Frage von DenisSulovic22, 45

Kann mir jemand erklären was die Spannung als Potenzial Differenz ist? Was ist das?

(Google hat es zu kompliziert ausgedrückt)

Mit freundlichen Grüßen

Antwort
von poseidon42, 20

Um den Begriff Potential zu verstehen empfehle ich ein Beispiel aus der Mechanik:

Wenn du eine Kraft F auf eine Masse m entlang des Weges s ausgeübt, so wird dabei die Arbeit W verrichtet, es gilt dabei:

W = F*s

Beispiel hochheben einer Masse m um eine Strecke h senkrecht zum Erdboden:

Es wirkt die Schwerkraft mit F = m*g  , mit der Fallbeschleunigung g

Es wird also die Arbeit W = m*g*h  gegen die Schwerkraft verrichtet.

Wenn wir das Objekt nun in der Höhe h loslassen so wird dieses Richtung Erdboden beschleunigt, hier wirkt erneut die Schwerkraft  F = m*g , diese Kraft wirkt gegen keine andere, daher geht die verrichtete Arbeit vollständig in Beschleunigungsarbeit über, man spricht in dem Zusammenhang auch von kinetischer Energie Ekin. 

Wir sehen sofort:

Ekin = m*g*h = W

In anderen Worten: Die zuvor verrichtete Arbeit W geht vollständig in kinetische Energie über. Gegenüber dem Erdboden hatte es also eine gewisse " potentielle Energie " die hier in dem Fall der Hubarbeit entspricht und sich anschließend in der kinetischen Energie der Masse kurz über dem Erdboden äußert (wenn man diese in der Höhe h loslässt).

Das heißt die potentielle Energie bezüglich des Erdbodens lässt Berechnen zu:

Epot = Whub = m*g*h

Wir wollen einen allgemeineren Ausdruck finden, so hängt Epot ja offensichtlich neben der Höhe auch noch von der Masse ab, diese kann sich aber für eine feste Höhe unterscheiden, wir wollen aber bestenfalls eine Größe mit der wir "potentielle Energien" vergleichen können ohne Rücksicht auf die genaue Masse, daher dividieren wir durch m und erhalten:

Epot/m = g*h = constant.   für feste Höhe h

Den Ausdruck Epot/m nennen wir nun Potential und bezeichnen diesen mit Pot. Damit berechnet sich das "Potential" in einer Höhe h über dem Erdboden zu:

Pot = g*h

Eine Potentialdifferenz (Spannung) zwischen zwei Potentialen Pot1 und Pot2 in den Höhen h1 und h2 berechnet sich dann zu:

Pot1 - Pot2 = g*(h1 - h2) = U

U > 0 --->  h1 > h2

U = 0 --->  h1 = h2

U < 0 ---> h1 < h2

Die Potentialdifferenz sagt dir dabei wieviel Energie pro Masse zwischen den beiden h1 und h2, ausgehend von h1, frei wird (Epot --> Ekin). Eine negative Spannung bedeutet dabei, dass Arbeit verrichtet werden muss um von dem aktuellen Potential bei h1 zum Potential bei h2 zu kommen.

Bei der elektrischen Spannung verhält es sich stark vereinfacht ähnlich. Das elektrische Potential hat dabei jedoch die Form Epot/Q mit der Ladung Q. Es sagt dir also wieviel Energie pro Ladung vorhanden ist an einem Punkt. Die Potentialdifferenz, die Spannung, ist dann ebenso: U = Pot1 - Pot2

Die Energie die dabei von einem Potential zum anderen frei wird, wird hier in die Bewegung von Ladungsträgern (Ekin), Elektrische Felder, magnetische Felder, Wärme (ohmscher Widerstand) usw.  umgewandelt.

Antwort
von Physikus137, 7

Vielleicht ist dir bekannt, oder du hörst es hier, das elektrische Ladungen (oder Ladungsverteilungen) Quellen von Elektrischen Feldern sind.

Es sei also ein beliebiges elektrisches Feld und eine Probeladung gegeben. Wie immer soll die Rückwirkung dieser Ladung auf den Feldverlauf vernachlässigbar sein.

Wenn die Probeladung im elektrischen Feld verschoben werden soll, muss in der Regel Arbeit verrichtet werden (wenn die Verschiebung nicht zufällig senkrecht zu den Feldlinien geschieht). Das ist vom Prinzip das gleiche, wie wenn man eine Masse im Gravitationsfeld hebt oder senkt. 

( Zur Erinnerung: Arbeit ist Kraft (in Wegrichtung) mal Weg,  W = ∫ F_s ds)

Das elektrische Potential an der Stelle x ist jetzt definiert, als die Arbeit im E-Feld, die verrichtet werden muss, wenn man die Probeladung q = e = -1,6*10⁻¹⁹ C von sehr weit weg (aus dem Unendlichen) an diese Stelle bringt.

Arbeit W = ∫ F ds = ∫ eE ds = e ∫ E ds → Potential V = W/e = ∫ E ds

Die Integrationsgrenzen sollen hier von ∞ bis zum Punkt x sein.

Das ist nichts anderes als die Definition des Gravitationspotentials, dort eben in Bezug auf die Arbeit, die das Gravitationsfeld an der Probemasse verrichtet.

Man könnte jetzt noch viele interessante Dinge über die Physik und Mathematik von Potentialfeldern erwähnen...

Ich möchte hier aber damit schließen, dass die Differenz der Potentiale an zwei Punkten (in der E-Technik) Spannung genannt wird.

Expertenantwort
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 10

Spannung und Potentialdifferenz ist dasselbe. Du kannst es Dir durch eine Höhendifferenz in einem Schwerefeld veranschaulichen, zum Beispiel auf einer schiefen Ebene.

Wie das Schwerefeld an einem eine Ebene der Höhendifferenz h herunter fahrenden Wagen der Masse m die Arbeit mgh verrichtet, so verrichtet das elektrische Feld an einer die Spannung U »herabfallenden« Ladung q die Arbeit qU.

Antwort
von HarryHirsch4711, 7

Mal ganz einfach erklärt:

Stelle zwei Zollstöcke nebeneinader auf dem Fußboden.

Nun suchst Dir auf jeden Zollstock ein Punkt.

Die Differenz zwischen den Punkten ist die Spannung. Der Strom möchte von von einem Punkt zum anderen. Dabei ist es egal ob er, von 200cm auf 199cm möchte oder von 2cm nach 1cm. Der Sprung ist gleich weit weg. Daher ist die Differenz entscheident.

Nehmen wir den Zollstock im ersten Beispiel, dann hast Du im ersten 200 cm bis zum Boden und beim zweiten 199cm. Aber der Strom "sieht" nicht, dass er einmal in ca. 2m Höhe fliesst und mal auf Fussbodenhöhe.

Daher ist die Differenz entscheident.

Antwort
von NeoExacun, 22

Eine Spannung ist immer eine Potentialdifferenz.

Wenn du irgendwo ein Potential von 1V hast, und wo anders ein Potential von 3V, dann beträgt die Potentialdifferenz eben 2V. 2V ist die Spannung zwischen diesen beiden Potentialen.

Kommentar von DenisSulovic22 ,

Vielen Dank aber ich hab erstmal keine Ahnung was ein Potenzial ist und wo ich 3v und wo ich 1v haben sollte?

Kommentar von NeoExacun ,

Potential ist schwer zu erklären.

Stell dir eine Batterie vor. Du hast zwei Pole. Diese Pole haben beide ihr eigenes Potential. Das heißt, jeder wäre in der Lage, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Das ist das Potential. Erst du die Kombination dieser beiden Pole erhält man eine Spannung, weil sie eben unterschiedliches Potential besitzen.

Sieh Potential einfach als Hälfte einer Spannung^^

Kommentar von DenisSulovic22 ,

Asoooooo ja Mann! Danke du hast es mir gut erklärt! Stern!

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