Spannung und Strom

Wie bereits erwähnt, brauchen wir mehr als nur einen kontinuierlichen Pfad (d. h. einen Stromkreis), bevor ein kontinuierlicher Ladungsfluss auftritt:Wir brauchen auch ein Mittel, um diese Ladungsträger durch den Stromkreis zu schieben. Genau wie Murmeln in einer Röhre oder Wasser in einer Pfeife braucht es eine Art Einflusskraft, um den Fluss zu initiieren. Bei Elektronen ist diese Kraft dieselbe Kraft, die bei statischer Elektrizität wirkt:die Kraft, die durch ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung erzeugt wird. Nehmen wir die Beispiele Wachs und Wolle, die aneinander gerieben wurden, so stellen wir fest, dass der Elektronenüberschuss im Wachs (negative Ladung) und der Elektronenmangel in der Wolle (positive Ladung) ein Ladungsungleichgewicht zwischen ihnen erzeugen. Dieses Ungleichgewicht manifestiert sich als Anziehungskraft zwischen den beiden Objekten:

Wenn ein leitfähiger Draht zwischen das geladene Wachs und die Wolle gelegt wird, fließen Elektronen durch ihn, da einige der überschüssigen Elektronen im Wachs durch den Draht strömen, um zurück zur Wolle zu gelangen und den Elektronenmangel dort zu füllen:

Das Ungleichgewicht der Elektronen zwischen den Atomen im Wachs und den Atomen in der Wolle erzeugt eine Kraft zwischen den beiden Materialien. Da keine Elektronen vom Wachs zur Wolle fließen können, kann diese Kraft nur die beiden Objekte zusammenziehen. Da nun jedoch ein Leiter die Isolierstrecke überbrückt, wird die Kraft, wenn auch nur vorübergehend, Elektronen in gleichmäßiger Richtung durch den Draht fließen lassen, bis sich die Ladung in diesem Bereich neutralisiert und die Kraft zwischen Wachs und Wolle nachlässt. Die elektrische Ladung, die sich zwischen diesen beiden Materialien durch das Aneinanderreiben bildet, dient dazu, eine gewisse Energiemenge zu speichern. Diese Energie ist der Energie nicht unähnlich, die in einem hohen Wasserreservoir gespeichert ist, das aus einem tiefer gelegenen Teich gepumpt wurde:

Durch den Einfluss der Schwerkraft auf das Wasser im Reservoir entsteht eine Kraft, die versucht, das Wasser wieder auf das untere Niveau zu bewegen. Wenn ein geeignetes Rohr vom Reservoir zurück zum Teich geführt wird, fließt Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft aus dem Reservoir nach unten durch das Rohr:

Es braucht Energie, um dieses Wasser aus dem Niedrigwasserbecken in das Hochbecken zu pumpen, und die Bewegung des Wassers durch die Rohrleitungen zurück auf sein ursprüngliches Niveau stellt eine Freisetzung von Energie dar, die durch das vorherige Pumpen gespeichert wurde. Wenn das Wasser auf ein noch höheres Niveau gepumpt wird, wird dafür noch mehr Energie benötigt, somit wird mehr Energie gespeichert und mehr Energie freigesetzt, wenn das Wasser durch ein Rohr wieder nach unten fließen kann:

Elektronen sind nicht viel anders. Wenn wir Wachs und Wolle aneinander reiben, „pumpen“ wir Elektronen von ihrem normalen „Niveau“ weg, wodurch ein Zustand entsteht, in dem eine Kraft zwischen dem Wachs und der Wolle besteht, während die Elektronen versuchen, ihre früheren Positionen (und das Gleichgewicht innerhalb ihrer) wiederherzustellen jeweiligen Atome). Die Kraft, die Elektronen an ihre ursprünglichen Positionen um die positiven Kerne ihrer Atome zurückzieht, ist analog zu der Kraft, die die Schwerkraft auf das Wasser im Reservoir ausübt und versucht, es auf sein vorheriges Niveau zu ziehen. So wie das Pumpen von Wasser auf ein höheres Niveau dazu führt, dass Energie gespeichert wird, führt das „Pumpen“ von Elektronen, um ein elektrisches Ladungsungleichgewicht zu erzeugen, dazu, dass eine bestimmte Energiemenge in diesem Ungleichgewicht gespeichert wird. Und so wie die Bereitstellung einer Möglichkeit für das Wasser, von den Höhen des Reservoirs nach unten zu fließen, zu einer Freisetzung dieser gespeicherten Energie führt, führt die Bereitstellung einer Möglichkeit für Elektronen zum Zurückfließen auf ihre ursprünglichen „Niveaus“ zu einer Freisetzung gespeicherter Energie. Wenn die Ladungsträger in diesem statischen Zustand balanciert sind (wie Wasser, das still steht, hoch in einem Reservoir), wird die dort gespeicherte Energie als potentielle Energie bezeichnet , weil es die Möglichkeit (Potenzial) der Freisetzung hat, die noch nicht vollständig realisiert wurde.

