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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=\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.

Schritt 1 Zwei isolierte Kugeln

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

Schritt 2 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".

Schritt 3 Ladungstrennung

Durch Wegnahme von Elektronen wird die erste Kugel positiv aufgeladen.

Schritt 4 Elektronentransfer

Durch Aufbringen von Elektronen wird die zweite Kugel negativ aufgeladen.

Schritt 5 Pol

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

Schritt 6 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 %%U%% 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 %%F%% über einen bestimmten Weg %%s%% aus, so wurde Arbeit geleistet.

Diese ist vergleichbar mit der Hubarbeit %%W_{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 $$W=Q\cdot U$$

Mechanisch: %%W=F\cdot s%%

Je höher die Spannung ist desto mehr Arbeit wird geleistet.

Potentialdifferenz

Wir betrachten zwei Punkte %%P_1%% und %%P_1%% in einem homogenen elektrischen Feld z. B. eines Plattenkondensators. Dort herrschen jeweils die Potentiale %%\varphi_2%% und %%\varphi_1%%. Die Spannung ist dann:

$$U=\varphi_2-\varphi_1$$

Herleitung

ZEICHNUNGEN

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

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

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

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

$$\frac Wq = \frac {E_{pot2}}q-\frac {E_{pot1}}q$$

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

Art der Ladungstrennung

In der Einleitung haben wir gesehen das 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

Details
  • Für Schulversuche verwendet man oft die Reibungs- oder Kontaktelektrizität. Dabei reibt man zwei Isolatoren aneinander, z.B. Bernstein und Wolle. Das geht nicht mit jedem Material – in manchen Festkörpern halten sich die Elektronen viel lieber auf als in anderen. Das wird durch die Austrittsarbeit gemessen. Wenn sich Materialien mit stark unterschiedlichen Austrittsarbeiten berühren, kann es passieren, dass Elektronen zwischen ihnen hüpfen. Das Reiben dient dann nur noch dazu, eine größere Kontaktfläche abzudecken.
  • Die chemischen Redox-Reaktionen, die zu einer Ladungstrennung führen können, werden hier erklärt.
  • Bei der Induktion durch Magnetfelder wird ausgenutzt, dass geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen, die sich durch ein Magnetfeld bewegen, abgelenkt werden. Dafür verantwortlich ist die Lorentzkraft.

Formeln und Berechnungen

Formelzeichen

%%U%%

SI- Einheit:

%%\lbrack U\rbrack=V=\frac{Nm}{As}%%

Volt

Formel

%%U=\frac WQ%%

Arbeit pro Ladung

Schaltsymbol

Spannungsquelle Gleichstrom nach DIN-Norm

Spannungsquelle Gleichstrom nach DIN-Norm

Schaltsymbol Akkumulator

Schaltsymbol Akkumulator

Spannungsquelle Gleichstrom

Spannungsquelle Gleichstrom

Spannungsquelle Wechselstrom Spannungsquelle Wechselstrom


Quellenangabe:

  • Literaturreferenz: …
  • Alle Abbildungen: Eigene Darstellung
Kommentieren Kommentare

Zu article Elektrische Spannung:
Philster 2019-12-22 13:32:02+0100
Wie werden denn in Schritt 3 des Bilds die Elektronen von Kugel 1 zu Kugel 2 gebracht? Geht das einfach so?
Renate 2020-01-03 12:07:48+0100
Nein, "einfach so" und von selber wird das sicher nicht gehen,

denn gleichnamige Ladungen stoßen sich ja ab (also zum Beispiel Elektronen untereinander), während sich ungleichnamige anziehen.
("Einfach so" würden die Elektronen also nur dahin gehen, wo Elektronenmangel bzw. ein Überschuss an positiver Ladung herrscht).

Um die Elektronen auf die andere Kugel zu bringen, muss man also irgendetwas tun (Spannungsquelle anschließen, Reibungselektrizität ausnutzen oder ähnliches),

aber das ist in dieser SCHEMATISCHEN Darstellung hier gar nicht explizit berücksichtigt.

Und darum ging es demjenigen, der sie erstellt hat, wohl auch nicht, sondern hier sollte nur grundsätzlich dargestellt werden, dass immer ein Ungleichgewicht von positiven und negativen Ladungen vorliegen muss, wenn man eine elektrischen Spannung hat - unabhängig davon, wie dieses Ungleichgewicht dann konkret zustande gekommen ist.


Viele Grüße
Renate

PS: Bitte entschuldige, dass du erst jetzt Antwort erhältst. Da sind wohl ein wenig die Weihnachtsfeiertage dazwischen gekommen ;).
Entro3_1415_ 2020-01-03 15:52:38+0100
Hi Philster, auch hier im Artikel findest du den Absatz, "Art der Ladungstrennung".
Dort werden die Möglichkeiten genannt, die Ladungstrennung aus Schritt 2 zu erreichen.
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