Wie bereits erwähnt, brauchen wir mehr als nur einen kontinuierlichen Pfad (d.h. einen Stromkreis), bevor ein kontinuierlicher Ladungsfluss auftritt: Wir brauchen auch ein Mittel, um diese Ladungsträger durch den Stromkreis zu schieben. Wie bei Murmeln in einer Röhre oder Wasser in einem Rohr braucht es eine Art von Einflusskraft, um den Fluss in Gang zu setzen. Bei den Elektronen ist diese Kraft dieselbe Kraft, die auch bei der statischen Elektrizität wirkt: die Kraft, die durch ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung entsteht. Nehmen wir das Beispiel von Wachs und Wolle, die aneinander gerieben wurden, so stellen wir fest, dass der Elektronenüberschuss im Wachs (negative Ladung) und der Elektronenmangel in der Wolle (positive Ladung) ein Ladungsungleichgewicht zwischen ihnen erzeugt. Dieses Ungleichgewicht manifestiert sich als Anziehungskraft zwischen den beiden Objekten:
Wird ein leitender Draht zwischen das geladene Wachs und die Wolle gelegt, fließen Elektronen durch ihn hindurch, da einige der überschüssigen Elektronen im Wachs durch den Draht zurück zur Wolle eilen und dort den Elektronenmangel ausgleichen:
Das Ungleichgewicht der Elektronen zwischen den Atomen im Wachs und den Atomen in der Wolle erzeugt eine Kraft zwischen den beiden Materialien. Da die Elektronen nicht vom Wachs zur Wolle fließen können, kann diese Kraft nur die beiden Objekte anziehen. Da nun aber ein Leiter den Isolierspalt überbrückt, bewirkt die Kraft, dass die Elektronen in eine einheitliche Richtung durch den Draht fließen, wenn auch nur kurzzeitig, bis sich die Ladung in diesem Bereich neutralisiert und die Kraft zwischen Wachs und Wolle nachlässt. Die elektrische Ladung, die sich zwischen diesen beiden Materialien durch das Reiben bildet, dient dazu, eine bestimmte Energiemenge zu speichern. Diese Energie ist der Energie nicht unähnlich, die in einem hohen Wasserreservoir gespeichert ist, das aus einem tiefer gelegenen Teich gepumpt wurde:
Der Einfluss der Schwerkraft auf das Wasser im Reservoir erzeugt eine Kraft, die versucht, das Wasser wieder nach unten zu bewegen. Wenn ein geeignetes Rohr vom Reservoir zurück zum Teich verlegt wird, fließt das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft vom Reservoir durch das Rohr nach unten:
Es kostet Energie, das Wasser aus dem Teich mit niedrigem Niveau in das Reservoir mit hohem Niveau zu pumpen, und die Bewegung des Wassers durch die Rohrleitung zurück auf sein ursprüngliches Niveau stellt eine Freisetzung von Energie dar, die durch das vorherige Pumpen gespeichert wurde. Wenn das Wasser auf ein noch höheres Niveau gepumpt wird, wird dafür noch mehr Energie benötigt, so dass mehr Energie gespeichert wird und mehr Energie freigesetzt wird, wenn das Wasser durch ein Rohr wieder nach unten fließt:
Elektronen sind nicht viel anders. Wenn wir Wachs und Wolle aneinander reiben, „pumpen“ wir Elektronen von ihren normalen „Ebenen“ weg und schaffen einen Zustand, in dem eine Kraft zwischen Wachs und Wolle besteht, da die Elektronen versuchen, ihre frühere Position (und das Gleichgewicht innerhalb ihrer jeweiligen Atome) wieder einzunehmen. Die Kraft, die die Elektronen zurück in ihre ursprüngliche Position um die positiven Atomkerne zieht, ist vergleichbar mit der Kraft, die die Schwerkraft auf das Wasser im Reservoir ausübt und versucht, es auf sein früheres Niveau zu ziehen. Genauso wie das Pumpen von Wasser auf ein höheres Niveau dazu führt, dass Energie gespeichert wird, führt das „Pumpen“ von Elektronen, um ein elektrisches Ladungsungleichgewicht zu erzeugen, dazu, dass eine bestimmte Menge an Energie in diesem Ungleichgewicht gespeichert wird. Und so wie das Zurückfließen von Wasser aus den Höhen des Reservoirs zu einer Freisetzung dieser gespeicherten Energie führt, führt das Zurückfließen von Elektronen in ihre ursprünglichen „Niveaus“ zu einer Freisetzung der gespeicherten Energie. Wenn sich die Ladungsträger in diesem statischen Zustand befinden (so wie Wasser, das still und hoch in einem Reservoir steht), wird die dort gespeicherte Energie als potenzielle Energie bezeichnet, weil sie die Möglichkeit (das Potenzial) hat, freigesetzt zu werden, die noch nicht vollständig realisiert wurde.