Das Spannungskonzept verstehen

Wenn die Ladungsträger in diesem statischen Zustand schweben (wie Wasser, das still steht, hoch in einem Reservoir), wird die dort gespeicherte Energie potentielle Energie genannt, weil sie die Möglichkeit (Potential) der Freisetzung hat, die noch nicht vollständig realisiert ist. Wenn Sie Ihre Schuhe mit Gummisohlen an einem trockenen Tag gegen einen Stoffteppich reiben, entsteht ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladung zwischen Ihnen und dem Teppich. Das Scheuern Ihrer Füße speichert Energie in Form eines Ungleichgewichts von Ladungen, die von ihren ursprünglichen Positionen gezwungen werden. Diese Ladung (statische Elektrizität) ist stationär und Sie werden nicht bemerken, dass überhaupt Energie gespeichert wird. Sobald Sie jedoch Ihre Hand gegen einen Metalltürknauf legen (mit viel Elektronenbeweglichkeit, um Ihre elektrische Ladung zu neutralisieren), wird diese gespeicherte Energie in Form eines plötzlichen Ladungsflusses durch Ihre Hand freigesetzt, und Sie werden sie als ein elektrischer Schock! Diese potentielle Energie, die in Form eines elektrischen Ladungsungleichgewichts gespeichert ist und in der Lage ist, Ladungsträger zum Fließen durch einen Leiter zu provozieren, kann als Spannung ausgedrückt werden, die technisch ein Maß für die potentielle Energie pro Ladungseinheit ist oder etwas, das ein Physiker würde nennen spezifische potentielle Energie.

Die Definition von Spannung

Im Zusammenhang mit statischer Elektrizität definiert, ist Spannung das Maß der Arbeit, die erforderlich ist, um eine Einheitsladung von einem Ort zu einem anderen zu bewegen, gegen die Kraft, die versucht, die elektrischen Ladungen im Gleichgewicht zu halten. Im Zusammenhang mit elektrischen Energiequellen ist Spannung die Menge an potentieller Energie, die pro Ladungseinheit verfügbar ist (zu leistende Arbeit), um Ladungen durch einen Leiter zu bewegen Wenn sich die Ladung von einer „Ebene“ zur anderen bewegt, wird sie immer zwischen zwei Punkten referenziert. Betrachten Sie die Analogie zum Wasserreservoir:

Aufgrund der unterschiedlichen Fallhöhe besteht die Möglichkeit, dass viel mehr Energie aus dem Reservoir durch die Rohrleitungen zu Ort 2 als zu Ort 1 freigesetzt wird heftiger Aufprall, ein Stein, der aus einer Höhe von einem Fuß fällt, oder der gleiche Stein, der aus einer Höhe von einer Meile fällt? Offensichtlich führt der Fall mit größerer Höhe zu einer größeren freigesetzten Energie (einem heftigeren Aufprall). Wir können die Menge der gespeicherten Energie in einem Wasserreservoir nicht allein durch die Messung des Wasservolumens beurteilen, ebenso wenig wie wir die Schwere des Aufpralls eines Steinschlags allein aus der Kenntnis des Gesteinsgewichts vorhersagen können:In beiden Fällen müssen wir auch berücksichtigen, wie weit diese Massen fallen von ihrer ursprünglichen Höhe ab. Die Energiemenge, die beim Fallenlassen einer Masse freigesetzt wird, ist relativ zum Abstand zwischen seinen Start- und Endpunkt. Ebenso ist die potentielle Energie, die verfügbar ist, um Ladungsträger von einem Punkt zum anderen zu bewegen, relativ zu diesen beiden Punkten. Daher wird die Spannung immer als eine Größe zwischen . ausgedrückt zwei Punkte. Interessanterweise ist die Analogie einer Masse, die potenziell von einer Höhe zur anderen „fällt“, ein so treffendes Modell, dass die Spannung zwischen zwei Punkten manchmal als Spannungsabfall bezeichnet wird .

