Im Anfangsunterricht hast Du den Spannnungsbegriff bereits kennen gelernt. Die wichtigsten Ergebnisse sind hier nochmals zusammengestellt:
- Zur Charakterisierung der "Stärke" der elektrischen Quelle führt man die Größe "elektrische Spannung \(U\)" ein. Die Spannung \(U\) kennzeichnet die Fähigkeit der Quelle, in einem angeschlossenen äußeren Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten, sie ist also die Ursache für den Strom.
- Durch Vergleich mit einem mechanischen Modell bezeichneten wir die Spannung auch als "elektrischen Höhenunterschied".
- Die Spannung führten wir als physikalische Basisgröße ein, bei der eine Messvorschrift für die Einheit, Gleichheit und Vielfachheit angegeben wurde.
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 Wasserkreislauf
Wir vergleichen zunächst einen Wasserkreis mit einem elektrischen Stromkreis und gelangen zu den folgenden Entsprechungen:
Wasserkreis
- Quelle: Pumpe + Wasserbassin
- potentielle Energie des Wassers im oberen Becken
- Höhenunterschied Ortsbeschleunigung*
- Wasserstrom
- Verbraucher: Turbine
- Masse des Wassers
* = 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: \(\Delta h\sim U\).
Stromkreis
- Quelle: Batterie
- potentielle Energie der freien Elektronen am Minuspol
- Spannung
- Elektronenstrom
- Verbraucher: Glühbirne
- Ladung des Elektrons
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 Größe
Joachim Herz Stiftung
Definition der elektrischen Spannung
Die 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.
Jetzt erkennt man auch den Sinn der oben verwendeten Analogie zur Mechanik, denn wegen \[{E_{pot}} = m \cdot g \cdot \Delta h\quad \Rightarrow \quad g \cdot \Delta h = \frac{{{E_{pot}}}}{m}\] ist \(g\cdot \Delta h\) die potentielle Energie pro Masseneinheit.
Zunehmende Spannung
Der folgende qualitative Versuche bestätigt, dass mit zunehmender potentieller Energie der Ladungen die Spannung einer Quelle wächst:
1. Versuch
Die beiden Platten werden mit einer Hochspannungsquelle aufgeladen. Bei der Entladung der Platten über die Glimmlampe blitzt diese kurz und schwach auf.
2. Versuch
Die beiden Platten werden mit einer Hochspannungsquelle wie bei Versuch 1 aufgeladen. Die Platten werden von der Spannungsquelle getrennt und auseinander gezogen. Bei der Entladung der Platten über die Glimmlampe blitzt diese nun stärker auf.
Erklärung
Das hellere Aufleuchten der Glimmlampe lässt darauf schließen, dass beim 2. Versuch die Spannung zwischen den Platten höher war als im 1. Versuch (die Ladung auf den Platten war bei beiden Versuchen gleich). Beim Auseinanderziehen der Platten muss gegen die Anziehungskraft der Ladungen auf den beiden Platten Arbeit verrichtet werden. Aus diese Weise nimmt die potentielle Energie der Ladungen zu.
Fazit
Höhere potentielle Energie der Ladung → höhere Spannung
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.