Erdung (Ground) eines Stromkreises (eine Verständnisfrage)?
Hallo,
ich habe eine Frage zum Konzept der "Erdung" (engl. ground, earth) aus Elektrotechnik. Es wird ja zum einen als "Erde" ein fix gewählter Referenzpunkt bezeichnet (da Spannung immer eine DIFFERENZ zwischen zwei Potentialen an zwei Punkten innerhalb einer Schaltung ist), anderseits bezeichnet "Erdung" die sogennate Schutzerdung um gefährliche Ströme abzuleiten. Eine Frage dazu zur folgenden elementaren Beispiel-Schaltung.
Wir haben einen Stromkreis bestehend aus einer 5-Volt Batterie und einem Abnehmer mit Widerstand R:
So hat der rot eingezeichnete Bereich zwischen dem Pluspol und dem "oberen" Kontaktpunkt zum Abnehmer ein bestimmtes hohes Potential P_R, und dergrün eingezeichnete Bereich zwischen dem Minuspol und dem unteren Kontakt zum Abnehmer ein niedriges Potential P_G.
Wenn wir also als "Erde" einen beliebigen Referenzpunkt im roten Bereich wählen, dann haben wir an allen Punkten im roten Bereich Spannung (relativ zu diesem Ref-Punkt) gleich 0V und in allen Punkten im grünen Bereich die Spannung-5V. Wenn wir einem Referenzpunkt im grünen Bereich wählen würden, hätten alle Punkte ausm roten Bereich Spannung +5V und ausm grünen 0V.
Soweit die Vorstellung korrekt?
Nun das eigentliche Problem/Gedankenexperiment:
Angenommen, wir verbinden den obigen Stromkreis wörtlich mit Erde (wie bei einer "Schutzerdung":
Ändert sich dann das Verhalten im Stromkreis?
Ja, nein, wenn nein, wieso nicht?
Meiner Vermutung nach, müsste es sich anders verhalten, da das Potential der Erde (in blau) ja a priori einen anderen Wert hat als das Potential im grünen Bereich im ersten Bild habe. Wenn wir also wie im Bild 2 den grünen Bereich mit Erde verbinden, dann findet dort (da kein Widerstand zwischen grün und Erde besteht) in Sekundenbruchteilen ein Angleichsprozess statt und es stellt sich dort ein neuesPotential ein, der ungefähr dem der Erde vor der Vebindung entspricht (da Erde idealisiert betracht) sehr viele Ladungsträger - hier beim Kontakt vom Minus-Pol kommend -ohne dass sich deren Potential ändert.
Also hätte nach meiner Vorstellung der grüne Bereich nachdem es mit Erde in Kontakt käme ein anderes Potential als im ersten Bild.
Dann wäre aber die Spannung (betrachtet wieder als Differenz) nach dem Verbinden des grünen Bereichs mit der Erde wie im 2. Bild zwischen Punkten im roten Bereich und einem Referezpunkt aus dem grünen Bereich einen anderen Wert als im 1. Bild.
Anderseits muss es bei +5V bleiben nach Kirchhoffschen Regeln wegen der Batterie.
Wo ist mein Denkfehler?
4 Antworten
Zwischen der gezeigten Schaltung und der Erde fließt kein Strom, weil dazu mindestens eine von zwei Voraussetzungen fehlen:
- Die Erde ist hier in keinen Stromkreis eingebunden. Deshalb kann da kein kontinuierlicher Stromfluss zustande kommen.
- Die Schaltung enthält keine elektrostatische Aufladung. Deshalb findet auch kein Ladungsausgleich zwischen Schaltung und Erde für Sekundenbruchteile statt wie z.B. bei der Gewitterwolke.
Die gesamte Schaltung ist nach außen hin genauso elektrisch neutral wie die Erde. Beide Reservoirs haben also das gleiche Potential. Potentialdifferenzen innerhalb des geschalteten Stromkreises sind für das Potentialverhältnis zur Erde so bedeutungslos wie die Kräfte an der Kurbelwelle eines ausgekuppelten Antriebsmotors für die Beschleunigung des Fahrzeuges.
Deinen Denkfehler habe ich rein zufällig gestern anlässlich einer ähnlichen Fragestellung ausführlicher beschrieben unter
https://www.gutefrage.net/frage/strom-physik-2#answer-414176020
Damit bin ich innerhalb von 2 Tagen gleich auf 2 Opfer eines grundlegenden didaktischen Fehlers in der Physik gestoßen:
Die Beschreibung des einfachen Stromkreises nach dem elektrostatischen Modell!