Spannung erzeugen

Spannung kann auch durch andere Mittel erzeugt werden, als bestimmte Arten von Materialien aneinander zu reiben. Chemische Reaktionen, Strahlungsenergie und der Einfluss des Magnetismus auf Leiter sind einige Möglichkeiten, wie Spannung erzeugt werden kann. Entsprechende Beispiele für diese drei Spannungsquellen sind Batterien, Solarzellen und Generatoren (wie die „Lichtmaschine“-Einheit unter der Motorhaube Ihres Autos). Vorerst werden wir nicht im Detail darauf eingehen, wie jede dieser Spannungsquellen funktioniert – wichtiger ist, dass wir verstehen, wie Spannungsquellen angelegt werden können, um einen Ladungsfluss in einem Stromkreis zu erzeugen. Nehmen wir das Symbol für eine chemische Batterie und bauen Schritt für Schritt eine Schaltung auf:

Wie funktionieren Spannungsquellen?

Jede Spannungsquelle, einschließlich Batterien, hat zwei Punkte für den elektrischen Kontakt. In diesem Fall haben wir Punkt 1 und Punkt 2 im obigen Diagramm. Die horizontalen Linien unterschiedlicher Länge zeigen an, dass es sich um eine Batterie handelt, und sie geben weiter an, in welche Richtung die Spannung dieser Batterie versucht, Ladungsträger durch einen Stromkreis zu drücken. Die Tatsache, dass die horizontalen Linien im Batteriesymbol getrennt erscheinen (und somit nicht als Pfad für den Ladungsfluss dienen können), ist kein Grund zur Besorgnis:Diese horizontalen Linien stellen im wirklichen Leben Metallplatten dar, die in ein flüssiges oder halbfestes Material eingetaucht sind die nicht nur Ladungen leitet, sondern durch Wechselwirkung mit den Platten auch die Spannung erzeugt, um sie weiterzuschieben. Beachten Sie die kleinen „+“ und „-“ Zeichen direkt links neben dem Batteriesymbol. Das negative (-) Ende der Batterie ist immer das Ende mit dem kürzesten Strich, und das positive (+) Ende der Batterie ist immer das Ende mit dem längsten Strich. Das positive Ende einer Batterie ist das Ende, das versucht, Ladungsträger herauszudrücken (denken Sie daran, dass wir uns Ladungsträger konventionell als positiv geladen vorstellen, obwohl Elektronen negativ geladen sind). Ebenso ist das negative Ende das Ende, das versucht, die Ladungsträger anzuziehen. Wenn die Enden „+“ und „-“ der Batterie nicht mit irgendetwas verbunden sind, liegt zwischen diesen beiden Punkten Spannung an, aber es findet kein Ladungsfluss durch die Batterie statt, da es keinen durchgehenden Pfad gibt, durch den sich Ladungsträger bewegen können.

Das gleiche Prinzip gilt für die Analogie von Wasserreservoir und Pumpe:Ohne eine Rücklaufleitung zurück zum Teich kann die im Reservoir gespeicherte Energie nicht in Form von Wasserfluss freigesetzt werden. Sobald der Behälter vollständig gefüllt ist, kann kein Durchfluss mehr auftreten, egal wie viel Druck die Pumpe erzeugen kann. Es muss ein vollständiger Weg (Kreislauf) vorhanden sein, damit das Wasser vom Teich zum Reservoir und zurück zum Teich fließen kann, damit ein kontinuierlicher Fluss erfolgen kann. Wir können einen solchen Weg für die Batterie bereitstellen, indem wir ein Stück Draht von einem Ende der Batterie zum anderen verbinden. Wir bilden einen Stromkreis mit einer Drahtschleife und initiieren einen kontinuierlichen Ladungsfluss im Uhrzeigersinn:

Das Konzept des elektrischen Stroms verstehen

Solange die Batterie weiterhin Spannung erzeugt und die Kontinuität des elektrischen Pfades nicht unterbrochen ist, fließen weiterhin Ladungsträger im Stromkreis. In Anlehnung an die Metapher von Wasser, das sich durch ein Rohr bewegt, wird dieser kontinuierliche, gleichmäßige Ladungsfluss durch den Kreislauf als Strom bezeichnet . Solange die Spannungsquelle in die gleiche Richtung „drückt“, bewegen sich die Ladungsträger im Stromkreis in die gleiche Richtung. Dieser Stromfluss in eine Richtung wird als Gleichstrom bezeichnet , oder DC. Im zweiten Band dieser Buchreihe werden elektrische Schaltungen untersucht, bei denen die Stromrichtung hin und her wechselt:Wechselstrom , oder AC. Aber jetzt beschäftigen wir uns nur mit Gleichstromkreisen. Da elektrischer Strom aus einzelnen Ladungsträgern besteht, die gleichzeitig durch einen Leiter fließen, indem sie sich entlang bewegen und die Ladungsträger vorwärts drücken, genau wie Murmeln durch ein Rohr oder Wasser durch ein Rohr, ist die Flussmenge durch einen einzelnen Stromkreis gleich an jedem Punkt. Würden wir einen Drahtquerschnitt in einem einzigen Stromkreis überwachen, indem wir die vorbeifließenden Ladungsträger zählen, würden wir pro Zeiteinheit genau die gleiche Menge feststellen wie in jedem anderen Teil des Stromkreises, unabhängig von Leiterlänge oder Leiter Durchmesser. Wenn wir die Kontinuität des Stromkreises an irgendeinem Punkt unterbrechen , wird der elektrische Strom in der gesamten Schleife unterbrochen und die volle Spannung, die von der Batterie erzeugt wird, wird über die Unterbrechung zwischen den früher angeschlossenen Drahtenden manifestiert:

Welche Polarität hat ein Spannungsabfall?

Beachten Sie die Zeichen „+“ und „-“ an den Enden der Unterbrechung im Stromkreis und wie sie mit den Zeichen „+“ und „-“ neben den Batteriepolen übereinstimmen. Diese Markierungen zeigen die Richtung an, in die die Spannung versucht, den Strom zu drücken, diese potenzielle Richtung, die allgemein als Polarität bezeichnet wird . Denken Sie daran, dass die Spannung zwischen zwei Punkten immer relativ ist. Aus diesem Grund ist die Polarität eines Spannungsabfalls auch zwischen zwei Punkten relativ:Ob ein Punkt in einem Stromkreis mit einem „+“ oder einem „-“ gekennzeichnet wird, hängt von dem anderen Punkt ab, auf den er sich bezieht. Schauen Sie sich die folgende Strecke an, bei der jede Ecke der Schleife als Referenz mit einer Nummer markiert ist:

Wenn die Kontinuität des Stromkreises zwischen den Punkten 2 und 3 unterbrochen ist, ist die Polarität der zwischen den Punkten 2 und 3 abfallenden Spannung „+“ für Punkt 2 und „-“ für Punkt 3. Die Polarität der Batterie (1 „+“ und 4 „-“ ) versucht, den Strom durch die Schleife im Uhrzeigersinn von 1 zu 2 zu 3 zu 4 und wieder zurück zu 1 zu drücken. Sehen wir uns nun an, was passiert, wenn wir die Punkte 2 und 3 wieder miteinander verbinden, aber zwischen den Punkten 3 und 4 eine Unterbrechung im Stromkreis einlegen:

Mit der Unterbrechung zwischen 3 und 4 ist die Polarität des Spannungsabfalls zwischen diesen beiden Punkten „-“ für 4 und „+“ für 3. Beachten Sie insbesondere, dass das „Vorzeichen“ von Punkt 3 dem des ersten entgegengesetzt ist Beispiel, wo die Unterbrechung zwischen den Punkten 2 und 3 lag (wo Punkt 3 mit „-“ gekennzeichnet war). Es ist für uns unmöglich zu sagen, dass Punkt 3 in dieser Schaltung immer entweder "+" oder "-" sein wird, da die Polarität, wie die Spannung selbst, nicht spezifisch für einen einzelnen Punkt ist, sondern immer relativ zwischen zwei Punkten ist!

RÜCKBLICK:

• Ladungsträger können durch die gleiche Kraft, die sich in statischer Elektrizität manifestiert, dazu motiviert werden, durch einen Leiter zu fließen.
• Spannung ist das Maß der spezifischen potentiellen Energie (potentielle Energie pro Ladungseinheit) zwischen zwei Orten. Laienhaft ausgedrückt, ist es das Maß für den "Anstoß", der zur Verfügung steht, um die Anklage zu motivieren.
• Spannung als Ausdruck potentieller Energie ist immer relativ zwischen zwei Orten oder Punkten. Manchmal wird es auch als „Spannungsabfall“ bezeichnet.
• Wenn eine Spannungsquelle an einen Stromkreis angeschlossen ist, bewirkt die Spannung einen gleichmäßigen Fluss von Ladungsträgern durch diesen Stromkreis, der als Strom bezeichnet wird .
• In einer einzelnen Schaltung (eine Schleife) ist die Strommenge an jedem Punkt gleich der Strommenge an jedem anderen Punkt.
• Wenn ein Stromkreis mit einer Spannungsquelle unterbrochen wird, erscheint die volle Spannung dieser Quelle an den Unterbrechungspunkten.
• Die +/- Orientierung eines Spannungsabfalls wird als Polarität bezeichnet . Es ist auch relativ zwischen zwei Punkten.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Spannung, Strom und Widerstand