Einfacher Stromkreis
System
Eine Glühbirne sei über zwei Drähte mit einer Batterie verbunden. Die Glühbirne brennt eine bestimmte Zeit, dann ist die Baterie leer und muss entsorgt werden. Man kann wahlweise den Plus- oder den Minuspol der Batterie erden, ohne dass die Glühbirne zu brennen aufhört. Andererseits leuchtet die Birne nicht mehr, sobald man einen der beiden Drähte irgendwo durchtrennt, sobald man den Stromkreis unterbricht.
Bilder
Um sich die Elektrizität vorzustellen, hat man seit jeher Bilder von den elektrischen Vorgängen gemacht. Dabei sind mehr oder weniger brauchbare Modelle entstanden. Stellt man sich den Strom als Bewegung von Elektronen vor, nimmt man ein Modell, das nicht direkt auf elektrotechnische Netzwerke (Spannung und Strom bei Widerständen, Kondensatoren und Spule) angewendet werden kann. Zudem darf man sich den Transport der Elektronen nicht als Bewegung im Sinne der klassischen Mechanik vorstellen, denn die Quantenmechanik erlaubt uns nicht, den Elektronen gleichzeitig eine Geschwindigkeit (Impuls) und einen Ort zuzuordnen. Das Elektronenmodell hilft auch nicht weiter, wenn der Energietransport von der Batterie zur Glühbirne erklärt werden soll. Untersucht man dagegen den Ladungstransport in Festkörpern, benötigt man ein mikroskopisches Modell. Das Bild, das man sich dann von den Elektronen macht, hat aber nichts mehr mit den roten Erbsen zu tun, wie sie in elementaren Lehrbüchern zu finden sind.
Ein viel brauchbareres Bild liefert die hydroelektrische Analogie
| Begriff | Hydrodynamik | Elektrodynamik | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Menge | Volumen | elektrische Ladung | Ladung ist vorzeichenfähig |
| Strom | Volumenstrom | elektrischer Strom | Richtung des elektrischen Stromes ist Konvention |
| Potenzial | Druck | elektrisches Potenzial | Bezugspunkt wichtig |
| "Antrieb" | Druckdifferenz | Spannung | Bezugspunkt entfällt |
| Quelle | Pumpen | Spannungsquelle | unterschiedliche Charakteristiken |
| Widerstand | Strömungswiderstand | Widerstand | Laminarströmung |
| Kapazität | Volumenspeicher | Kondensator | Gesamtladung gleich Null |
| Induktivität | Trägheit | Spule | mit Widerstand gekoppelt |
| Energiestrom | IW = p IV | IW = φ I | in der Elektrizität von untergeordneter Bedeutung |
| Prozessleistung | P = Δp IV | P = U I | Leistung wird von zweitem Prozess aufgenommen |
| Signalgeschwindigkeit | Schallgeschwindigkeit | Lichtgeschwindigkeit | hängt von Kapazität und Indukivität pro Länge ab |
Die hydroelektrische Analogie hat natürlich auch ihre Grenzen. So kann ein starker Strom durch ein Stück Eisenbahnschiene fliessen, ohne dass das Metall elektrisch geladen ist. Zudem hängt die Richtung des elektrischen Stromes von einer Konvention ab. Würde man die Ladung des Elektrons positv wählen, flössen augenblicklich alle elektrischen Ströme auf die andere Seite.
elektromagnetisches Feld
Ein ausgefeilteres Bild des einfachen Stromkreises erhält man mit Hilfe des elektromagnetischen Feldes. Ladungen sind Quellen und Senken des elektrischen Feldes, Ströme bilden den Kern eines magnetischen Wirbelfeldes.
Schraubt man die Glühbirne aus der Fassung, wird der Stromkreis unterbrochen. Eine extrem geringe Ladungsmenge, die auf den beiden Drähten sitzt, sorgt für ein schwaches elektrisches Feld. Dieses Feld, das für die Spannung zwischen den beiden Leitern verantwortlich ist, bleibt auch bestehen, wenn der Strom fliesst. Die Batterie sorgt dafür, dass die Spannung zwischen den Drähten und damit auch das zugehörige elektrische Feld nie verschwindet. Indem man den einen oder den andern Pol der Batterie erdet, verändert sich die Ladung auf den Drähten ein wenig und das zugehörige elektrische Feld passt sich den neuen Gegebenheiten an.
Dreht man die Glühbirne wieder hinein, fliesst ein elektrischer Strom im Kreis herum und es bildet sich ein magnetisches Wirbelfeld um den Stromkreis. Die Ladungsmenge, die dabei durch einen Drahquerschnitt pro Sekunde transportiert wird, ist sehr viel grösser als die Ladung, die zum Aufbau der 4.5 V Spannung notwendig ist. Fragt man nun nach dem Energietransport von der Batterie zur Glühbirne, stösst man auf den Poynting-Vektor. Dieser Vektor ist überall dort vorhanden, wo die elektrische und magnetische Feldstärke nicht gleich gerichtet sind. Der Poynting-Vektor beschreibt die Stromdichte der Energie im elektromagnetischen Feld. Weil das elektrische Feld im Innern der Zuleitungsdrähte sehr klein ist, darf nun behauptet werden, dass die Energie weiträumig von der Batterie zur Glühbirne durch das elektromagnetische Feld transportiert wird - nur nicht durch den Draht, wie man aus dem naiven Bild der Erbsenelektronen folgern könnte.