Da muss ich mich leider wiederholen: Die gesamte Schaltung ist nach außen hin elektrisch neutral. Die inneren Potentialdifferenzen in der Schaltung sind für das Verhältnis zur Erde bedeutungslos.
Wenn nun ein kleiner Stromstoß zwischen dem grünen Leiter und der Erde zustande käme, dann müsste man ja dazu erst Energie aufwenden, um Elektronen von einem Reservoir in das andere zu verschieben. Dann würden wir „Elektronenmangel und Elektronenüberfluss“, also eine elektrostatische Aufladung bewerkstelligen. Und bei der Entladung gäbe es wieder einen kurzen Stromstoß in umgekehrter Richtung.
„…. liegt doch genau die Voraussetzung fuer Stromfluss vor, eine Potentialdifferenz und leitende Verbindung besteht.“
Nein, da liegt eben keine Potentialdifferenz vor!
Eine Potentialdifferenz liegt zwischen den Anschlussklemmen der Batterie an. Wenn der Widerstand dazwischen hinreichend klein ist, dann bewirken die Chemikalien in der Batterie den Verschub der Elektronen durch den Stromkreis wie die Perlen auf der Perlenkette. Solange am einen Pol der Batterie nicht genauso viele Elektronen einlaufen wie am anderen Pol auslaufen, solange kann sich da nichts bewegen. Andernfalls müssten ja Elektronen auf einer Seite verdichtet und auf der anderen Seite ausgedünnt werden! Wenn nun Elektronen von der Batterie zur Erde fließen würden, dann müssten ja auch genauso viele Elektronen von der Erde zurück fließen über einen zweiten Leiter.
Die Elektronenverschiebung wird hier nicht elektrostatisch bewirkt: Da werden nicht Überfluss und Mangel ausgeglichen!
Der Schutzleiter erfüllt seine Aufgabe auch nur, weil in unserem öffentlichen Versorgungsnetz der Neutralleiter geerdet ist. Der Fehlerstrom fließt hier in einem geschlossenen Kreis vom Außenleiter über Isolationsfehler, Schutzleiter, Erde „Eingang“, Erde „Ausgang“, Sternpunkt des Transformators und zurück zum Außenleiter, immerzu im geschlossenen Kreis, bis der FI-Schalter oder der LS-Schalter auslöst.
Stromkreise über Erdleitungen werden immer über Erdungen an zwei Stellen geschlossen!
Ah ich verstehe (vermutlich) wo der Hamster bei mir humpelte. Die Batterie "treibt" mittels EMK (Elektromotirischer Kraft) die Elektronen voran und auf dem Leiter selbst gibt es nirgendwo Abschnitte wo unterschiedliche Potentiale vorliegen (ergo diese Aufteilung von mir oben in roten und gruenen Bereich eingeengt durch den Widerstand R als "Flaschenhals" ist schlicht und einfach eine falsche Vorstellung gewesen?). Also man koennte sich das besser wie eine Turbine vorstellen, die das Wasser im Kreislauf durch das Rohr bewegt ohne dass in irgendeinem Rohrabschnitt was zusammenstaut?
Bzw wenn wir wieder mit Potentialen arbeiten, kann man das wie folgt erklaeren:
Wuerde man jedem Punkt in Stromkreis aus Bild 1 nun ein elektrisches Potential (wie hier https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrisches_Potential) zuordnen, so laegen aussschliesslich auf den beiden Klemmpunkten am Plus und Minuspol jeweils einander entgegengesetzte nicht verschwindende Potentialwerte vor; an allen anderen Punkten im Stromkreis liege dann ein Nullpotential vor, soweit jetzt richtig?
"Also man koennte sich das besser wie eine Turbine vorstellen, die das Wasser im Kreislauf durch das Rohr bewegt ohne dass in irgendeinem Rohrabschnitt was zusammenstaut?"
Ja, das ist im Prinzip so richtig. Der rote Abschnitt zeigt das positive, der grüne Abschnitt das negative Potential an der Batterie. Die beiden Potentiale werden durch den "Flaschenhals" R1 getrennt. Andernfalls würde ja am Widerstand keine Spannung anliegen.
Wenn am Minuspol der Batterie ein Elektron ausläuft, dann muss am Pluspol ein Elektron einlaufen, im Prinzip. Die winzigen Abweichungen davon sind hier so minimal, dass sie für das Grundverständnis des Stromkreises völlig bedeutungslos sind und zunächst nur verwirren.
