Big Bang HTL 3, Schulbuch

38 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 4.4 Rauf auf den Berg Spannung und „elektrischer Höhenunterschied“ In diesem Abschnitt beleuchten wir das elektrische Feld aus Sicht der Spannung, und du lernst andere grafische Darstel- lungsmöglichkeiten für elektrische Felder kennen. Wenn du eine Masse im Gravitationsfeld der Erde hebst, musst du Arbeit aufwenden. Diese ist dann als potenzielle mechanische Energie in dieser Masse gespeichert (Tab. 4.3). Wenn du eine Ladung gegen ein elektrisches Feld ver- schiebst, dann musst du ebenfalls Arbeit aufwenden. Diese ist dann als potenzielle elektrische Energie in der Ladung gespeichert. Die elektrische Spannung ist als Arbeit pro La- dung definiert: Formel: elektrische Spannung U = W __ Q ⇒ W = Q · U U … elektrische Spannung [V] W … Arbeit [J] Q … Ladung [C] In Abb. 4.20 sind zwei gleiche und zwei ungleiche Zentral- ladungen dargestellt. Die Berge und Täler entsprechen der potenziellen elektrischen Energie einer kleinen positiven Testladung, die du in diesem Feld herumschiebst. Wenn du die Testladung an eine positive Zentralladung heran- schiebst, musst du Energie aufwenden. Es ist genau so, als würdest du etwas einen Berg hinaufrollen. Deshalb werden positive Zentralladungen als Berge dargestellt. Zwischen einer Gewitterwolke und dem Boden kann es kurz vor dem Blitz zu Spannungen von 100 Millio- nen Volt kommen! Ist die Wolke einen Kilometer über dem Boden, bedeutet das eine Feldstärke von 100.000 Volt pro Meter. Herrscht dann zwischen Kopf und Füßen eines Menschen eine Spannung von fast 200.000 V? Warum überlebt man das? Um die kleine Ladung von a nach b zu schieben (Abb. 4.19), ist Arbeit nötig, um sie von a nach c zu schieben aber nicht. Warum? Viele Wassertiere, wie etwa die Haie, können unter dem Meeressand verborgene Futterfische ausmachen, ohne dass sie diese sehen oder riechen könnten. Wie machen sie das? F12 A2 F13 A2 Abb. 4.19 F14 A1 F potenzielle mechanische Energie potenzielle elektrische Energie W = E p = m · g · h W = E p = Q · U Um eine Masse von 1 kg im Schwerefeld der Erde um 0,1m zu heben, ist die Arbeit von einem Joule nötig. Um eine Ladung von 1 C im Spannungsfeld von 1V zu transportieren, ist die Arbeit von einem Joule nötig. Tab. 4.3: Vergleich zwischen Verschiebearbeit im elektrischen Feld und Hebearbeit im Schwerefeld Wenn du die Testladung an eine negative Ladung heran- schiebst, wird Energie frei. Es ist so, als würdest du etwas einen Berg hinunterrollen. Deshalb sind negative Zentral- ladungen als Senken eingezeichnet. Man versteht an dieser Darstellung sofort, warum man die Spannung als „elektri- schen Höhenunterschied“ bezeichnet. Die Energieverhältnis- se beim Verschieben einer Ladung im elektrischen Feld sind ganz ähnlich wie beim Verschieben einer Masse in einer Hügellandschaft. Oft wird das elektrische Feld auch so wie in Abb. 4.21 darge- stellt. Die potenzielle Energie ist dann in Form von „Höhen- linien“ eingezeichnet, ganz ähnlich wie auf einer geogra- fischen Karte. Diese Linien verbinden Orte mit gleicher (= äquivalenter) potenzieller Energie. Man spricht daher von Äquipotenziallinien oder, in drei Dimensionen, von Äquipo- tenzialflächen . Diese stehen immer normal zu den elektri- schen Feldlinien. Um eine Ladung entlang einer Linie mit Abb. 4.20: Darstellung der potenziellen Energie einer positiven Testladung im elektrischen Feld Abb. 4.21: Hier sind die Berge und Täler als Höhenlinien dargestellt. Es ist Abb. 4.20 quasi von oben gesehen. Zusätzlich sind auch die elektrischen Feldlinien eingezeichnet. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv