Elektrisches Potential?
Moin. Es gibt eine Frage zum Thema Potential und Potentialunterschied, was ich irgendwie nicht 100% verstehe.
Nehmen wir mal eine Batterie 12V und eine Batterie 24V. Mir ist klar, dass die Spannung sich auf die Potentialdifferenz zwischen + und - Pol der jeweiligen Batterie bezieht. Das heißt zwischen diesen beiden Punkten herrscht die Differenz von 12 bzw 24V.
Könnte es aber trotzdem möglich sein das zwischen dem Pluspol der 12V Batterie und dem + Pol der 24V Batterie ebenfalls ein unterschied herrschen könnte? also nur zwischen + Pol der einen Batterie und + Pol der anderen Batterie?
Wieso können keine Elektronen zwischen + Pol der 12V Batterie und dem + Pol der 24V Batterie wandern? Währe es theoretisch möglich zwischen diesen beiden Punkten auch einen Potentialunterschied festzustellen? Wie ist das zu verstehen?
6 Antworten
Das geht nur, wenn eine Verbindung zwischen den beiden besteht. Also wenn die beiden Batterien elektrisch verbunden sind.
- Potential ist wie eine Höhenangabe über Meer. Die Spannung ist dann die Potentialdifferenz, sie treibt die Elektronen "zur Arbeit". Bildlicher Vergleich mit Höhe: Es ist (fast) das Gleiche, ob du in Holland 10 Meter hinunterstürzt, oder auf dem Kilimandscharo. Die Differenz macht es aus, nicht die absolute Höhe.
- Eine Aufgabe zum Potentialunterschied zwischen zwei Batterien, die nicht verbunden sind, wäre analog bei der Höhe: Eine Person steht auf der Erde auf einem Berg, eine andere auf dem Mond ebenfalls auf einem Hügel; bestimme deren Höhenunterschied. Die Verbindung und die Referez fehlt.
Wie du anhand des Wasserstoffpotential richtig feststellst, braucht es immer einen Bezugspunkt. Ein Potential für sich allein besteht nirgends. Auch wenn ich igendwo einen Elektronenüberschüss oder -mangel annehme, kann ich dem allein noch kein Potential zuordnen, bzw. man kann es nicht quantifizieren. Eigentlich meint man also immer schon Potentialdifferenz, wenn man Potential sagt.
Zu jedem Elektronenübeschuss muss also ein entsprechender Mangel vorliegen.
Und dieser Überschuss "fühlt" sich halt nur zu genau jenem Mangel hingezogen, zu dem er in Bezug steht (z.B. durch die erfolgte Ladungstrennung durch eine galvanische Zelle), und nicht zu irgendeinem andern.
Übertragen auf das Bild von Erde und Mond:
Ein Stein rollt auf der Erde den Berg hinunter, und auch auf dem Mond, bleibt aber auf dem jeweiligen Himmelskörper. Es gibt nichts, was ihr zum andern Himmelskörper hin bewegen würde.
Ne Wenn wir ein Element haben dass jetzt eine Potentialdifferenz von XV gegenüber dem Wasserstoff aufweist, dann kennen wir seine "Elektronegativität" Wenn ich jetzt ein anderes Element habe, das gegenüber dem Wasserstoff eine Potentialdifferenz von YV aufweist, dann kennen wir die Elektronegativität des anderen Elements.
Wenn ich jetzt wissen möchte welche Potentialdifferenz die Elemente nun haben wenn wir die miteinander vergleichen dann haben wir zV=XV-YV wir orientieren uns lediglich an dem Wasserstoff um einen Anhaltspunkt zu haben. wir hetten aber auch ein anderes Element nehmen können um uns daran zu orientieren.
Das Elektrische Potential einer Ladung ist doch definiert über die LAGE einer Ladung innerhalb eines Feldes. Also sie hängt vom Ort X meiner Ladung ab in der sie sich gerade befindet und welche Ladungen befinden sich im Umfeld meiner Ladung usw. Wie sieht meine Ladungsverteilung aus?
Das geht mit der Gravitation auch und es kann durchaus ein Punkt vom Mond auch zur Erde wandern wohin der Punkt allerdings wandert hängt vom Radius ab und welche Energie ich aufbringe. Wenn ich von der Erdoberfläche ein Objekt nur ordentlich genug beschleunige, dann kann er durchaus auch zum Mond wandern warum nicht? Das Potential der Ladung ergibt sich doch aus dem Coulomb Gesetz, es beschreibt ja die Wechselwirkung zwischen Ladungen und ist die treibende Kraft wenn es darum geht den Bewegungszustand einer Ladung zu ändern wir nehmen ja die Masse einer Ladung mit 0 an also keine gravitativen Einflüsse:
Fel=K*(Q1*Q2/r^2)
Wird eine Ladung Q im elektrischen Feld bewegt wird IMMER Arbeit verrichtet die Ladung benötigt Arbeit um den Radius zu vergrößern und sich so aus dem Feld herauszubewegen benötigt die Ladung Energie bewegt sich die Ladung auf das Feld zu also auf dessen Zentrum wo sich per Definition eine andere Ladung befindet, so wird Energie (je nach Vorzeichen der Ladungen) frei.
Das Elektrische Potential ist nun die Fähigkeit dieser einen Ladung innerhalb dieses Feldes Arbeit zu verrichten oder die sie benötigt um sie innerhalb des Feldes zu bewegen. Wir können also durchaus eine einzelne Ladung betrachten und uns fragen was für ein Potential hat die Ladung in diesem Feld? Denn das Feld könnte ja auch eine Überlagerung mehrerer Felder sein die Gleichung dafür lautet:
W=K∫(Q/r^2)*dr
und das währe dann entsprechend wenn wir das Integral ausrechnen für 2 Ladungen (kann wie gesagt auch eine Überlagerung sein):
Φ=K*Q/r
und wir sehen das Potential Φ der Ladung Q ist nur vom Radius dieser Ladung zum Zentrum des Feldes abhängig also der Abstand von einer Ladung zu einer anderen z.b. der Abstand von einer negativen Ladung zu einer anderen negativen Ladung oder zu einer positiven Ladung. Je nach dem Und wie gesagt es können auch mehrere Ladungen im Spiel sein und somit mehrere Felder.
Bei der Gravitation gibt es die selben parallelen das Gravitationsgesetz und das Coulombgesetz sind schon sehr ähnlich was das angeht.
Jetzt könnten wir also durch aus ein Fall haben, dass ein Objekt eine Sonde was auch immer sich genau zwischen Erde und Mond befindet ja wohin wird er jetzt fallen? Nirgends es ist im Kräftegleichgewicht und ein solcher Fall könnte durchaus auch bei Ladungen eintreten. Wenn ich das Objekt nun ein kleines bisschen mehr zum Mond bewege wird er zum Mond fallen wenn ich es ein kleines bisschen näher zur Erde bewege wird es auf die Erde fallen.
Nehmen wir also wieder unsere Überlegung mit der Batterie und tun so als würde die Batterie eine Box sein in der sich nun freie Ladungsträger befinden nur eben im Überfluss der Teil der Box ist also elektrisch negativ geladen ganz im Sinne der Elektrostatik, keine Chemie nichts.
Und jetzt schneide ich wieder die Batterie in 2 Hälften und verbinde den Teil nun mit einem Teil bei der ein Mangel herrscht Natürlich wird diese Box sich nun über den Punkt entladen.
Das ist genauso wie als wenn ich mich nun am Stoff meines Autos auflade. Dann bin ich ja elektrisch negativ geladen ich habe meinem Stoff im Auto Elektronen entnommen wie hoch mein Potential nun gegenüber ein bestimmten Punkt ist hängt nun davon ab auf welchen Punkt ich das Beziehe aber die Elektronen müssen nicht wieder zurück zum Stoff, sie können auch woanders hin. Ich kann mich also in meinem Auto aufladen aber mich an der Batterie am Massepunkt meines Freundes entladen es muss nicht das gleiche Auto sein. Deshalb ist die Annahme, das die Batterie wie eine Box währe mit Elektronen Mangel und Elektronenüberschuss falsch und ich denke das das ursprünglich mein Gedankenfehler war, weil mir das in der Lehre so gesagt wurde mit der Chemie habe ich eigentlich nichts zu tun. Ich weiß das jetzt auch nur weil meine Freundin Chemie studiert.
du überlegst dir sehr viel und auch gut.
Trotzdem hilft es in deiner Grundfrage nicht weiter. Ich habe noch nicht herausgefunden, wo der Denkknoten lieget.
Nur ein paar Beispiele:
- In einigen deiner Fälle hast du schon ein Mehrkörperproblem. Schon ein Dreikörperproblem (meher als zwei Ladungsmittelpunkte) kann sich chaotisch verhalten, ohne analytische Lösung.
- Beispiel am Schluss mit Auto-Aufladung: Wenn du dich aufgeladen hast am Auto, dich aber anderswo entlädts, kannst du dich nicht ganz "entladen", sondern erzielst nur ein Gleichgewicht zwischen Dir und dem andern Gegenstand; ihr beide seid dann immer noch aufgeladen gegenüber dem ersten Auto.
- Auch bei denem Satz "Das Elektrische Potential einer Ladung ist doch definiert über die LAGE einer Ladung innerhalb eines Feldes. Also sie hängt vom Ort X meiner Ladung ab in der sie sich gerade befindet und welche Ladungen befinden sich im Umfeld meiner Ladung usw." bezieht sich das Potential auf einen definierten Referenzpunkt, z.B. den Nullpunkt am "Ende" des Feldes, wo eine Probeladung nicht mehr weiterkann.
- Fazit: Man findet nirgends eine absolute Definition von Potential.
Ja aber wie schon gesagt alleine das überhaupt eine Entladung am anderen Auto stattfindet so groß sie auch sein mag zeigt ja, dass ich trotzdem zwischen anderen Punkten einen Unterschied haben kann.
Der Aufbau der Batterie entspricht aber dem chemischen Aufbau einer galvanischen Zelle. Wenn ich jetzt z.b. 2 gleiche Batterien habe, dann habe ich es ja am Pluspol mit dem gleichen Aufbau zu tun, der Unterschied wird also 0 sein, auch ein elektrochemisches Potential würde nicht vorliegen Kupfer und Kupfer haben an sich erstmal keinen Unterschied gegeneinander.
Der Stromkreis in der Batterie wird vor allem aber nicht nur durch die Verbindung von + nach Minus geschlossen sondern auch durch das Gitter in der Batterie durch denen die Ionen wandern können und so für einen Potentialausgleich in der Lösung sorgen. Z.b. Deshalb würde auch das Prinzip der Batterie verloren gehen, wenn ich sie in 2 Hälften schneide.
Der Denkfehler bestand darin, das ich überhaupt so getan hatte als währe eine Batterie ein System, das auf dem Prinzip der Elektrostatik beruht aber so einfach ist das nicht.
Potentialunterschiede müssen in einem Zusammenhang stehen. Bei einer Batterie ist das der Minus und der Pluspol. Wenn (-) auf 0V liegt und (+) aus 12V dann hat der (+) gegenüber dem (-) eine Potentialdifferenz. Der (+) von der 24V-Batterie hat aber keinen Bezug zum (+) der 12V-Batterie... Außer man verbindet beide (-)Pole... Dann hast Du zwischen (+) der 12V-Batterie und dem (+) der 24V-Batterie eine Potentialdifferenz von 12V... Weil eben beide einen gemeinsamen Bezugspunkt bekommen haben. So lange aber jede Batterie für sich ist, besteht zwischen denen keine Beziehung. Wenn Du also jetzt beide (+) gegeneinander misst, wird das dein gemeinsamer Bezugspunkt über das Messgeröt und somit sind beide Punkte auf dem gleichen Bezugspotential. Potentialunterschied = 0V
Die Erklärung habe ich tatsächlich auch schonmal gehört und vom Prinzip her ist mir das auch klar. Das heißt die beiden Pluspole stehen nicht in einem Bezug zueinander.
Aber wenn ich mir das was in der Batterie vorherrscht vorstellen würde, dann heißt es ja, dass ich auf der einen Seite einen Elektronenüberschuss habe und auf der anderen Seite einen Elektronenmangel.
