Was ist elektrische Spannung?

Was ist elektrische Spannung? Übung

• Benenne die treibende Kraft für die Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Leiter.

  Tipps

  Ladungstrennung führt zu einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Bereich im elektrischen Leiter.

  Reibt man einen Ballon an den Haaren, so richten sich die Haare auf.

  Positive und negative Ladungen streben danach, die Ladungstrennung schnell wieder auszugleichen.

  Lösung

  Im elektrischen Strom spielt eine antreibende Kraft eine entscheidende Rolle: die elektrostatische Anziehung und Abstoßung. Diese bewirkt, dass Ladungen gleicher Polarität sich abstoßen, während Ladungen unterschiedlicher Polarität sich anziehen. Daher werden die negativ geladenen Elektronen vom Minuspol weg und zum Pluspol hin bewegt.

  
  

  • Gravitationskraft

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
  Die Gravitationskraft kann nicht die richtige Lösung sein, weil sie im Kontext elektrischer Ströme vernachlässigbar schwach ist.

  • elektrostatische Anziehung und Abstoßung

  $\implies$ Diese Antwort ist richtig.
  Denn diese Kräfte bewirken, dass geladene Teilchen wie Elektronen sich aufgrund von Ladungsunterschieden anziehen (ungleiche Ladungen) oder abstoßen (gleiche Ladungen), was den Fluss von Elektronen ermöglicht.

  • Magnetfelder

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
  Das ist nicht die richtige Lösung, da Magnetfelder zwar die Richtung der Elektronenbewegung beeinflussen können, aber nicht die Haupttriebkraft für den Fluss von Elektronen.

  • Temperaturunterschiede

  $\implies$ Diese Antwort ist falsch.
  Temperaturänderungen sind nämlich keine treibende Kraft für die Bewegung von Elektronen in einem elektrischen Stromkreis.

• Beschreibe den Vorgang in einem Stromkreis.

  Tipps

  Identifiziere den Beginn des Vorgangs.

  Wozu führt die Ladungstrennung in einer Batterie?

  Die Elektronen haben keine andere Möglichkeit, als durch den Draht zu fließen, um die positive Ladung auf der anderen Seite wieder auszugleichen.

  Lösung

  Ein Stromkreis ist ein geschlossener Pfad, in dem elektrischer Strom fließt.
  Eine elektrische Quelle, zum Beispiel eine Batterie, treibt den Strom an.
  Elektronen bewegen sich durch den Leiter von der positiven zur negativen Seite der Energiequelle und erzeugen so den Strom, der elektrische Geräte betreibt.
  Die Elektronen kehren zurück zur Energiequelle, um den Kreislauf zu schließen.

  Demnach ist das die richtige Reihenfolge:

  1.$~$Ein Stromkreis beginnt mit einer elektrischen Quelle.

  2.$~$Die elektrische Quelle setzt die Elektronen in einem Leiter in Bewegung.

  3.$~$Die bewegten Elektronen bilden den elektrischen Strom, der entlang des Leiters fließt und dazu führt, dass an dem im Stromkreis befindlichen Gerät die Spannung abgelesen werden kann.

  4.$~$Der Stromkreis bleibt so lange aktiv, wie die Spannungsquelle angeschlossen ist und einen geschlossenen Pfad für den Stromfluss bildet.

• Formuliere eine Definition der elektrischen Spannung.

  Tipps

  Denke an das Wasser, welches das Tal herunterfließt.

  Die Einheit ist nach dem Begründer der Elektrizitätslehre benannt.

  Je größer die Spannung, desto größer ist auch die Stromstärke im Stromkreis.

  Lösung

  Die elektrische Spannung oder auch elektrisches Potential ist eine physikalische Größe, die die Differenz von zwei Polen in einem elektrischen Stromkreis beschreibt. Die elektrische Spannung wird in der Einheit Volt gemessen und ist die Fähigkeit, elektrische Ladungen zu bewegen. Eine höhere Spannung bedeutet eine größere Kraft, die auf elektrische Ladungen wirkt, was wiederum den elektrischen Stromfluss zwischen den Polen erhöht.

• Zeige die Parallelen zwischen dem Stromkreis und dem Wasserkreislauf auf.

  Tipps

  Die Quelle in beiden Systemen ist für die Energieversorgung verantwortlich und sorgt dafür, dass der Strom angetrieben wird.

  Denke in den beiden Kreisläufen über die Fortbewegung nach.

  Im Wasserkreislauf wird die Energie der Wasserströmung in mechanische Arbeit umgewandelt – ähnlich wie die Last im elektrischen Stromkreis, die elektrische Energie in andere Formen umwandeln kann.

  Was machst du, wenn deine Batterie, also deine Spannungsquelle, leer ist? Ähnlich ist der Vorgang bei dem Wasserkreislauf.

  Lösung

  Die Lampe im Stromkreis kann man sich als Energiewandler wie ein Wasserrad in einem Wasserrohr vorstellen, das durch den Wasserstrom angetrieben wird. In diesem Vergleich entspricht die elektrische Quelle einer Pumpe, die immer dafür sorgt, dass das Wasser von unten wieder nach oben gepumpt wird. So wird der Höhenunterschied und damit der Wasserstrom aufrechterhalten. Wird viel Wasser auf eine große Höhe gepumpt, wird der Wasserstrom umso stärker sein. Im Stromkreis ist es die Potentialdifferenz, die durch die elektrische Quelle aufrechterhalten wird. Die Ladungen werden dabei genauso wenig verbraucht wie das Wasser im Rohr. Allerdings lässt die Fähigkeit einer Batterie, eine Spannung aufrechtzuerhalten, mit der Zeit nach.

  
  

  • Potentialdifferenz – Höhenunterschied

  In einem elektrischen Stromkreis erzeugt eine Spannungsquelle (wie eine Batterie oder ein Generator) eine Potentialdifferenz, die elektrische Ladungen antreibt – ähnlich wie ein Höhenunterschied ein Objekt aufgrund der Schwerkraft nach unten zieht.

  
  

  • Leitung – Wasserrohr

  Ein Wasserrohr dient als physischer Kanal für die Wasserströmung – ähnlich wie ein Draht oder eine Leitung als physischer Pfad für den elektrischen Strom.

  
  

  • elektrischer Strom – Wasserströmung

  Ähnlich wie Wasser in einem Wasserrohr von einem Punkt zum anderen fließt, bewegen sich elektrische Ladungsträger in einem elektrischen Leiter von einem Ort mit höherem elektrischen Potential zu einem Ort mit niedrigerem Potential.

  
  

  • Energiewandler – Wasserrad

  Ein Energiewandler ist eine Vorrichtung, zum Beispiel eine Lampe, die eine Form von Energie in eine andere umwandelt. Ähnlich dazu wandelt ein Wasserrad die kinetische Energie des fließenden Wassers in mechanische Arbeit.

  
  

  • elektrische Quelle – Pumpe

  Eine elektrische Quelle, zum Beispiel eine Batterie, liefert elektrische Energie, um einen elektrischen Stromkreis zu versorgen – eine Pumpe pumpt das Wasser von unten wieder nach oben.

• Bestimme die elektrische Spannung der verschiedenen Batterien.

  Tipps

  Welche Batterietypen kennst du bereits aus dem Alltag?

  Bestimmte Geräte benötigen Batterien mit der richtigen elektrischen Spannung.

  Um viele Komponenten zu betreiben, braucht es eine besonders hohe Spannung. Zum Beispiel benötigt ein Auto eine $12$-$\text{V}$-Batterie.

  Lösung

  Verschiedene Batterietypen haben eine unterschiedlich große elektrische Spannung, die in der Einheit $\text{Volt}$ angegeben wird.
  Die Größe der elektrischen Spannung hängt von der chemischen Zusammensetzung ab.
  Jeder Batterietyp hat einen bestimmten Anwendungsbereich.
  Es ist wichtig, die elektrische Spannung der Batterien richtig einzuordnen, da bestimmte Geräte bestimmte Batterietypen brauchen.

• Erkläre, warum Vögel problemlos auf Hochspannungsleitungen sitzen können.

  Tipps

  Es gibt keine starken Spannungsunterschiede entlang der Leitung.

  Der Vogel hat keine Verbindung, wo der Strom abfließen kann.

  Vögel sitzen sicher auf Spannungsleitungen, weil sie keinen geschlossenen Stromkreis bilden.

  Lösung

  Hochspannungsleitungen haben normalerweise sehr hohe Spannungen, oft Tausende von Volt. Trotz der hohen Spannung fließt kein Strom durch den Vogel, der auf einer solchen Leitung sitzt. Das liegt daran, dass der Vogel keine elektrische Verbindung zwischen den Leitungen herstellt.
  Die Spannung auf der Oberleitung erzeugt ein elektrisches Feld um die Leitung herum. Aber solange der Vogel nur auf der Leitung sitzt und keinen Kontakt zu einem anderen leitenden Material herstellt (zum Beispiel zu Erde oder einem anderen Draht), wird kein Stromfluss durch den Vogel verursacht.

  Lösungstext:

  Vögel können problemlos auf einer Spannungsleitung sitzen, weil die elektrische Spannung entlang der Leitung gleichmäßig verteilt ist. Das bedeutet, dass es keinen Unterschied in der Spannung gibt, den der Vogel überwinden müsste, indem er die Leitung berührt.
  Solange der Vogel keine andere Verbindung zu einem anderen leitfähigen Material herstellt, wird kein Stromfluss durch ihn verursacht.
  Dies ermöglicht es Vögeln, sicher auf Spannungsleitungen zu sitzen, ohne von der elektrischen Spannung auf der Leitung beeinflusst zu werden.