Wasser lässt sich nicht komprimieren. Die Elektronen dagegen lassen sich durchaus etwas komprimieren und strecken in sehr langen Leitern. Aber das ist hier im Dezimeterbereich in der Schaltung gar nicht messbar . Bei Überlandleitungen über 1000 km dagegen bereitet diese Kapazität in den Leitungen (so ähnlich wie die Kapazitäten in Kondensatoren) den Stromversorgern wegen des Wechselstromes durchaus Probleme.
Am roten Leiter zwischen Plusklemme und Widerstand-Anschluss ist an jeder beliebigen Messstelle das gleiche Plus-Potential (wenn wir bei Stromfluss den ganz winzigen Widerstand des kurzen Leiters vernachlässigen). Genauso ist an dem grünen Leiter zwischen Minus-Anschlussklemme und Widerstands-Anschluss an jeder beliebigen Messstelle das gleiche Minus-Potential. Wo Messpunkte widerstandslos elektrisch verbunden sind, kann es doch keine Potentialdifferenzen geben!
Du hast geschrieben: "Ja, das ist im Prinzip so richtig. Der rote Abschnitt zeigt das positive, der grüne Abschnitt das negative Potential an der Batterie. Die beiden Potentiale werden durch den "Flaschenhals" R1 getrennt. Andernfalls würde ja am Widerstand keine Spannung anliegen."
Irgendwie verwirrt mich das, ich dachte nach dem Durchlesen deiner letzten Antwort, dass genau darin mein Denkfehler lag.
Wenn die Sache mit dem Widerstand als "Flaschenhals" also doch korrekt ist, dann ist es doch tatsaechlich so, dass im Bereich zwischen dem Pluspol und oberen Kontakt (ergo rote Linie) ein konstantes Potential vorliegt, dass anders ist, als in der gruenen Linie, richtig?
Ok, wenn ich dich jetzt richtig verstehe, dann hat die Tatsache, das an beiden Enden des Widerstands verschiedene Potentialwerte vorliegen NICHTS mit der zuvor falschen Vorstellung von mir zu tun, das Elektronen an einer Seite (rot) des Widerstands sich "anstauen", auf der anderen (gruen) ein Elektronendefizit herscht (das wuerde ja wiederum wie dieseirrefuehrende Erklaerung, dass es dort auf einer Seite einen "Elektronenüberschuss", auf der anderen Seite einen Mangel gaebe, klingen).
Ja, jetzt bin ich verstanden worden, mit der ganz kleinen Einschränkung, dass bei genauer Betrachtung tatsächlich eine kleine Elektronen-Verdichtung im gesamten "grünen Bereich" und eine kleine Ausdünnung im gesamten "roten Bereich" auftritt. Diese kleinen Aufladungen konzentrieren sich aber erstens nicht auf die Widerstands-Umgebung und sind zweitens so gering, dass sich da keine messbaren gegensätzlichen elektrischen Felder aufbauen, von denen dann ein Feld mit einer Verbindung zur neutralen Erde zu entladen wäre wie z.B. ein Gewitterblitz.
Würden wir übrigens den roten Leiter über eine größere Strecke eng neben den grünen Leiter legen, dann würden sich an dieser gemeinsamen Strecke schon etwas größere gegensätzliche elektrische Ladungen in beiden Leitern aufbauen, ähnlich wie bei einem Kondensator: Siehe dazu bei "Influenz" nach.
Eine Influenz tritt übrigens auch beim Gewitterblitz auf: Wenn die negativ geladene Regenwolke sich dem Erdboden annähert, dann ergreifen in der Erdoberfläche viele Elektronen die Flucht wegen der gegenseitigen Abstoßung gleicher Ladungen. Es bildet sich zunächst ein positives Gegenfeld zur negativen Wolke aus, bis der Luftwiderstand überwunden wird und beide Seiten sich mit Blitz und Donner gegenseitig entladen.
Und das ist dann der Sonderfall, dass ohne geschlossenen Stromkreis ein Strom fließt, wenngleich auch nur für einige Tausendstel Sekunden. Und dieser Sonderfall mag für tote Kühe auf der Weide taugen, aber eben nicht als Anschauungsmodell für den einfachen Stromkreis. Das ist meine Kritik an einigen Physik-Didaktikern: Der Strom "zum Ausgleich von Überfluss und Mangel" passt nicht zur Veranschaulichung des Stromkreises!
Ich haette doch noch eine Frage zum folgenden Kommentar von dir. Du hast geschrieben:
"Die gesamte Schaltung ist nach außen hin genauso elektrisch neutral wie die Erde. Beide Reservoirs haben also das gleiche Potential. Potentialdifferenzen innerhalb des geschalteten Stromkreises sind für das Potentialverhältnis zur Erde so bedeutungslos wie die Kräfte an der Kurbelwelle eines ausgekuppelten Antriebsmotors für die Beschleunigung des Fahrzeuges."
