Frage von Usedefault, 102

Unterschied Spannung zu Stromstärke?

Hallo!

Was genau ist der PHYSIKALISCHE Unterschied zwischen Stromstärke I und Spannung U?

Dem Energierhaltungssatz zur Folge kann z. B. an Trafos nur das eine gegen das andere ausgetauscht werden, da die Eingangsleistung mit der Ausgangsleistung korreliert.

I ist vereinheitlicht als Ampere, was wiederrum als C (Ladungsmenge) pro Sekunde (Frequenz) relativiert ist: Logisch!

ABER: Ist U definiert als Energieeinheit? U = J pro As? Müsste man ein Joule aufbringen um 1A 1sec GEGEN 1V zu bewegen? Denn MIT 1V würde ja auch ohne 1 zusätzliches Joule Strom im System fließen, oder?

Oft ließt man von erhöhter Stromgeschwindigkeit bei erhöhter Spannung - Ist das physikalisch korrekt bzw. belegbar?

Falls NEIN: Warum verwendet man bei einem Elektroschocker XX kV mit Vorwiderstand und nicht 230V ohne Vorwiderstand, wenn es im Körper eines Angreifers auf dasselbe (dieselbe Leistung an die Nerven) hinauslaufen würde?

Danke und Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 67

Der Unterschied zwischen Spannung und Stromstärke ist in etwa derselbe wie der zwischen Höhendifferenz und Strömungsstärke bei einem Fluss. In diesem Bild entspricht das Gefälle der elektrischen Feldstärke. Die Höhe selbst entspricht einer Größe namens elektrisches Potential, das entweder selbst mit I oder auch mit φ bezeichnet wird, und so ist

U = Δφ = ΔΕ_p/q,

wobei E_p die potentielle Energie eines Ladungsträgers und q dessen Ladung ist.
Gibt es viele davon und durchströmt in einer Zeitspanne Δt eine Anzahl Δn einen Leiterquerschnitt, so ist die Stromstärke

I = qΔn/Δt.

Kommentar von Usedefault ,

Bedeutet das, dass mehr Spannung U (Volt) die einzelnen Ladungsträger mit mehr elektrischer Energie bestückt, wie ein Volleyball der schneller über das Spielfeld fliegt, weil er vom Spieler stärker gestoßen wurde?

Das würde erklären warum weniger Teilchen (niedriger Strom) bei hoher Spannung (viel Andruck) gleich viel Leistung erbringen wie umgekehrt.

Aber warum braucht dann ein Elektroschocker als Beispiel so viele wollt? Wirken sich wenige Teilchen mit hoher Eigenenergie auf den Körper anders aus, als viele Teilchen, mit wenig Eigenenergie?

Kommentar von SlowPhil ,

Bedeutet das, dass mehr Spannung U (Volt) die einzelnen Ladungsträger mit mehr elektrischer Energie bestückt, wie ein Volleyball der schneller über das Spielfeld fliegt, weil er vom Spieler stärker gestoßen wurde?

So ungefähr. U hat nur etwas mit der Kraft zu tun, ob die nun in die Geschwindigkeit geht oder ob sie gegen einen Widerstand (mechanisch wie elektrisch) gerichtet ist, die eine weitere Beschleunigung über ein bestimmtes Maß hinaus verhindern.

Das würde erklären warum weniger Teilchen (niedriger Strom) bei hoher Spannung (viel Andruck) gleich viel Leistung erbringen wie umgekehrt.

So ist es.

Kommentar von Usedefault ,

Und wie lässt sich die Definition für V = J pro C verstehen?

Bedeutet das, bei 10V Spannung werden bei 1 Ampere 10 Joule in der Sekunde auf z. B. einen Widerstand einwirken?

Kommentar von SlowPhil ,

Einwirken tun meist Kräfte. Besser ausgedrückt verrichten 10V an 1C 10J Arbeit, und dieses C fließt bei 1A in einer Sekunde durch einen Leiterquerschnitt. Die Ladungsträger werden dadurch aber nicht immer weiter beschleunigt, weil sie die verrichtete Arbeit an den Leiter weitergeben, weswegen der ja auch warm wird. In der Glühlampe nutzt man genau das aus, denn da ist der Innenwiderstand groß und trotzdem muss derselbe Strom wie überall fließen. Daher liegt der Großteil der Spannung dort an, und die Glühlampe zieht die meiste Leistung im Stromkreis und wird richtig heiß.

Kommentar von Usedefault ,

Und verrichten 10V Spannungsdifferentialkraft somit an 2 C nur 5 Joule? Bedeutet das, je mehr Elektronen im Stromkreis, desto weniger E_pot/q bei gleichbleibender Voltzahl?

Kommentar von SlowPhil ,

Nein, 20J. Je mehr U, desto mehr E. Um 1 Tafel Schokolade 1m hoch zu heben, braucht man 1J, die beim runterfallen wieder frei werden. Für 2 Tafeln braucht man 2J. Wie Energie und Masse im G-Feld, so sind auch Energie und Ladung im E-Feld verhältnisgleich, nicht produktgleich.

Kommentar von Usedefault ,

Mir trat heute schon der Vergleich zum G-Feld ins Bewusstsein, nur dachte ich, das E-Feld ist ja abschirmbar.

Stimmen meine folgenden Ansichten:

Die Spannungsquelle erzeugt mit "Gewalt" (Redoxreaktion) freie Elektronen, welche sich wie ein Gas auf die Leiter (den Raum) ausdehnen, wodurch nach kurzer Zeit eigentlich der Ort der Spannungsquelle nicht mehr durch die Elektronendichte bestimmbar wäre. Außerdem wirkt das elektrische Feld überall gleich stark, solange kein Strom fließt und kein Widerstand das Feld verzerrt. Im Elektrischen Feld übt jedes Elektron dieselbe Abstoßungsenergie auf alle anderen e- aus, wodurch sich die Spannung nicht linear aufbaut, sondern in alle Richtungen.

Je höher die Elektrondichte, desto größer ist somit die Spannung U am Minuspol, da ja die Abstoßung der e- die Spannung überhaupt erst bewirkt. Selbes gilt beim Pluspol mit dem e- Unterdruck. Oder spricht man bei einem einzelnen Pol nicht von Spannung?

Um die Spannung zu verdoppeln müsste man entweder die Elektronenzahl verdoppeln oder den Raum für die Elektronen halbieren.

Beschreiben die J bei V = J pro C also die Kraft mit der sich Ladungen ausdehnen oder bewegen? Dann wird ja die Spannung weniger, angenommen die Elektronen könnten sich auf einem extrem langen neutralen Leiter ausdehnen. Kann man bei einem einzelnen Pol überhaupt die Spannung, welche von den Elektronen erzeugt wird messen oder braucht man zur Spannungsmessung immer einen Bezugspunkt: Gibt es ein Messgerät, welches z. B. bei der 9V Batterie erkennen könnte: "Aha, diese Halbzelle hat 4,5V!"

Ändert sich das elektrische Feld mit der Bewegung der Elektronen stetig? Wirken die Elektronen nur auf ihre Nachbarn abstoßend, oder auch auf Elektronen die 3cm entfernt sind.

Ist die Spannung ALLEIN die Konsequenz der Elektronendichte, bzw. des Unterschieds von zwei Orten unterschiedlicher Elektronendichte, oder gibt es noch eine weitere Energieform, die sich im Stromkreis mitbeteiligt, wie Vibrationen oder Geschwindigkeit der Elektronen und somit höhere E_pot?

Kommentar von SlowPhil ,

Mir trat heute schon der Vergleich zum G-Feld ins Bewusstsein, nur dachte ich, das E-Feld ist ja abschirmbar.

Ja, weil es zwei entgegengesetzte Ladungen und sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte gibt. Daher kann durch Influenz (in einem hohlen Leiter erzeugt das elektrische Feld ein Gegenfeld, indem es dort Ladungen trennt). 

Die Spannungsquelle erzeugt mit "Gewalt" (Redoxreaktion) freie
Elektronen,…

Nein, eigentlich nicht. In Metallen sind freie Elektronen reichlich vorhanden. Die Spannungsquelle trennt Ladungen auf engstem Raum mit Verbindung nur über die Leitung, ähnlich wie das Herz in den unterschiedlichen Kammern einen Druckunterschied erzeugt.  

…welche sich wie ein Gas auf die Leiter (den Raum) ausdehnen,…

So etwa. Entscheidend ist, dass es an einer Seite einen Überschuss an freien Elektronen gibt.

Kommentar von Usedefault ,

Langsam festigt sich mein Bild von elektrischer Spannung. Aber ist die Spannung rein die Konsequenz der abstoßenden bzw. anziehenden Kräfte? Oder werden die e- auch noch anderweitig mit Energie durch die Batterie versehen?

Expertenantwort
von realistir, Community-Experte für Elektronik, 35

Warum neigen einige Leute zur Übertreibung, oder vereinfacht gesagt zur üblichen Lehrmeinung?

Wieviele Lehrmeinungen waren zu Einsteins Zeiten aktuell und unumstößlich?
Wurden aber nach Entdeckung der Quanten"Theorie" als überholt und teilweise falsch beschrieben. ;-) Vergessen wird zu oft, selbst Wissenschaften sind nur reine Theorie.

Vereinfache die Sache doch, denke praktischer.
Spannung ist sinngemäß nichts weiter als die treibende Kraft.
Strom ist das was in Bewegung ist, wenn die treibende Kraft etwas sinngemäß fließen lässt. Das wären die einfachsten Grunddefinitionen.

Wer es dann genauer haben will, kann sich mit physikalischen Defintionen beschäftien, wenn das als sinnvoll und nötig empfunden wird.

Oh oh, wenn du nun anfängst überlegungen anzustellen, wieso ein Elektroscocker mit Kilovolt ungefährlicher ist als 230 V Netzspannung, solltest du viel mehr medizinisches Wissen haben.

Elektrisches kann ab dies und jenes tödlich sein! Bekannt ist aber auch, Elektrisches kann auch wiederbeleben, wenn man die Zusammenhänge kennt, versteht. Stichwort Defibrillator. Wenn es heißt, laden auf 200 und weg vom Tisch, bedeutet das was genau?

Warum wird nicht erklärt, was dieses laden auf 200 bedeutet, und wieso es heißen muss, weg vom Tisch. Eines bedeutet es auf jeden Fall, diese Ladung versucht ein still stehendes Herz zum schlagen zu animieren. Für alle gesunden, also schlagenden Herzen kann diese Ladung sich anders auswirken, deshalb weg vom Tisch!

Ich erwähne es hier nur deshalb, damit für dich die Schwelle zwischen Leben und Tod vielleicht etwas deutlicher wird. Es ist oftmals nur ein schmaler Grad, der über Leben und Tod im Zusammenhang mit Elektrizität besteht.

Deswegen keine Experimente die riskant sind, sein können.

Kommentar von Usedefault ,

Danke erst für die Antwort. Kläre mich hinsichtlich meiner medizinischen Unbildung bitte auf :-) Meine Frage kurz und prägnant: Bei 230V fließt mit einem kleinen Widerstand doch GLEICH VIEL Strom, wie bei 230.000V mit einem relativ großen Widerstand. Es fließt ja DIESELBE Menge an q/t und dennoch haben alle herkömmlichen E-Schocker so eine hohe Voltzahl.

Expertenantwort
von Peppie85, Community-Experte für Elektronik, 42

die spannung ist der druck der den strom gegen den Widerstand durch die leitung presst...

lg, Anna

Kommentar von Usedefault ,

Ja, das weiß ich eh. Aber was ist dann der Sinn des Trafos, sprich: Was unterscheidet niedrigen Strom mit hoher Spannung von hohem Strom mit niedriger Spannung, außer dass, wie ich glaube, hohe Spannung weniger Energieverlust bringt, in Relation. Fließt bei hoher Spannung der Strom doppelt so schnell, oder z. B. bloß mehr Teilchen pro Querschnitt?

Kommentar von Peppie85 ,

mit einer höheren spannung kannst du mehr strom durch die gleiche Leitung pressen. das Wasser kommt ja z.B. mit 6 Bar aus deiner duschkopfbrause, angeschlossen mit einem 15 mm Kupferrohr. der Abfluss muss aber deutlich dicker bemessen sein, weil das wasser mit einem wesentlich niedrigeren durck, quasi ganz ohne druck abfließt.

lg, Anna

Kommentar von Usedefault ,

Wenn bei 20V doppelt so viele Elektronen fließen, als bei 10V (in ein- und demselben Leiter getrieben durch die Spannungsquelle), dann müssen entweder mehr Elektronen pro Zeit durch einen Querschnitt fließen, oder mehr Elektronen nebeneinander.

Wenn ich - rein hypotethisch - 100 e- durch eine Leitung treibe mit 10V und dann treibe ich 50 e- durch dieselbe Leitung mit 20V, dann fließen pro Querschnitt sozusagen gleich viele Elektronen, kompensiert durch die Geschwindigkeit? Oder fließen bei 20V weniger Elektronen, welche aber z. B. stärker zappeln und deshalb dieselbe Leistung erbringen?

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