Verständnis des Konzepts der Spannung
Wenn sich die Ladungsträger in diesem statischen Zustand befinden (so wie Wasser, das still und hoch in einem Reservoir steht), wird die dort gespeicherte Energie als potenzielle Energie bezeichnet, weil sie die Möglichkeit (das Potenzial) hat, freigesetzt zu werden, die noch nicht vollständig realisiert wurde. Wenn Sie an einem trockenen Tag mit Ihren Schuhen mit Gummisohlen über einen Stoffteppich streichen, entsteht ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung zwischen Ihnen und dem Teppich. Durch das Scheuern Ihrer Füße wird Energie in Form eines Ungleichgewichts von Ladungen gespeichert, die aus ihrer ursprünglichen Position verdrängt werden. Diese Ladung (statische Elektrizität) ist stationär, und Sie werden nicht bemerken, dass überhaupt Energie gespeichert wird. Wenn Sie jedoch Ihre Hand gegen einen metallischen Türknauf legen (mit viel Elektronenmobilität, um Ihre elektrische Ladung zu neutralisieren), wird diese gespeicherte Energie in Form eines plötzlichen Ladungsflusses durch Ihre Hand freigesetzt, und Sie werden dies als einen elektrischen Schlag wahrnehmen! Diese potenzielle Energie, die in Form eines elektrischen Ladungsungleichgewichts gespeichert ist und Ladungsträger dazu veranlassen kann, durch einen Leiter zu fließen, kann als Spannung ausgedrückt werden, die technisch gesehen ein Maß für die potenzielle Energie pro Ladungseinheit ist, oder etwas, das ein Physiker als spezifische potenzielle Energie bezeichnen würde.
Die Definition von Spannung
Im Zusammenhang mit statischer Elektrizität ist die Spannung das Maß für die Arbeit, die erforderlich ist, um eine Ladungseinheit von einem Ort zum anderen zu bewegen, entgegen der Kraft, die versucht, elektrische Ladungen im Gleichgewicht zu halten. Da die Spannung ein Ausdruck der potenziellen Energie ist, die die Möglichkeit oder das Potenzial für die Freisetzung von Energie darstellt, wenn sich die Ladung von einem „Niveau“ zu einem anderen bewegt, wird sie immer zwischen zwei Punkten angegeben. Betrachten wir die Analogie zum Wasserreservoir:
Aufgrund des Unterschieds in der Fallhöhe besteht die Möglichkeit, dass viel mehr Energie aus dem Reservoir durch die Rohrleitung an Ort 2 freigesetzt wird als an Ort 1. Das Prinzip lässt sich intuitiv nachvollziehen, wenn man einen Stein fallen lässt: Was hat einen heftigeren Aufprall zur Folge, ein Stein, der aus einer Höhe von einem Fuß fällt, oder derselbe Stein, der aus einer Höhe von einer Meile fällt? Es liegt auf der Hand, dass bei einem Fall aus größerer Höhe eine größere Energie freigesetzt wird (ein heftigerer Aufprall). Wir können die in einem Wasserreservoir gespeicherte Energie nicht einfach durch die Messung des Wasservolumens abschätzen, genauso wenig wie wir die Stärke des Aufpralls eines fallenden Steins einfach durch die Kenntnis des Gewichts des Steins vorhersagen können: In beiden Fällen müssen wir auch berücksichtigen, wie weit diese Massen von ihrer Ausgangshöhe fallen werden. Die Energie, die beim Fallenlassen einer Masse freigesetzt wird, hängt von der Entfernung zwischen dem Anfangs- und Endpunkt ab. Ebenso ist die potenzielle Energie, die für die Bewegung von Ladungsträgern von einem Punkt zum anderen zur Verfügung steht, relativ zu diesen beiden Punkten. Daher wird die Spannung immer als eine Größe zwischen zwei Punkten ausgedrückt. Interessanterweise ist die Analogie einer Masse, die potenziell von einer Höhe auf eine andere „fällt“, ein so treffendes Modell, dass die Spannung zwischen zwei Punkten manchmal als Spannungsabfall bezeichnet wird.