Also so wie ich dich hier verstehe, heisst es:
Angenommen, wir haben ein elektronisches System (kann eine Schaltung sein, muss aber nicht, vgl mein Beispiel unten), das insgesamt elektrisch neutral ist, dh innerhalb des des Systems liegen zwar Bereiche mit verschiedenen Ladungen und/oder Potentialen vor (zB wenn im System zuvor kuenstlich eine Ladungstrennung durchgefuehrt worden ist), aber in der Summe bzw von aussen ist das System ladungsneutral. Erde wird ja idealisiert betrachtet ebenso als ladungsneutral angenommen.
Wenn wir nun die Erde an dieses System ueber ein leitfaehiges Material "anschliessen", heisst es dann zwingend, dass, weil das System in derSumme ladungsneutral ist, dass beim Kontakt mit der Erde nichts abfliesst? (so habe ich dich im oben zitiertem Abschnitt verstanden)
Aber da muss ich dir widersprechen. Dazu ein Gedankenexperiment. Angenommen, wir haben ein System aus zwei aneinander entgegengesetzt aufgeladenen Kondensatorplatten, die NICHT ueber eine leifaehige Verbindungmiteinander verbunden sind, also voneinader isoliert.
Hier ist es doch sinnvoll von einem Elektronenueberschluss auf einer Platte und Elektronenmangel auf der anderen Platte zu sprechen. Das System ja statisch. Und wenn man das ganze System betrachte, ist es insgesamt ladungsneutral, da in der Summe beide getrennte Ladungen sich ausgleichen.
Aber wenn wir an eine der Platten Erde anschliessen, fliessen die ueberschuessigen Elektronen doch in die Erde bzw der Elektronenmangel wird durch Elektronen aus der Erde ausgeglichen. Ist die Ueberlegung dieses Gedankenexperiments korrekt?
Wenn ja, muesste es doch im Widersprung zu deiner zitierten Behauptung stehen, oder missverstehe ich da wieder einen wichtigen Punkt?
Der geladene Kondensator ist nach außen hin elektrisch neutral. Bei den beiden Kondensator-"Platten" heben sich die entgegengesetzten Ladungen auf. Die Entladung ist nur unter Beteiligung beider Platten möglich. Die Ladungsverschiebung zwischen einer der beiden "Platten" und der Erde würde eine räumlich erhebliche Ladungstrennung darstellen, dazu müsste man Energie aufwenden. Die Neutralität des Kondensators müsste verletzt werden.
Beim geladenen Kondensator ist zumindest statistisch jedes Proton mit einem Elektron "verheiratet". Jedes freie Elektron ist nur den Bruchteil eines Millimeters von seinem Ehepartner getrennt durch das Dielektrikum. Deshalb ist hier auch die Spannung relativ klein.
Würden jetzt die freien Elektronen der negativen Platte von ihren positiven Partnern "gewaltsam" getrennt und in die Erde verschoben, dann würde die Spannung zwischen den entführten Elektronen und ihren zurück gebliebenen Protonen etwa auf das Tausendfache erhöht wegen der weitaus größeren Entfernung. Da würde eine potentielle Energie aufgebaut, die Elektronen hätten schweres "Heimweh". Die gegensätzlichen Ladungen wären weit voneinander Entfernt.
Der Kondensator wäre kein Dipol mehr, sondern ein elektrisches Monopol mit einem gewaltigen positiven elektrischen Feld. Der Kondensator würde zur Erde gezogen.
Wenn wir jetzt die positive Platte des Kondensators mit der Erde verbinden würden, dann würde ein ordentlicher kurzer Entladungsstrom fließen. Dann wären die Pärchen aus positiven und negativen Ladungen wieder weitgehend zusammen, nur noch vom Dielektrikum getrennt. Und um diese vergleichsweise kleinen Potentiale zu neutralisieren, müssten wir schon die beiden Anschlüsse des Kondensators zusammen bringen. Da muss nur das Dielektrikum umschifft werden - oder zerstört.
Mache doch das Erdungsexperiment einmal mit einem Elektrolyt-Kondensator!
Ja, ich hatte genau den Fall im Sinne, bei dem im System "Kondensator" bereits so praepariert ist, dass die freien Elektronen der negativen Platte von ihren positiven Partnern "gewaltsam" getrennt auf einer gewissen Distanz vorliegen und es keine Leitung zwischen den beidenPlatten gibt ueber die sich die "auseinandergerissenen Partner wieder zueinander fliessen koennen."
Ok, dann schreibst du, dass, genau wie zu erwarten ist, wenn man die postive Platte mit Erde verbindet, ein kurzer Entladungsstrom fliessen wird, der aus der Erde die in der positiven Platte fehlenden Elektronen auffuehlt.
Aber, bei der negativ geladenen Platte, die ja in diesem Gedankenexperiment NICHT mit der Erde verbunden werden darf, bleibt einfach weiterhin negativ gelagen, bzw mit ihr passiert einfach nichts, oder?
Wenn die beiden geladenen Kondensator-"Platten" weiträumig voneinander entfernt worden sind (Dazu muss wegen der elektrischen Anziehungskraft erst einmal Energie aufgewandt werden!), dann haben wir ja gar keinen Kondensator mehr, sondern zwei elektrostatische Monopole, also zwei unabhängige Körper, von denen der eine positiv und der andere negativ aufgeladen ist.
Wenn wir nun einen der beiden geladenen Körper mit der Erde verbinden, dann wird der entladen. Das können wir mit dem positiven Körper, mit dem negativen Körper oder auch mit allen beiden gleichermaßen praktizieren, nacheinander oder auch gleichzeitig. Hier handelt es sich ja dann um unabhängige Ereignisse.
Ich hab doch noch eine grundlegende Frage dazu, wie die Batterie genau bewirkt, dass beim Anschliessen der Pole an eine einfache Schaltung (wie im Bild 1, Draht + Widerstand), das die Elektronen fliessen. Damit ein Fluss (oderallgemeiner irgendeine Bewegung geladener Teilchen von Punkt A nach Punkt B) zustande kommen kann, muss es ja immer eine Potentialdifferenz zwischen Punkt A und B geben nach fundamentalen Gesetzen der Elektrizitaetslehre.
Eine Moeglichkeit ist zB dass, auf einer Seite mehr Lagungstraeger gibt als auf der anderen Seite, eben wie zB beim Kondensator zuvor, wenn man die Platten auseinanderzieht. Also eine elektrostatische Ursache kann zB einesolche Potentialdifferenz verursachen.
Wie du mir zuvor sehr verstaedlich klar gemacht hast, liegt so ein Fall bei Batterien NICHT vor, da dies nur mit einem Elektronenmangel an einem Pol und Elektronenüberfluss am anderen Pol einhergehen wuerde, was nicht der Wirklichkeit entspricht und bloss um einen zu oft verwendeten dikaktischen Trugschluss handelt.
Ok, aber was genau bewirkt bei den Batterien dann genau diese erwuenschte Potentialdifferenz, die fuer den Fluss der Elektronen verantwortlich ist? Mit ist die Analogie mit der Perlenkette klar, allerdings nicht die Ursache wodurch dieser Mechanismus durch die Batterie bewirkt wird. Die Perlenkette ist ja nur ein Modell, erklaert jedoch nicht wieso es sich in der Natur so verhaelt.
Die Chemie besagt zunaechst, dass an den beiden Elektroden eine Redox-Reaktion stattfindet, an der "unedleren" von den beiden geben die Atome ihre Elektronen ab, an der edleren nehmen die Ionen ankommende Elektronen auf.
Also mit anderen Worten werden an der Anode (=der Munus-Pol) staendig neue Elektronen "bereitgestellt", und an der Kathode (=Plus-Pol) werden die ankommenden Elektronen, die ihre "Reise" durch die Schaltung hinter sich haben, wieder absorbiert.
Ok, aber das erklaert nicht, welcher Effekt genau bewirkt, dass die Elektronen an der Anode den "Zwang" erfahren, sich durch die Schaltung zu bewegen undnicht einfach da zu bleiben wo sie sind.
Ein Elektronenueberschluss an der Anode kommt da ja nicht in Frage, wie du es bereits zuvor deutlich gemacht hast. Welcher Mechanismus ist dann an dieser Stelle sonst fuer die Bewegung der Elektronen verantwortlich?
Das steht ganz ausführlich bei Wiki unter "Galvanische Zelle".
Habe bei Wiki unter galvanische Zelle gelesen jedoch wird mir dadurch noch nicht klar, was genau für den Potentialunterschied verantwortlich ist, der als Ursache der Elektronenbewegung ja zwangsläufig nötig ist. Gäbe es eine Häufung negativer Ladungsträger auf der einen Seite und eine Häufung von positiven Löchern auf der anderen Seite, wäre mir klar wie die Reaktion in der Batterie diese Ladungstrennung bedingt und aufrecht erhält. Wie hier besprochen wurde, soll aber genau das ja nicht der Grund für die nötige Potentialdifferenz sein.