Was ist jetzt aber wenn ich auf dem Pluspol der einen Batterie einen größeren Elektronenüberschuss habe (Technische Stromrichtung) als auf der anderen Batterie? Was spricht konkret dagegen, dass Elektronen der einen Batterie vom Plus pol zum Pluspol der anderen Batterie wandern. wo der Elektronenüberschuss ja geringer ist.
Ich stelle mir das so vor: Wir haben beide Batterien da und jetzt schneiden wir die Batterien in der Mitte durch, sodass wir den - Pol theoretisch komplett wegwerfen können. Sodass nur der Teil mit dem Elektronenüberschuss bleibt.
und jetzt Messe ich zwischen diesen beiden Punkten. Warum Messe ich nichts. Bisher war die Argumentation ja, weil sie keinen Bezug zueinander haben aber irgendwie erklärt es mir noch nicht so ganz, warum dort, wo der Elektronenüberschuss größer ist keine Elektronen zu dem Punkt wandern wo der Elektronenüberschuss geringer ist bis sich die beiden Punkte in ihrer Anzahl sozusagen ausgleichen. Immerhin werden die Elektronen untereinander abgestoßen und bei dem einen ja stärker als bei dem anderen. was spricht dagegen?
Ich meine Schlussendlich werden die Elektronen ja über das elektrische Feld beschleunigt.
Ah ich habe die Lösung. Die Antwort liegt in dem Grundsätzlichen Aufbau von Akkus und Batterien und dem chemischen Vorgang selbst.
Nehmen wir z.b. die Redoxreaktion einer galvanischen Zelle. Da gab es ja mal den Versuchsaufbau mit Zink und einer Zinksulfat Lösung und Kupfer mit einer Kupfersulfat Lösung. Das heißt wir haben auf der einen Seite Kupfer in seiner reinen und in seiner reduzierten Form mit Kupfer 2+ Ionen vorliegen.
Ein Strom vom Zink zum Kupfer fließt doch nur deshalb weil zwischen den beiden ein elektrochemisches Potential vorliegt das Zink geht in Lösung, gibt dabei 2 Elektronen ab, diese werden vom Kupfer in der Kupfersulfat Lösung aufgenommen wodurch diese zum elementaren Kupfer werden usw. Aber jetzt lädt sich die Lösung des einen stark negativ auf während sich die Lösung des anderen stark positiv auflädt. Durch eine Mebran die nur Ionen durchlässt können die Zink Ionen in die Kupfersulfatlösung und die Ladung in der Lösung kann sich ausgleichen.
Dieser Vorgang geht dann solange weiter bis sich das Zink vollständig aufgelöst hat.
Es ist also nicht so, dass man 2 Gefäße hat in denen sich Elektronen befinden, die elektrische Spannung kommt eher durch das elektrochemische Potential zustande und dann erklärt es auch, warum nichts passiert wenn wir nur beide Pluspole miteinander verbinden weil zwischen denen kein potential herrscht.
weil wir sozusagen dann 2 Kupfersulfatlösungen hätten und vor allem wenn wir die Batterien räumlich trennen würden könnten sich auch die Lösungen nicht elektrisch ausgleichen. Weil wohin mit den Ionen?
Damit die beiden Spannungsquellen überhaupt etwas "miteinander zu tun" haben musst Du die Massen verbinden, so dass Du eine gemeinsame Masse hast. Dann misst Du, gegen Masse, auf der einen Batterie 12V und auf der anderen 24V. Das würdest Du, ohne gemeinsamer Masse, auch gegen die zugehörigen Masse der jeweiligen Batterie messen, ABER nicht, wenn Du keine Masseverbindung hast und + gegen + misst.
ja das ist klar mir ging es aber die zugrundeliegende Erklärung warum das so ist. Denn wir sind z.b. auf den chemischen Aufbau der Batterie nicht näher eingegangen und haben so getan als währe die Batterie eine Box mit 2 Behälter wo jewails Elektronenmangel und Elektronenüberschuss herrscht.
Aber diese Annahme ist falsch und dann würde sich diese Batterie auch völlig anders verhalten.
Der Grund meiner Frage ist eigentlich, dass wir eine Schaltung hatten und ich habe diese Schaltung einmal unter Batteriebetrieb getestet und gemessen und einmal mit einem Netzgerät an der ich die Versorgungsspannung variieren konnte.
Während ich aber mit dem Netzgerät gemessen habe habe ich nur die Masse getrennt aber + war weiterhin an der Batterie und ich habe das + meines Netzgerätes daran angeschlossen weil da ja wie gesagt nichts sein konnte und hier kam ein Kollege an und meinte:
"Was tust du da? Das kannst du doch nicht machen, das führt zu Messfehler... Hast du nichts vom elektrischen Potential gehört?"
Und dann habe ich gefragt: "Ja aber warum sollte da den eine Potentialdifferenz sein?" und es ging hier um eine Messgenauigkeit von +- 0,1V
Aber deshalb habe ich mich intensiver mit dem Thema beschäftigt und mich gefragt: "hmm warum habe ich keine Potentialdifferenz? Wenn die Batterie angeblich eine Box sein soll mit 2 unterschiedlich geladenen Fächern" und genau das ist der Knackpunkt die Batterie ist eben nicht eine Box mit 2 unterschiedlich geladenen Fächern. Weil dann währe das ja Elektrostatik. Aber genau das bekommt man in der Lehre so immer gesagt was eben genau zu diesem Missverständnis führt wenn man sich dann mit dem elektrischen Potential an sich beschäftigt.
LG H.
zwischen dem Pluspol der 12V Batterie und dem + Pol der 24V Batterie ebenfalls ein unterschied herrschen könnte?
ja aber nur wenn diese beide Spannungsquellen miteinander EINEN Stromkreis bilden. das passiert erst wenn von BEiden Batterien die Minuspole miteinander verbunden sind.
In der Elektrotechnik spricht man immer von min. 2 Polen in EINEM Stromkreis. Nur dann lässt sich auch Potentialunterschied messen.
Ja das ist an sich ja klar. Mein Verständnisproblem war ja nur der folgende:
Woher kommt die Potentialdifferenz zwischen Pluspol und Minuspol? Die Erklärung die uns vor den Latz geworfen wurde war:
Das Problem in der Sache ist nur, wenn man sich das Bildlich genauso vorstellt, dann stellt man sich eine Art Box mit 2 Fächern vor in denen sich freie negative Ladungsträger befinden. Im anderen Fach befinden sich dagegen die Löcher die sich wie positive Ladungsträger verhalten.
Jetzt ist es so, dass Elektronen ja über das elektrische Feld beschleunigt werden und es gilt das Coulombgesetz.
Wer sagt dann also, das ausgerechnet NUR zwischen diesen Punkten eine Differenz herrscht? Wieso soll den niergendwo sonst nicht auch ein Potential gegenüber diesem Punkt vorliegen? Das Potential an sich ist ja erstmal nichts anderes als eine Ladung in einem Feld, die potentielle Energie der Ladung in diesem Feld.
Jetzt könnte ich ja auf die Idee kommen diese Fächer Räumlich komplett voneinander zu trennen und dann müsste hier ein Potential gegenüber ein Feld vorliegen.
Genauso ist es in der Chemie ja auch und wird als elektrochemisches Potential bezeichnet. Hierbei wird das elektrochemische Potential des Wasserstoffs als Bezugspotential genommen und dann das Potential gegenüber dem Wasserstoff gemessen.
Die Lösung war, dass es sich bei der Batterie eben NICHT um 2 Behälter handelt in denen sich freie Elektronen und Löcher befinden sondern erst der chemische Aufbau der galvanischen Zelle eine Batterie erst zu dem macht was sie ist.
Denn ansonsten müsste es sich Verhalten wie bei der Elektrostatik aber genau das tut es ja eben nicht. Würde man eine Batterie in 2 Hälften zerteilen dann währe sie ja nicht mehr das was sie ist.
Wenn ich mich z.b. im Auto meines Freundes elektrisch auflade, dann kann die Entladung ja auch an der Masse meines Fahrzeugs stattfinden.