Erzeugung von Spannung
Spannung kann auch auf andere Weise erzeugt werden, als durch das Reiben bestimmter Arten von Materialien aneinander. Chemische Reaktionen, Strahlungsenergie und die Einwirkung von Magnetismus auf Leiter sind einige Möglichkeiten, wie Spannung erzeugt werden kann. Entsprechende Beispiele für diese drei Spannungsquellen sind Batterien, Solarzellen und Generatoren (wie die Lichtmaschine unter der Motorhaube Ihres Autos). Wir werden jetzt nicht im Detail darauf eingehen, wie jede dieser Spannungsquellen funktioniert – wichtiger ist, dass wir verstehen, wie Spannungsquellen eingesetzt werden können, um einen Ladungsfluss in einem Stromkreis zu erzeugen. Nehmen wir das Symbol für eine chemische Batterie und bauen wir Schritt für Schritt einen Stromkreis auf:
Wie funktionieren Spannungsquellen?
Jede Spannungsquelle, einschließlich Batterien, hat zwei Punkte für den elektrischen Kontakt. In diesem Fall haben wir im obigen Diagramm Punkt 1 und Punkt 2. Die horizontalen Linien unterschiedlicher Länge zeigen an, dass es sich um eine Batterie handelt, und sie zeigen auch die Richtung an, in der die Spannung dieser Batterie versucht, Ladungsträger durch einen Stromkreis zu schieben. Die Tatsache, dass die horizontalen Linien im Batteriesymbol getrennt erscheinen (und somit nicht als Pfad für den Ladungsfluss dienen können), ist kein Grund zur Besorgnis: Im wirklichen Leben stellen diese horizontalen Linien Metallplatten dar, die in ein flüssiges oder halbfestes Material eingetaucht sind, das nicht nur Ladungen leitet, sondern auch die Spannung erzeugt, um sie durch die Wechselwirkung mit den Platten voranzutreiben. Beachten Sie die kleinen „+“- und „-„-Zeichen direkt links neben dem Batteriesymbol. Das negative (-) Ende der Batterie ist immer das Ende mit dem kürzesten Strich, und das positive (+) Ende der Batterie ist immer das Ende mit dem längsten Strich. Das positive Ende einer Batterie ist das Ende, das versucht, Ladungsträger aus der Batterie herauszudrücken (denken Sie daran, dass wir Ladungsträger per Konvention als positiv geladen betrachten, obwohl Elektronen negativ geladen sind). Umgekehrt ist das negative Ende dasjenige, das versucht, die Ladungsträger anzuziehen. Wenn die „+“- und „-„-Enden der Batterie nicht mit irgendetwas verbunden sind, liegt zwischen diesen beiden Punkten zwar eine Spannung an, aber es fließt keine Ladung durch die Batterie, weil es keinen kontinuierlichen Pfad gibt, durch den sich Ladungsträger bewegen können.
Das gleiche Prinzip gilt für die Analogie von Wasserreservoir und Pumpe: Ohne ein Rücklaufrohr zurück zum Teich kann die im Reservoir gespeicherte Energie nicht in Form von Wasserfluss freigesetzt werden. Wenn das Reservoir vollständig gefüllt ist, kann kein Wasser mehr fließen, egal wie viel Druck die Pumpe erzeugen kann. Es muss ein vollständiger Weg (Kreislauf) vorhanden sein, auf dem das Wasser vom Teich zum Reservoir und zurück zum Teich fließt, damit ein kontinuierlicher Fluss stattfinden kann. Wir können einen solchen Weg für die Batterie schaffen, indem wir ein Stück Draht von einem Ende der Batterie zum anderen verbinden. Indem wir mit einer Drahtschleife einen Stromkreis bilden, lösen wir einen kontinuierlichen Ladungsfluss im Uhrzeigersinn aus:
Verständnis des Konzepts des elektrischen Stroms
Solange die Batterie weiterhin Spannung erzeugt und die Kontinuität des elektrischen Pfads nicht unterbrochen wird, fließen die Ladungsträger weiterhin im Stromkreis. In Anlehnung an die Metapher des Wassers, das sich durch ein Rohr bewegt, wird dieser kontinuierliche, gleichmäßige Ladungsfluss durch den Stromkreis als Strom bezeichnet. Solange die Spannungsquelle in dieselbe Richtung „drückt“, bewegen sich die Ladungsträger im Stromkreis auch weiterhin in dieselbe Richtung. Diesen Stromfluss in eine Richtung nennt man Gleichstrom (DC). Im zweiten Band dieser Buchreihe werden Stromkreise untersucht, bei denen die Stromrichtung hin und her wechselt: Wechselstrom, oder AC. Aber im Moment werden wir uns nur mit Gleichstromkreisen beschäftigen. Da elektrischer Strom aus einzelnen Ladungsträgern besteht, die gemeinsam durch einen Leiter fließen, indem sie sich entlang bewegen und auf die Ladungsträger vor ihnen drücken, so wie Murmeln durch eine Röhre oder Wasser durch ein Rohr, ist die Menge des Stroms in einem Stromkreis an jedem Punkt gleich. Würden wir einen Querschnitt des Drahtes in einem einzelnen Stromkreis beobachten und die vorbeifließenden Ladungsträger zählen, würden wir genau dieselbe Menge pro Zeiteinheit feststellen wie in jedem anderen Teil des Stromkreises, unabhängig von der Leiterlänge oder dem Leiterdurchmesser. Wenn wir den Stromkreis an irgendeiner Stelle unterbrechen, hört der elektrische Strom in der gesamten Schleife auf, und die gesamte von der Batterie erzeugte Spannung wird über der Unterbrechung, zwischen den früher verbundenen Drahtenden, sichtbar:
Was ist die Polarität eines Spannungsabfalls?
Beachte die „+“- und „-„-Zeichen, die an den Enden der Unterbrechung des Stromkreises eingezeichnet sind, und wie sie mit den „+“- und „-„-Zeichen neben den Batteriepolen übereinstimmen. Diese Markierungen zeigen die Richtung an, in die die Spannung versucht, den Strom zu treiben, diese potenzielle Richtung wird allgemein als Polarität bezeichnet. Denken Sie daran, dass die Spannung zwischen zwei Punkten immer relativ ist. Aus diesem Grund ist auch die Polarität eines Spannungsabfalls zwischen zwei Punkten relativ: Ob ein Punkt in einem Stromkreis mit einem „+“ oder einem „-“ gekennzeichnet wird, hängt von dem anderen Punkt ab, auf den er sich bezieht. Schauen Sie sich die folgende Schaltung an, in der jede Ecke der Schleife mit einer Nummer gekennzeichnet ist:
Wenn die Kontinuität der Schaltung zwischen den Punkten 2 und 3 unterbrochen ist, ist die Polarität der zwischen den Punkten 2 und 3 abfallenden Spannung „+“ für Punkt 2 und „-“ für Punkt 3. Die Polarität der Batterie (1 „+“ und 4 „-„) versucht, den Strom durch die Schleife im Uhrzeigersinn von 1 nach 2 nach 3 nach 4 und wieder zurück nach 1 zu treiben. Schauen wir uns nun an, was passiert, wenn wir die Punkte 2 und 3 wieder miteinander verbinden, aber eine Unterbrechung in den Stromkreis zwischen den Punkten 3 und 4 einfügen:
Mit der Unterbrechung zwischen 3 und 4 ist die Polarität des Spannungsabfalls zwischen diesen beiden Punkten „-“ für 4 und „+“ für 3. Beachten Sie insbesondere, dass das „Vorzeichen“ von Punkt 3 dem des ersten Beispiels entgegengesetzt ist, bei dem die Unterbrechung zwischen den Punkten 2 und 3 lag (wo Punkt 3 mit „-“ gekennzeichnet war). Es ist unmöglich zu sagen, dass der Punkt 3 in diesem Stromkreis immer entweder „+“ oder „-“ sein wird, weil die Polarität, wie die Spannung selbst, nicht spezifisch für einen einzelnen Punkt ist, sondern immer relativ zwischen zwei Punkten ist!
ÜBERSICHT:
- Ladungsträger können durch die gleiche Kraft, die sich in statischer Elektrizität manifestiert, dazu gebracht werden, durch einen Leiter zu fließen.
- Spannung ist das Maß für die spezifische potentielle Energie (potentielle Energie pro Ladungseinheit) zwischen zwei Orten. Laienhaft ausgedrückt, ist sie das Maß für den „Schub“, der zur Verfügung steht, um die Ladung anzutreiben.
- Spannung, als Ausdruck der potentiellen Energie, ist immer relativ zwischen zwei Orten oder Punkten. Manchmal wird sie auch als Spannungsabfall bezeichnet.
- Wenn eine Spannungsquelle an einen Stromkreis angeschlossen wird, verursacht die Spannung einen gleichmäßigen Fluss von Ladungsträgern durch diesen Stromkreis, den man Strom nennt.
- In einem einzigen (einschleifigen) Stromkreis ist die Strommenge an jedem Punkt gleich der Strommenge an jedem anderen Punkt.
- Wird ein Stromkreis, der eine Spannungsquelle enthält, unterbrochen, so erscheint die volle Spannung dieser Quelle an den Punkten der Unterbrechung.
- Die +/- Ausrichtung eines Spannungsabfalls wird als Polarität bezeichnet. Sie ist auch relativ zwischen zwei Punkten.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt Spannung, Strom und Widerstand