Danke schonmal falls jemand mir weiterhelfen kann.
".... was genau für den Potentialunterschied verantwortlich ist, der als Ursache der Elektronenbewegung ja zwangsläufig nötig ist"
Für den Potentialunterschied sind die elektrochemischen Gesetzmäßigkeiten der galvanischen Zelle verantwortlich. Natürlich führt diese Potentialdifferenz bei hinreichendem Entladungswiderstand auch zu einen winzigen Aufladung nach Maßgabe der Eigenkapazität der beiden Leiter, d.h. zu einer winzigen Verdichtung der Elektronen einerseits und Verdünnung andererseits. Diese kleine statische Ladungstrennung in den beiden Leitern ist aber von der Größenordnung her völlig bedeutungslos für den energetischen Prozess, also für die Kapazität der Batterie. Sobald der Widerstand zwischen den Anschlussklemmen kleiner null wird, fließt ein Entladungsstrom, bei dem die Zelle fortwährend Ladungen trennt, indem sie Elektronen durch den Stromkreis pumpt. Und das ist der Grund für die Potentialdifferenz.
Zum Vergleich mit der Perlenkette: Stelle Dir die Perlen etwas elastisch vor. Wenn die Perlen auf ihrem Träger im Kreis herum geschoben werden, dann sind sie auf einer Seite zusammengepresst und auf der anderen Seite ausgedünnt. In dieser Elastizität ist natürlich auch ein kleines bisschen Energie gespeichert, aber die ist keinesfalls für den Transport verantwortlich. Der Transport braucht die Elastizität nicht. Genauso wenig braucht die galvanische Zelle die "Elastizität der Elektronenkette", d.h. die Eigenkapazität der beiden Leiter.
OK das mit der Leitungskapazität verstehe ich, aber das mit dem Potentialunterschied da scheine ich einen Denkfehler zu haben. Kannst du mir eventuell Lektüre empfehlen die genauer darauf eingeht?
So hat der rot eingezeichnete Bereich zwischen dem Pluspol und dem "oberen" Kontaktpunkt zum Abnehmer ein bestimmtes hohes Potential
Nein. Der Pluspol ist mit dem oberen Kontakt verbunden. Folglich kann zwischen diesen beiden Punkten kein Potential bestehen. Mit Minus und dem unteren Kontaktpunkt ist es genauso.
Wenn du plus oder minus mit der Erde verbindest, passiert überhaupt nichts. Es fließt kein Strom zur Erde, weil diese nicht einem anderen Potential verbunden ist.
Ja, hast natuerlichlich recht. Ich habs unklar formuliert. Es sollte so gemeint sein, das beliebige zwei Punkte im roten Bereich DASSELBE Potential haben, ergo die Spannung zwischen ihnen 0 ist. Sorry, fuer missverstaendliche Formulierung.
Solange die Schaltung kein Verbindung zur "richtigen" Erde hat, darfst Du den Referenzpunkt beliebig wählen. Deine Erklärung ist auch richtig.
In dem Moment, wo der Minuspol mit der Erde verbunden ist, ist er zwangsweise Referenzpunkt. Es fließt aber kein Strom, auch nicht im Moment des Verbindens. Es ist ja nur eine Leitung als Verbindung zur Erde vorhanden, es gibt also keinen Stromkreis, in dem Strom fließen könnte.
Ergänzung:
Nach dem Verbinden mit der Erde hat die grüne Seite das Potential 0 Volt und die rote Seite +5 Volt (gegen Erde).
Den zweiten Paragraph verstehe ich nicht ganz. Strom fliesst doch zwischen zwei Punkten genau dann wenn sie unterschiedliches Potential haben. Strom ist gewisserweise bestrebt diese Differenz auszugleichen. Die Widerstaende dazwischen regeln die "Fließgeschwindigkeit" der Ladungstrager.
In Bild 2 links vor dem kontakt haben unterer Bereich des Stromkreises (grün) und Erde (blau) unterschiedliche Potentiale. Beim Kontakt (B2 rechts) gleichen sich doch die Potentiale an (grüne bekommt dasselbe Potential wie Erde). Aber dann im Moment des Kontakts muessen doch um diesen Angleich zu schaffenein Teil der Ladungstraeger in die Erde abfließen? Oder missverstehe ich das?
Das grüne Ende (auch das rote) hat gegenüber der Erde überhaupt kein Potential, solange die Verbindung getrennt ist. Erst wenn die Verbindung hergestellt wird, ist das Potential dort 0. Elektrisch gesehen passiert da überhaupt nichts.
