Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Das Wasserkreislaufmodell als Analogie für den Stromkreis Um die Begriffe „elektrische Spannung“ und – im nächsten Kapitel – „elektrischer Strom“ besser zu verstehen, nehmen wir Analogieüberlegungen anhand eines Was- serkreislaufmodells zu Hilfe. 76.1 zeigt das Prinzip eines hydraulischen Antriebs und vergleicht ihn mit ei- nem elektrischen Stromkreis. In beiden Fällen soll Energie zwischen einem An- trieb (Pumpe, Batterie) und einem Verbraucher (Turbine als Antrieb von Maschi- nen, Lampe) übertragen werden. Arbeitsmittel sind beim hydraulischen Antrieb Wasser (oder Hydraulik-Öl) bzw. im Stromkreis elektrische Ladungsträger. Die Pumpe stellt eine Druckdifferenz ∆ p zwischen der oberen und der unteren Rohrleitung her. Die Druckdifferenz und die umgewälzte Wassermenge V bestim- men, wie viel Energie W von der Pumpe mit dem Wasserkreislauf der Turbine zu- geführt und von ihr umgesetzt wird: W = V · Δ p . Durch Zu- und Ableitung fließt im- mer die gleiche Menge Wasser: Es wird kein Wasser verbraucht, es kann sich nicht stauen. Die Batterie (oder eine andere Spannungsquelle) drückt am einen Pol Ladungsträ- ger in die Leitung, am anderen Pol saugt sie Ladungsträger an – sie erzeugt sozu- sagen eine elektrische Druckdifferenz, die „Spannung“. Im geschlossenen Strom- kreis lässt die Druckdifferenz die Ladungen durch die Leitungen und den Verbraucher fließen. Die am Verbraucher umgesetzte Energie hängt von der Druck- differenz, d. h. von der Spannung U zwischen Eingang und Ausgang des Verbrau- chers, und der geflossenen Ladungsmenge Q ab. In Zu- und Ableitung fließen gleich viele Ladungen, es wird kein Strom verbraucht. Um die Ladung Q in der Spannungsquelle beweglich zu machen und an den Strom- kreis abzugeben, wird Energie W benötigt, die bei Batterien aus chemischen Reak- tionen stammt, bei Solarzellen vom einfallenden Licht geliefert wird, usw. Analog zum Wasserkreislauf setzen wir W = Q · U . Dadurch definieren wir die elekt- rische Spannung U : Der Quotient aus aufgewandter Energie und transportierter Ladung Q wird elektrische Spannung ( U ) genannt. Die elektrische Spannung Spannung = Energieaufwand zur Ladungstrennung/Ladung U = W _ Q Einheit der elektrischen Spannung: Volt (V). 1 V = 1 J/C.  Der Ausdruck „elektrischer Druck“ soll die Ähnlichkeit (Analogie) von Wasser- kreis und Stromkreis hervorheben. Der Fachausdruck ist Potential (Einheit: Volt). Dieser Begriff erinnert an die potenzielle Energie der Mechanik und an die Fähig- keit eines mechanischen Systems, gespeicherte potenzielle Energie in Arbeit um- zuwandeln. Die beiden Pole der Batterie haben unterschiedliche Potentiale, ihre Differenz ist die elektrische Spannung.  Spannungsquellen für den Alltag Elektrische Energie aus mechanischer Energie Vom Fahrraddynamo bis zum Generator im Kraftwerk und in der Windenergie- anlage wird mechanische Arbeit genutzt, um elektrische Energie bereit zu stellen. Die Verteilung über das öffentliche Leitungsnetz ermöglicht den kostengünstigen Einsatz von elektrischer Energie in Industrie und Haushalt. Netzgeräte sind aus dem Alltag vertraut. In ihnen wird die Wechselspannung des Stromnetzes von 230V für elektronische Geräte aufbereitet (siehe Physik 7), die meist mit Spannungen von 3V bis 20V arbeiten und oft Gleichspannung benötigen. 76.1 Analogie Wasserkreis – Stromkreis. a) Energie wird im Wasserkreis durch den Druckunterschied in den Leitungen von der Pumpe zur Turbine übertragen. b) Im Strom- kreis überträgt die Spannungsquelle (Batterie) Energie auf den Verbraucher (Lampe), wenn Strom fließt und zwischen den Anschlüssen des Verbrauchers eine elektrische Spannung besteht. 76.2 Elektrische Spannungen in Natur und Alltag. Verschiedene Spannungswerte Empfangsantenne ca. 10µV EKG ca. 1mV Zellmembran ca. 100mV Galvanische Zelle 1,5V Flachbatterie 4,5V Fahrraddynamo ca. 6V Autobatterie 12V lebensgefährliche Spannungen ab ca. 50V Haushaltsnetz (EU) 230V Bandgenerator ca. 100 kV Hochspannungsleitung ca. 380 kV Gewitter ca. 100MV 76 E-LEHRE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv