Spannungsabfall nur bei Widerständen?
Besuche derzeit die neunte klasse und stagniere bei einem Problem.
Mein Gedankengang war Folgender:
Betrachtet man die mechanischen Analogien, so verlieren Objekte beim Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Potential kontinuierlich potenzielle Energie, die in Bewegungsenergie umgewandelt wird.
Im elektrischen Fall hingegen erzeugen die Elektronen einen Stromfluss, der der Bewegungsenergie entspricht. Also müsste die Spannung eines Elektrons kontinuierlich abnehmen, unabhängig von den Wiederständen, je näher es sich dem Potential von 0 V nähert.
Liegt es vllt daran, das jegliche gespeicherte Energie auch als potenzial gezählt wird und nur Abgaben in die Aussenwelt zählen?
Bitte korrigiert mein Wissen und meinen Gedankengang wenn nötig.
6 Antworten
Strom funktioniert nicht ganz so, wie du es dir vorstellst.
Der Stromfluss (also die Geschwindigkeit, in der die Elektronen fließen) ist in einem Stromkreis an jeder Stelle gleich, sofern dieser nicht verzweigt ist (d.h. alles ist in Reihe bzw. vom selben Strom durchflossen).
Alles in diesem Universum besteht aus Elektronen.
Jedes Atom besteht aus einem Atomkern, der eine bestimmte Anzahl Neutronen und Protonen enthält. Dieser Kern wird von Elektronen umgeben.
Die genaue Zusammensetzung entscheidet darüber, ob es z.B. Sauerstoff oder Kupfer ist (siehe Periodensystem).
Die Elektronen sind in den meisten Fällen fest mit dem Atom verbunden und können nicht bewegt werden.
Die Atome von Metallen sind über die sogenannte Kristallgitterstruktur miteinander verbunden: Benachbarte Atome teilen sich jeweils ein Elektron. Dadurch bleibt eines übrig und dieses geistert nun in der Struktur umher, ohne einem bestimmten Atom zugeordnet zu sein.
Dadurch sind diese Elektronen innerhalb der Struktur frei beweglich. Das macht einen Stoff elektrisch leitfähig.
Werden diese dazu gebracht, in sich eine bestimmte Richtung zu bewegen, fließt Strom.
Spannung entsteht zwischen zwei Potentialen, wobei eines zu viele freie Elektronen hat (Minuspol), das andere zu wenige (Pluspol). Dieser Potentialunterschied kann durch verschiedene Umstände zustande kommen. Beispiel: Chemische Reaktion im Fall eine Batterie.
Diese Potentiale haben den Drang, sich ausgleichen zu wollen: Die zu vielen Elektronen des Minuspols wollen zum Pluspol. Können sie allerdings nicht, weil keine leitfähige Verbindung besteht.
Verbindest du die beiden Potentiale mit einem leitfähigen Material (Kabel), können sie sich sehr wohl ausgleichen - Es fließt Strom.
Aber: Im Kabel sind ja auch Elektronen.
Das heißt: Hüpft vom Minuspol eines ins Kabel, rücken die bereits im Kabel befindlichen um einen "Platz" auf. Am anderen Ende ist nun eins zu viel und dieses zu viele geht in den Pluspol, wo es Platz findet und dort bleibt - denn dort ist ja Elektronenmangel.
Der Stromkreis ist geschlossen.
Die Elektronenwanderung geschieht solange, bis sich die Potentiale ausgeglichen haben: Nun ist die Batterie alle.
Das passiert auch sehr schnell - Viel schneller als gewollt. Das ganze ist in diesem Zustand nämlich ein Kurzschluss. Das bringt nicht wirklich was. Man will ja aus dem ganzen einen Vorteil in Form einer Energiewandlung ziehen: Man packt dazu einen Widerstand in den Stromkreis, welcher dem Elektronenfluss Energie entzieht und umwandelt (im Falle eines rein ohmschen Widerstandes ist es Wärme).
Nun fließt der Strom langsamer. Er transportiert also die Energie, die der Batterie innewohnt über die Leiter zum Widerstand, der sie in eine andere Energieform umwandelt.
Weil Elektronen die Laufbahn nicht verlassen können, ist die Stromstärke an jeder Stelle dieses Stromkreises gleich.
