Leiter äquipotentialfläche?
Warum verhalten sich Leiter wie äquipotentialflächen? Bspw: Spannungsquelle 12V. Die Elektronen fließen vom Minuspol los und haben ein Potential von 12V egal wie lang der Draht ist. Dann kommt der elektrische widerstand. Sie fließen durch ihn durch und haben dann ein Potential von 0V und dann fließen sie den Rest des Leiters weiter bis zum Pluspol. Warum?
3 Antworten
Ich hoffe, nach meinen Antworten zu deinen ähnlichen Fragen ist es klarer geworden. Hier dennoch nochmals eine Präzisierung:
- Auch in jedem realen Leiter braucht es ein Potentialgefälle und verändert sich das Potential entlang des Weges!
- (Äquipotentialflächen gibt es nur quer zum Leiter, also senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen!)
- in den Leitungen sinkt das Potential einfach viel schwächer/langsamer als innerhalb eines Verbrauchers, hier z.B. zwei Lampen in Serie.
Potential am Anfang = maximal
Potential am Ende = null. Das ist nicht änderbar.
Die Elektronen "wissen" es, weil sie es "spüren"! In der Kupferzuleitung zur Lampe fühlen sie wenig Widerstand, weil Kupfer gut leitet. Also braucht es auch nur wenig Potentialgefälle (Spannung), um eine gewisse Stromstärke zu erzielen.
Im Wolframdraht einer Glühlampe haben sie den grösseren Widerstand zu überwinden, der Durchgang ist enger und somit stossen sie sich häufiger mit den Atomen, deshalb glüht der Draht schliesslich sogar. Somit braucht es hier, um ja die gleiche Stromstärke zu erhalten, eben eine grössere Spannung, bzw. die Elektronen verlieren mehr Potential als im normalen Leitungsdraht.
Wenn du die Kupferleitungen verlängerst, fällt mehr Spannung über diesen Zuleitungen ab, und für die Lampe(n) bleibt weniger übrig. Der Gesamtwiderstand im Kreis steigt, die Gesamtstromstärke sinkt, die Elektronen verlieren in der Lampe weniger Potential, und die Lampe bekommt weniger Spannung und leuchtet weniger hell. Aber am Schluss ist das Potential dennoch null.
Aber woher wissen die Elektronen wo sie wie viel Energie abgeben müssen? Häng t das auch von der stromstärke ab?
Nein, von der Umgebung
- Im Vakuum gegen sie nichts ab sondern rauschen durch
- im Leiter suchen sie sich mit den andern freien Elektronen einen Weg zwischen den Atomen durch
- im "Widerstand" ist es einfach etwas enger, sie stossen sich häufiger mit andern Teilchen, sind aber gleich schnell, solange der Strom der gleiche ist.
Aber warum ist die Energie dann beim kompletten durchlaufen der Spannung am Ende null ? Also woher wissen sie dass sie jetzt im Leiter weniger Energie abgeben sollen als im widerstand letztendlich und wie viel ?
Woher weiss ein Fallschirmspringer, wieviel seiner potentiellen Energie, die er noch im Flugzeug hatte, er unterwegs mit dem Fallschirm an die Luft abgeben soll und wieviel an den Boden beim Landen?
Und woher weiss er, dass er am Boden nicht mehr weiter runterfallen kann?
Und wie hängt die stromstärke damit zusammen, also was sagt das über die energieabgabe eines einzelnen elektrons aus wenn die stromstärke groß oder klein ist?
Ok verstehe worauf du hinaus willst .eine Sache wäre da noch : der widerstand ist ja auch von der Länge des Kabels abhängig. Wenn ich jetzt mein Kabel verlängere wird der Strom ja bei konstanter Spannung niedriger. Jetzt sagtest du die Elektronen geben ihre Energie bei einem hohen Strom schneller ab. In welchem Verhältnis stehen Strom und energieabgabe der Elektronen?
Warum verhalten sich Leiter wie äquipotentialflächen?
Tun sie nicht immer.
Sie verhalten sich so nur so in Elektrostatischen Fällen, also wenn kein Strom fließt. Wenn ein Strom fließt müssten die Leiter Supraleiter sein ansonsten gibt es einen Spannungsabfall im Leiter und damit sind sie nicht mehr überall auf dem selben Potenzial.
Wenn über einem Gebiet eine Spannung abfällt kann natürlich nicht das gesamte Gebiet auf dem selben Potenzial sein.
Zur Frage des warum. Die Elektronen geben im Widerstand ihre Energie ab, daher gibt es auch einen Potenzialunterschied. Das ist in etwa so wie wenn eine Kugel von einem Turm herab fällt. Die Kugel hat ganz oben eine gewisse Potenzielle Energie. Beim Fall wird die Potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt und beim Aufprall gibt die Kugel die Energie an die Erde ab. Wenn die Kugel dann am Boden liegt hat sie keine potenzielle Energie mehr.
Aber warum geben die Elektronen auf dem Weg bis zum widerstand also im Kupferkabel so wenig Energie ab also warum verändert sich das potetnial kaum?
Wenn ich eine Probeladung ins Feld eines Kondensators bringe ist das Potential ~ zum zurückgelegten weg der Ladung zwischen den Platten
Aber warum geben die Elektronen auf dem Weg bis zum widerstand also im Kupferkabel so wenig Energie ab also warum verändert sich das potetnial kaum?
Weil das Kupferkabel im vergleich zum Verbraucher einen sehr kleinen Widerstand hat.
Wenn ich eine Probeladung ins Feld eines Kondensators bringe ist das Potential ~ zum zurückgelegten weg der Ladung zwischen den Platten
Was meinst du dabei mit ~? Wenn das Proportional sein soll dann stimmt der Satz so nicht ganz bzw ergibt so keinen wirklichen Sinn.
Das Potenzial ist nicht proportional zu einem Weg bzw hat mit einem Weg eigentlich auch recht wenig zu tun, die Spannung ist abhängig von einem Weg und wenn sich ein Potenzial angeben lässt dann ist die Spannung eben nur noch vom Anfangs und Endpunkt des Weges abhängig.
Dein Satz sollte eher lauten: Wenn du eine Probeladung in das Feld eines Plattenkondensators einbringst, dann ist die Spannung entlang der durch die Ladung zurückgelegten Strecke gleich der an der Ladung verrichteten Arbeit geteilt durch die Ladungsmenge.
Oder anders gesagt die Spannung entlang einer Kurve ist proportional zur verrichteten Arbeit an einer Testladung welche sich entlang dieser Kurve bewegt.
Das ist die Definition des allgemeinen Begriffs von Spannung. Die Definition eines Potenzials folgt daraus, ist allerdings ein spezieller Begriff welcher nicht so allgemein ist wie die Elektrische Spannung, so kann man ein Potenzial zB nur im (Quasi)Elektrostatischen Fall definieren.
Dass die Oberfläche von Leitern eine Äquipotentialfläche ist, das gilt in statischen Feldern. Da "fließt" also nichts. Sobald Strom fließt (und der Leiter nicht gerade ein Supraleiter ist), gilt es nicht mehr.
Richtig gute Erklärung! Aber woher wissen die Elektronen dass sie genau in diesem Stromkreis Ihr Energie abgeben müssen? Also als Beispiel du verlängerst einfach die Kupferkabel dann ist der Weg länger aber müsste das potetnial dann nicht schon vor dem erreichen des Pluspols auf 0 liegen?