Einfacher Stromkreis

Aus SystemPhysik
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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. Um die Vorgänge in elektrotechnischen Netzwerken (Spannung und Strom bei Widerständen, Kondensatoren und Spule) zu verstehen, zieht man mit Vorteil die Wasseranalogie bei. Den Energietransport von der Batterie zur Glühbirne erklärt man dann nicht weiter, sonder schreibt den Energiestrom einfach dem elektrischen Strom zu (zugeordneter Energiestrom). Untersucht man dagegen den Ladungstransport in Festkörpern, benötigt man ein mikroskopisches Modell. Das Bild, das man sich dann von den Elektronen macht, sollte man aber auch nicht zu konkret gestalten (kleine, rote Kügelchen).

Die hydroelektrische Analogie (Wasseranalogie) sieht wie folgt aus

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.

Zwei parallel Drähte bilden einen Kondensator. Verbindet man die Drähte an einem Ende mit den Polen einer Batterie, werden die Drähte elektrisch geladen. Dann sorgt eine sehr kleine Oberflächenladung für ein schwaches elektrisches Feld. Dieses Feld, das für die Spannung zwischen den beiden Leitern verantwortlich ist, bleibt auch bestehen, wenn die beiden andern Ende des Drahtes mit einem Glühbirnchen verbunden werden, wenn also ein Strom durch die beiden Drähte fliesst. Die Batterie sorgt dann dafür, dass die Spannung zwischen den Drähten und damit auch das zugehörige elektrische Feld nie verschwindet.

Mit Batterie und Glühbirnchen fliesst ein elektrischer Strom im Kreis herum. Um die Drähte bildet sich je ein magnetisches Wirbelfeld. 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.