Kannst du dir visuell vielleicht so vorstellen:
Du hast einen Eimer, wo mehr Tischtennisbälle (=Elektronen) drin sind, als reinpassen. Das ist der Minuspol der Batterie
Du hast noch einen zweiten Eimer, der leer ist.
Du nimmst die innere Papprolle, der mit Tischtennisbällen gefüllt ist = Kupferleiter und verbindest damit die Eimer.
Nun nimmst du einen Tischtennisball aus dem überfüllten Eimer und steckst ihn auf der Seite in die Rolle.
Dabei rücken alle bereits in der Rolle befindlichen Bälle auf und am anderen Ende fällt der letzte in den leeren Eimer.
Das geht recht einfach.
Das ist der Kurzschluss ohne Widerstand.
Nun baust du einen Widerstand rein: Du knickst die Rolle.
Nun ist das ganze deutlich schwergängiger, weil sich ie Bälle an der Knickstelle an der Rolle reiben.
Wenn du schnell genug bist, erwärmt sich die Rolle an der Knickstelle.
Und noch was kannst du beobachten: Zu jedem Zeitpunkt befinden sich gleich viele Bälle in der Rolle.
Strom funktioniert prinzipiell nicht anders.
„Nun fließt der Strom langsamer. Er transportiert also die Energie, die der Batterie innewohnt über die Leiter zum Widerstand, der sie in eine andere Energieform umwandelt“
Ich verstehe alles andere aber WiE funktioniert es, die gespeicherte potenzielle energie von punkt A zu punkt B zu transportieren.
Ich hab vermutet das es in form eines impulses gespeichert wird. Ist das korrekt?
Du hast die Antwort ja selbst schon fast geschrieben:
Eine positive Ladung q, welche aus einer Spannungsquelle der Spannung U am Plusplol herauskommt (Berggipfel) hat das Potenzial q*U bezogen auf den Minus-Pol (Tal). Unten angekommen hat es nur noch das Potenzial Null. Es ist also entlang des Potentialgefälles laufend Energie abgegeben worden.
In einem ohm'schen Widerstand wäre das (Reibungs)Wärme. Hier ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger im Mittel überall gleich, da die Reibung der Beschleunigung entgegenwirkt. Das einfachste (wenn auch schwache) Modell ist hier das Drude-Modell.
Die elektrische Energie, die beispielsweise über ein Kabel übertragen wird ist aber NICHT die kinetische Energie der Elektronen.
Du machst ja nicht falsch, denn es ist ja so: entlang eines Widerstandes wird das Potenzial kleiner. Die freiwerdende Energie geht aber nicht in kinetische Energie sondern in Reibungswärme. Es ist so, als ob du Honig über eine schiefe Ebene wo runterfließen lässt: Der wird ja nicht beliebig schnell, sondern es stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen Hangabtriebskraft (elektr. Feldstärke) und Geschwindigkeit (Strom). Auch hier wird die freiwerdenede Energie in viskose Reibungswärme umgewandelt.
Den Strom kannst du nicht mit der Bewegungsenergie vergleichen. Die Elektronen gehen nicht verloren. Es kommen "unten" so viele raus, wie "oben" rein gehen. Dazu werdet ihr sicher noch über die Knotenpunktsatz von Kirchhoff sprechen.
Als Vergleich kannst du Strom, Spannung und Widerstand Dir so vorstellen:
Der Widerstand ist ein Wasserrohr. Je höher der Widerstand desto kleiner ist der Rohrdurchmesser. Bei kleinem Rohrduchmesser (hohem Widerstand) kommt weniger Wasser (Strom/Elektronenfluss) durch. Wenn du den Druck (Spannung) erhöhst, kommt mehr Wasser heraus.
Das Spielpartner bei dem Energieerhaltungssatz auf der elektrischen Seite ist auch die elektrische Energie. Du kannst Dir dabei z.B. ein Elektroauto vorstellen, dass den Berg herunter rollt und dabei den Akku mit der potentiellen Energie wieder auflädt.
Das Spannungsspotential ist die Spannung an einem Punkt der Schaltung gegenüber deinem Bezugspunkt.
Ich hoffe das hilft Dir weiter.
