Im Anfangsunterricht hast Du den Spannnungsbegriff bereits kennen gelernt. Die wichtigsten Ergebnisse sind hier nochmals zusammengestellt:
Im weiteren wollen wir den energetischen Aspekt der elektrischen Spannung, der auch schon im Begriff "elektrischer Höhenunterschied" anklingt, näher betrachten. Dabei wird sich herausstellen, dass die Einführung der Spannung als Basisgröße nicht mehr notwendig ist. Vergleich mit einem offenen WasserkreislaufWir vergleichen zunächst einen Wasserkreis mit einem elektrischen Stromkreis und gelangen zu den folgenden Entsprechungen:
Abb. 1 Vergleich zwischen einem offenen Wasserkreislauf und einem Stromkreis WasserkreisStromkreisQuelle: Pumpe + WasserbassinBatteriepotentielle Energie des Wassers im oberen Beckenpotentielle Energie der freien Elektronen am MinuspolHöhenunterschied Ortsbeschleunigung*SpannungWasserstromElektronenstrom"Verbraucher": Turbine"Verbraucher": GlühbirneMasse des WassersLadung des Elektrons
* = Es ist sinnvoll, statt der zunächst naheliegenden Ensprechung \(\Delta h\to U\) die Entsprechung \(g\cdot \Delta h \to U\) zu verwenden. Dabei bedeutet \(g\) die Erdbeschleunigung am jeweiligen Ort. Sie ist an ein und demselben Ort eine Konstante, so dass nach wie vor gilt: \(\Delta h\sim U\). Hinweise: •Aus den obigen Bildern kann auch abgeleitet werden: Ist der Kreis unterbrochen, dann besteht im Wassermodell trotzdem der Höhenunterschiede Δh und die potentielle Energie des Wassers im obigen Becken ist auch vorhanden. Im elektrischen Kreis besteht analog auch bei Unterbrechung des Kreises die elektrische Spannung und die potentielle Energie der freien Elektronen am Minuspol. Kurz: Die Spannung der Quelle besteht auch ohne Stromfluss. •Das der Masse \(m\) des Wassers die elektrische Ladung \(Q\) entspricht ist naheliegend, da die Erdanziehungskraft auf Massen wirkt und die elektrische Kraft auf Ladungen. Durch einen Vergleich der beiden Bilder gelangen wir mit dieser Entsprechung zu einer neuen Definition der Spannung als abgeleitete Größe: Spannung als abgeleitete GrößeJoachim Herz StiftungAbb. 2 Abgeleitete Definition der Spannung Definition der elektrischen SpannungDie Spannung einer elektrischen Quelle ist der Quotient aus der potentiellen Energie einer Ladung und dem Ladungsbetrag oder anders ausgedrückt, der Energiebetrag pro Ladungseinheit:\[U = \frac{{{E_{pot}}}}{Q}\quad \Rightarrow \quad \left[ U \right] = 1\frac{{\rm{J}}}{{{\rm{As}}}} = 1{\rm{V}}\] Aus dieser Festlegung erkennst du, dass nun die Spannung eine aus den Größen Energie und Ladung abgeleitete Größe ist. Zunehmende SpannungAbb. 3 Zusammenhang zwischen der potentiellen Energie der Ladungen und der Spannung der elektrischen QuelleDer folgende qualitative Versuche bestätigt, dass mit zunehmender potentieller Energie der Ladungen die Spannung einer Quelle wächst: 1. Versuch 2. Versuch Erklärung Fazit Strom und Elektronen werden nicht verbraucht!Im Sprachgebrauch hörst du oft Sätze wie "das Gerät verbraucht viel Strom". Strom wird jedoch nicht verbraucht! Die Elektronen werden von der elektrischen Quelle angetrieben kehren aber in ihrer Gesamtzahl wieder zu ihr zurück. Wenn am Ende eines Monats die Stromrechnung kommt bezahlen wir nicht für "verbrauchte Elektronen" sondern für die Energie, welche die Elektronen mit sich führten. Der Elektronenkreislauf bildet lediglich das Transportmittel für die elektrische Energie, die von der Quelle zum "Verbraucher" (besser Energiewandler) gelangt. Ähnlich dienen Lastwägen als Transportmittel für Güter, werden beim Transport aber nicht verbraucht. Die elektrische Spannung \(U\) ist ein Maß für die Energie \(E\), welche die Quelle bei Fließen der Ladung \(Q\) abgibt. In der Abbildung, die auf einen Vorschlag von Prof. Heinz Muckenfuß zurückgeht, kommt zum Ausdruck, dass die Elektronen in einem Kreis strömen (also wieder zur Quelle zurückkehren), während die Energie einen linearen Verlauf von der Energiequelle zum "Energieverbraucher" aufweist. Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Druck?Die Druckspannung ist im Gegensatz zum Druck keine skalare Zustandsgröße. Die mechanische Spannung hat die selbe physikalische Dimension wie der Druck, nämlich Kraft/Fläche. Der Druck stellt einen Spezialfall einer mechanischen Spannung dar.
Was ist der Unterschied zwischen Spannung und Dehnung?Je nachdem, ob man den Versuch spannungsgeregelt oder dehnungsgeregelt fährt, ist die Spannung bzw. die Dehnung die unabhängige Variable. Es hat sich jedoch eingebürgert, immer die Spannung über der Dehnung aufzutragen.
|