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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 zwei unterschiedliche Ladungen vor. Analog vergleichen wir die potenzielle Energie im Gravitationsfeld die aus der Mechanik bekannt ist.

Zwischen zwei entgegengesetzte 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 Tafelschokolade anzuheben.

Üben wir diese Kraft %%F%% über ein bestimmtes 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 potentielle 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 uns zwei Punkte %%P_1%% un d %%P_1%% in einem homogenen elektrischen Feld z. B. eines Plattenkondensators. Dort herschen jeweils die Potentialle %%\varphi_2%% und %%\varphi_1%%. Die Spannung ist dann:

$$U=\varphi_2-\varphi_1$$

Herleitung

ZEICHNUNGEN

Auf eine Ladung in einem Elektrischenfeld 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 das %%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 Deffintion 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

Bandgenarator, Trennung von Stoffen (z. B. Kunststoff). Häufig aber unerwünschte 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, Fahrradynamo

Formeln und Berechnungen

Formelzeichen

%%U%%

SI- Einheit:

%%\lbrack U\rbrack=V%%

Formel

%%U=\frac WQ=\frac{Nm}{As}%%

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
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