Elektrische Spannung

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Zwischen zwei Körpern mit unterschiedlicher Ladung herrscht eine elektrische Spannung.

Die Spannung zwischen zwei Punkten A und B ist diejenige Energiemenge bzw. Arbeit, die benötigt wird, um eine Ladungseinheit von A nach B zu transportieren. Damit gibt uns die Spannung ein Größenverhältnis an wie "stark" der Strom einer Stromquelle ist.

Spannung = Arbeit pro Ladung

U=WQU=\frac WQ

Einleitung

Wir nehmen uns ein modellhaftes Beispiel, um die prinzipiellen Schritte zu verstehen und wichtige Begriffe kennenzulernen. Mit dem Schieberegler unten kannst du die einzelnen Schritte sehen.

Zwei isolierte Kugeln

Für den Anfang haben wir zwei isolierte ungeladene Metallkugeln. Sie sind nach außen elektrisch neutral.

Gleich viele Ladungen

Die Metallkugeln besitzen jedoch positive und negative Ladungsträger. Da die Anzahl ausgeglichen ist, hebt sich die Ladung nach außen auf. Bei Metall sollte außerdem bekannt sein, dass die Elektronen frei beweglich sind und die Protonon fest im Kern "sitzen".

Ladungstrennung

Durch Wegnahme von Elektronen wird die erste Kugel positiv aufgeladen.

Elektronentransfer

Durch Aufbringen von Elektronen wird die zweite Kugel negativ aufgeladen.

Pol

Von Außen betrachtet haben wir nun einen positiven und negativen Pol (Plus- und Minuspol). Es herrscht eine Spanung zwischen den beiden Körpern.

Stromfluss

Verbindet man die beiden Kugel durch einen Leiter so fließt Strom, bis sich die Ladung wieder gleich verteilt hat.

Elektrische Spannung entsteht durch Trennung von Ladungen.

Betrachten wir die Größe UU genauer. Dafür nehmen wir uns zwei unterschiedliche Ladungen vor. Analog vergleichen wir die potentielle Energie im Gravitationsfeld, die aus der Mechanik bekannt ist.

Zwischen zwei entgegengesetzten Ladungen wirkt eine Anziehungskraft. Um die beiden Ladungen zu trennen müssen wir daher eine Kraft aufwenden.

Durch die Gravitationskraft der Erde werden Gegenstände angezogen, so dass wir ebenso hier eine Kraft aufwenden müssen um z. B. eine Tafel Schokolade anzuheben.

Üben wir diese Kraft FF über einen bestimmten Weg ss aus, so wurde Arbeit geleistet.

Diese ist vergleichbar mit der Hubarbeit WpotW_{pot}. Lassen wir der Körper los, so fällt er und verliert an potentieller Energie.

Ebenso wird sich die Ladung zurückbewegen (Strom fließt). Die dabei abgegebene Energie entspricht

Mechanisch: W=FsW=F\cdot s

Je höher die Spannung ist desto mehr Arbeit wird geleistet.

Potentialdifferenz

Wir betrachten zwei Punkte P1P_1 und P1P_1 in einem homogenen elektrischen Feld z. B. eines Plattenkondensators. Dort herrschen jeweils die Potentiale φ2\varphi_2 und φ1\varphi_1. Die Spannung ist dann:

Herleitung

ZEICHNUNGEN

Auf eine Ladung in einem elektrischen Feld mit der Feldstärke EE wirkt die Kraft F=EqF=E\cdot q

Nun soll die Ladung um die Strecke ss bewegt werden. Die Arbeit, die dabei verrichtet wird, ist W=EqsW=E \cdot q \cdot s. Aus der Mechanik ist bereits bekannt, dass W=FsW=F \cdot s (Arbeit = Kraft mal Weg) ist.

Wir stellen fest: Besaß die Ladung im Punkt 1 die Energie Epot1E_{pot1}, so hat sich nun die Energie erhöht auf Epot2E_{pot2}, wobei die Arbeit, die geleistet wurde, W=Epot2Epot1W=E_{pot2}-E_{pot1} beträgt.

Wenden wir die Definition der Spannung U=WQU=\frac WQ an so erhalten wir:

Mit der Defintion des elektrischen Potentials φ=EpotQ\varphi=\frac{E_{pot}}Q folgt daraus U=φ2φ1U=\varphi_2-\varphi_1.

Art der Ladungstrennung

In der Einleitung haben wir gesehen, dass Spannung durch Ladungstrennung erzeugt werden kann. Hier sind einige Beispiele, wie solch eine Trennung zustande kommt.

Ursache

Vorgang

Anwendung

Reibung

Reibung von Isolierstoffen

Bandgenerator, Trennung von Stoffen (z. B. Kunststoff). Häufig aber unerwünschter Effekt in der Technik.

Chemische Reaktion

Zwei Leiter werden in eine leitende Flüssigkeit getaucht

Autobatterie, Akkumulator, Batterien

Induktion

Bewegung von Leitern im Magnetfeld

Generator in Kraftwerken, Fahrraddynamo

Formeln und Berechnungen

Formelzeichen

SI- Einheit:

Volt

Formel

Arbeit pro Ladung

Schaltsymbol

Spannungsquelle Gleichstrom nach DIN-Norm

Schaltsymbol Akkumulator

Spannungsquelle Gleichstrom

Spannungsquelle Wechselstrom

Quellenangabe:

  • Literaturreferenz: …

  • Alle Abbildungen: Eigene Darstellung


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