Aber auch beim Wasserkreislauf müsste doch auch potenzielle Energie verloren gehen gäbe es keine Reibung oder?
Das Elektron hat keine Spannung.
Stell Dir das so vor wie eine Höhenangabe. Als Masse kann man da "Meeresspiegel" ansehen.
Hat man zwei verschiedene Höhen im Gelände, so haben die eine Höhendifferenz. Genau so haben verschiedene elektrische Potenziale eine Potenzialdifferenz und das nennt man Spannung.
Wenn Du einen Berg herunter kletterst, dann verlierst Du ja auch nicht Meter. Du bist immer noch der gleiche Mensch, an Dir ändert sich nichts.
Und so wie Du beim Bergaufgehen Energie brauchst oder durch Berg ab rollen Energie gewinnen kannst, braucht man elektrische Energie oder erhält elektrische Energie wenn man Strom von einem Potential auf ein anderes fließen lässt.
„Wenn Du einen Berg herunter kletterst, dann verlierst Du ja auch nicht Meter. Du bist immer noch der gleiche Mensch, an Dir ändert sich nichts.“
Man verliert doch dann proportional zur höhe an potenzieller energie, die man abgeben könnte.
Also wenn man in der mitte der strecke ist, hat man nurnoch die halbe potenzielle energie. Aber bei elektrischen stromkreisen ist es von den Wiederständen abhängig. Der einzige ort, bei dem energie nach aussen gegeben werden kann
Aber wenn Du als Bergsteiger nichts verlierst, warum sollte das Elektron was verlieren?
Bei Strom kann man Energie aber nicht nur durch einen Widerstand umwandeln. Transformatoren übertragen elektrische Energie durch Magnetfelder.
Es geht darum ob der Fluss der Elektronen beschleunigt oder gebremst wird.
Aber ich verliere doch als bergsteiger pot energie
Achso du meinst das eleltronen selbst keine potenzialdifferenz haben. Aber die definition ist doch Energie pro Ladung. Nacut dann tausche das wort spannung mit potenzial aus.
Aber ich verliere doch als bergsteiger pot energie
Aber genau wie an Dir ändert sich nichts am Elektron. Das Potential ist eine Sache des Betrachters. Bei Höhen nimmt man dafür den Meeresspiegel weil man den leicht definieren kann. Man könnte aber auch genau so gut die Höhe am Erdmittelpunkt oder an der eigenen Fußmatte Zuhause fest machen.
Auf welchem Potential das Elektron oder Du bist, das spielt keine Rolle. Nur die Differenz.
Wenn Du am Hafen stehst und einer guckt Dich von einem Ruderboot aus an, dann wird der sagen, dass Du 5m hoch stehst. Guckt einer von einem Fernsehturm, dann wird der sagen, dass Du Minus 50 Meter hoch stehst. Egal wer Dich anguckt, das ändert nichts an Dir. Nur wenn Du jetzt vom Fernsehturm runter fällst, dann macht das was mit Dir weil Du Deine Höhe änderst. Und dabei ist es egal, ob Dich der aus dem Ruderboot von 55m auf 5m runter fallen sieht oder der, der immer noch auf dem Fernsehturm steht von 0m auf -50m.
Aber die definition ist doch Energie pro Ladung.
Das ist wieder was anderes. Die Ladung ist keine Spannung. Das ist wie Kilogramm bei Höhen. Erst wenn Du die Höhe änderst spielt es eine Rolle wie viele Kilo Du hebst oder senkst.
Aber so ist es doch. Wenn du bei eine Leitung ganz am ende misst, dann ist die spannung kleiner und geht gegen 0.
Aber sie übertragen ja einen impuls von einem zum nächsten Elektron, wodurch sich eine Energieübertragung bildet, die ähnlich zur kinetischen energie ist, da der bezugspunkt der höchste und niedrigste Punkt ist und nicht die Aussenwelt, oder?
Und das wiederum bedeutet, dass diese potenzielle Energie je nach „höhe“ (strecke des Kabels) abnimmt. Wiederstände behindern die umwandlung von potenzieller zu kindtischer energie und wandeln bloss die kinetische energie um. Das verstehe ich nicht. Was mache ich falsch?