Normalerweise ist eine Schaltung nach außen hin elektrisch neutral. Die gesamte Schaltung enthält genausoviele Elektronen wie Protonen.
Wenn sie aber z.B. mit zusätzlichen Elektronen von außen elektrostatisch aufgeladen wird, haben wir einen Überschuss an Elektronen. Die würden sich, sobald die Verbindung mit der Erde hergestellt wird, in Richtung Erde "verabschieden". Dann fließt kurzzeitig ein Ausgleichsstrom.
Zum ersten Teil des letzten Kommentars: Aber angenommen wir haben zwei unterschiedlich aufgeladene voneinander abgekoppelt Systeme (mit abgekoppelt meine ich dass formal der Widerstand zwischen beiden unendlich ist, sodass trotz Ladungsdifferenz nicht zwischenfliessen kann, also wie in meinem Fall Bild 2, links, vor dem Kontakt, ein System ist der Battrie-Stromkreis, das andere die Erde), dann kann man doch jedem Punkt in jedem der beiden Systeme ein Potential zuordnen (https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrisches_Potential), das Potential ist doch im Gegensatz zur Spannung kein "Verhaeltnis" und ist nicht "gegenueber irgendeinem Bezugspunkt" definiert?
Das stimmt. Hier handelt sich um das Potential im elektrostatischen Feld.
Ich hatte mich hier auf die Betrachtungsweise bei der Berechnung elektrischer Stromkreise bezogen.
Ist es wirklich so, dass die Physik bei Elektrostatik und Stromkreisen von Grund auf derart verschieden ist, dass die auftretenden Effekte in beiden Faellen vollkommen verschieden voneinander sind? Also mit anderen Worten, da wir es mit einem Stromkreis zu tun haben, koennen gar keine Effekte elektrostatischer Natur auftreten?
Was ist fuer mich Elektrostatik? In der Elektrostatik ist der Raum in Bereiche aufgeteilt, und jedem Punkt im Raum wird ein Potentialwert zugeteilt der dazu proportional ist, welche Ladung an diesem Punkt befindet. Statisch, in dem Sinne, dass diese Ladungsaufteilung im betrachteten System/Raum als starr/ sich nicht aenderbar angenommen wird (zB zwei Kondensatorplatten unterschiedlich aufgeladen, keine leitende Verbindung dazwischen).
Wofuer interessiert man sich in der Elektrostatik? Wird ein geladenes Testteilchen (zB Elektron) in dieses Feld "reingeworfen", uebt jeder Punkt im Raum - abhaengig von dort vorliegenden Ladung (diese ist propotional zum elektr Potential) an diesem Punkt - eine Kraft aus (bedenke F_el prop zu E) auf das Testteilchen aus und kennzeichnet so die Bewegungstrajektorie die Testteilchens.
Nun muss es natuerlich nicht bei einem Testteilchen bleiben, es kann ja geschaut werden was passiert, wenn wir N Teilchen in das Potentialfeld schicken.
Die eigentliche "Dynamik" kommt doch genau an dem Punkt hinzu, weil die geladenen Testteilchen auch miteinander wechselwirken wuerden, daher ihre Dynamik haengt nicht mehr von statischen Potentialfeld zu Beginn ab.
Ok, aber wie modeliert sich ein Stromkreis bestehend aus einer Batterie und einem Widerstand. Da ist doch auch so, dass damit die Elektronen staendig in Bewegung bleiben, ein Potentialfeld noetig damit sie sich ueberhaupt bewegen.
Die bewegten Elektronen als solche sind ja geladen und erzeugen ihrerseits waehrend sie durchfliegen ein sich aenderndes Potentialfeld.
Worauf ich hinaus moechte, es scheint als waere die Physik zwischen statischen Vorgaengen und dynamischen eher fliessend. Also muesten doch im betrachteten Sysyem wie dem eines elektrischer Stromkreises sowohl statischen als auch dynamischen Effekte beruecksichtigt werden? Wenn ist zB eine stark negativ geladene Eisenkugel ueber ein leifaehiges Material mit dem Stromkreis von oben verbinde, dann findet eine statischer Effekt statt: die Elektronen, die im Ueberschluss auf dem Kugel verteilt sind, verteilen sich auf der Schaltung.
Irgendwie krieg ichs nicht hin eine schluessige Erklaerung fuer mein Gedankenexperiment von oben zu finden...
Die physkalischen Gesetz sind natürlich identisch.
