Kontext der Vakuumröhrenelektronik immer noch verwendet, um sich auf die Potentialdifferenz zu beziehen.
Spannung kann auch als die Energie angesehen werden, die benötigt wird, um eine Ladung zwischen Punkten zu bewegen, geteilt durch die Größe dieser Ladung. Diese Gesamtenergie muss sowohl die statische als auch die dynamische Energie enthalten, die zum Bewegen der Ladung erforderlich ist. Die Berechnung der Potentialdifferenz wird genauer, wenn die Größe der gemessenen Ladung kleiner wird.
Ein Betrag der Potentialdifferenz muss ein Vorzeichen enthalten, abhängig von der Richtung, in der die Elektronen fließen. Die Definition der Potentialdifferenz geht davon aus, dass sich positiv geladene Teilchen zu niedrigeren Spannungen und negativ geladene Teilchen zu höheren Spannungen bewegen. Dies bedeutet, dass die Elektronen in einem Stromkreis von einem Punkt höherer Spannung zu einem Punkt niedrigerer Spannung fließen.
Bei der Beschreibung der Potentialdifferenz wird häufig Wasser als Analogie für Elektrizität verwendet. Diese Analogie geht davon aus, dass eine mechanische Pumpe Wasser durch einen geschlossenen Kreislauf von Rohren treibt. Die Potentialdifferenz in dieser Analogie ist die Differenz des Wasserdrucks zwischen zwei Punkten im Kreislauf. Bei einem Druckunterschied fließt daher zwischen den beiden Punkten Wasser, sodass das Wasser seine Arbeit verrichten kann. Ebenso kann ein elektrischer Stromkreis nur dann Arbeit verrichten, wenn zwischen zwei Punkten im Stromkreis eine Potentialdifferenz besteht.
Verschiedene Instrumente messen die Potentialdifferenz je nach ihrer Funktionsweise. Ein Voltmeter hat zwei Leitungen, von denen jede mit einem Punkt im Stromkreis verbunden ist. Dieses Gerät misst den Spannungsabfall an einem Festwiderstand, der proportional zur Voltzahl im Stromkreis ist.
Ein Potentiometer vergleicht eine unbekannte Spannung mit einer bekannten Spannung in der Schaltung. Ein Oszilloskop verstärkt die Spannung im Stromkreis, wodurch ein Elektronenstrahl abgelenkt wird. Der Betrag der Ablenkung ist proportional zur Spannung in der Schaltung. Ein Multimeter misst mehrere elektrische Größen, einschließlich der Spannung.