Wenn man sich eine geschlossene Hülle um einen Teil der Schaltung (oder auch um die ganze Schaltung) denkt, ist die Anzahl positive und negativer Ladungsträger normalerweise gleich. (Die Hülle darf aber kein Bauelement zerschneiden.) Das heißt, dass die (vorzeichenrichtig addierte) Summe der Ströme 0 ist. (Verallgemeinerung der ersten Kirchhoffschen Regel)
Hat man die Schaltung irgendwie von außen elektrostatisch aufgeladen (das ist aber in der Schaltungstechnik absolut unüblich), dann ist die Summe der aus der Hülle fließenden Ströme gleich dem Abbau der Ladungen in der Hülle: I = - dQ / dt.
Selbst bei einem Kondensator, bei dem elektrostatische Effekte eine Rolle spilen, kommt der Strom, der auf einer Seite reinfließt sofort auf der anderen Seite wieder raus.
Zwischen den Kondensatorplatten fließt zwar kein Strom, aber es wird "Verschiebungsfluss" (Formelzeichen Psi) aufgebaut, der Kondensator wird geladen. Die zeitliche Änderung des Verschiebungsflusses ist die gedachte Fortsetzung des Stromes im Dielektrikum des Kondensators: I = dPsi / dt.
Ich glaub jetzt habs ichs verstanden. Wenn wir unsere Battrie-Widerstand Schaltung aus Bild 1 als "normal", also als nicht irgendwie zusaetlich statisch aufgelagen denken, dann gibt es gleichwohl Bereiche (rot, gruen in meinem Bildchen), wo verschiedene Potentiale vorliegen, das hat aber nichts (das war wohl mein Denkfehler; siehe Discussion mit @dompfeifer) aber rein gar nichts mit der (falschen!) vorstellung zu tun, das zB im roten Bereich Elektronen in hoher Konzentration vorlaegen ("Elektronenueberschuss") und im gruenen Bereich ein Elektronenmangel vorliegen muesste zu tun, das ist der Punkt?
Bzw es ist so, dass grundsaetzlich wenn du ein statischen System hast, wo Ladungen getrennt sind, dann hat man in den Bereichen, wo Elekronenueberschuss vorliegt, ein niedriges Potential, wo E-Mangel ein hohes Potential (natuerlich stehts im relativen Sinne; Potential ist ja nur bis aus Konstante definiert), ABER wenn man ein System hat (wie der Stromkreis in unserem Fall), dann bedeuten verschiedene Potentialwerte in verschiendenen Bereichen NICHT, dass an einer Stelle ein Elektronenmangel bzw an einer anderem ein Elektronenueberschuss vorliegen muss. Ist das der wesentliche Punkt?
Bzw in anderen Worten, die Potentialdifferenzen koennen durch andere Effekte wie Widerstaende, LC-Elemente bewirken, dass das Potential in der Schaltung nicht ueberall gleich ist, ohne das da die Verteilung der Elektronen von Ort zu Ort unterschiedlich sein muss.
Das steht ganz ausführlich bei Wiki unter "Galvanische Zelle".
Entschuldigung, der Satz ist versehentlich an die falsche Stelle gerutscht!
Hab da eine Zwischenfrage zur Voraussetzung 1. Du hast geschrieben, dass der Strom hier nicht fliessen kann, weil die Erde in keinen Stromkreis eingebunden ist. Deshalb kann da kein kontinuierlicher Stromfluss zustande kommen.
Ich sprach allerdings nicht von einem kontinuirlichen Strom, sondern einem kurzen impulsartigen Fluss "Uebersprung" (als wie ein "Entladungsstoss", danach alles ausgeglichen) einiger Ladungstraeger aus dem Minuspol in die Erde kurz unmittelbar, nachdem gruener Bereich mit Erde verbunden worden ist, danach fliesst da kein Strom.
So wie ich das verstehe, fliesst zwischen zwei Punkten in einer Schaltung genau dann Strom, wenn dazwischen eine nicht-Null Spannung gibt, also unterschiedliche Potentiale. Die Widerstaende regeln sozusagen die Fliessgeschwinddigkeit. Natuerlich kann es passieren, dass da nichts fliesst trotz unterschiedlicher Potentiale wenn zB Widerstaende unendlich stark sind, zB wenn zwischen beiden Punkten keine leitende Verbindung existiert. Aber nachdem die Erde mit gruenem Bereich verbunden worden ist, liegt doch genau die Voraussetzung fuer Stromfluss vor, eine Potentialdifferenz und leitende Verbindung besteht. Dann muesste sich das doch impulsartig wie bei einem Kurzschluss entladen bis alle Punkte im gruener Bereich dasselbe Potential wie Erde aufweisen. Oder missverstehe ich da etwas?