Startseite FORPHYS

Didaktogene Lernschwierigkeiten im Physik-UR

Anschauliche Mechanik  

Elektrischer Stromkreis 

 Schüler- versuche

Physik Lernen mit dem Computer

 Meta- Physika- lisches

Im- pres- sum

Kommentare und Wünsche

© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2014

  Der stationäre Strom im geschlossenen Stromkreis

nach W. Panofsky, M. Phillips, Classical electricity and magnetism, Addison-Wesley Publishing Company, 2. Auflage 1962, S. 118 - 122 und vielen anderen Standard-Lehrbüchern der Elektrodynamik

Vgl. auch Hat Spannung bei einem stationären Strom etwas mit "gestauten Elektronen" zu tun?

und auch Spannungsdefinition "über potenzielle Energie der frei beweglichen Elektronen"?

und auch Ringspannung und gewöhnliche Spannung

Hier erfahren Sie, weshalb auch im Schulunterricht eine Spannung als Potenzialdifferenz nicht ausreicht.

Übersicht

.

1. Es ist eine Erfahrungstatsache, dass keine Ladungen aus dem Nichts entstehen können. Fließt also aus einem kleinen Volumen ΔV ein Strom heraus, dann muss die Ladungsmenge ΔQ = ρ · ΔV im Volumen ΔV abnehmen, ganz entsprechend, wenn ein Strom hineinfließt. Es gilt also mit der Stromdichte j und der Ladungsdichte ρ für die totale Änderung der Ladung im Volumen ΔV:

                                                                 

               dρ/dt  ΔV =   div j · ΔV + ∂ρ/∂t  · ΔV  = 0                 oder        

                                                                   

        div j +   ∂ρ/∂t = 0   (Kontinuitätsgleichung)      

mit der Quellstärke div j. Ein Strom heißt "stationär", wenn sich nirgendwo längs des Stromlaufs im Laufe der Zeit Ladungen ansammeln oder vermindern, wenn ∂ρ/∂t = 0 überall ist. Dann gilt gleichzeitig div j = 0: Ströme, die in ein kleines Volumen ΔV hineinfließen, müssen aus ihm auch wieder herausfließen. Das ist die Situation bei einem geschlossenen Stromkreis nach einer vernachlässigbar kleinen Zeit, in der sich dieser stationäre Strom einstellt.

Das schließt auch ein, dass der Strom auf geschlossenen Bahnen fließt, dass die Ladungsverteilung längs dieses Stromwegs unbeeinflusst bleibt. Der Strom bei einer Kondensator-Entladung ist sicher nicht stationär, weil sich die Kondensatorplatten entladen und weil   j Quellen und Senken (div j =/= 0) an den Kondensatorplatten hat.


2. Ohm'sches Gesetz

Das Ohm'sche Gesetz ist eine Erfahrungstatsache bei vielen Leitern. Es wird formuliert als j = σ·E, wobei die Leitfähigkeit σ konstant ist. Es besagt erstens, dass die Leitfähigkeit σ konstant ist; in der Schule entspricht dem ein konstanter, also nicht von I und U abhängiger Widerstand R = U/I. Zweitens besagt es, dass Stromdichte j und elektrische Feldstärke E im Leiter gleichgerichtet sind. Wenn sich der Stromkreis ganz oder teilweise relativ zu einem anderen Bezugssystem bewegt, gehen in das Gesetz j und E in den mitbewegten BZSen ein (E wird dann oft als E' formuliert). Drittens ergibt sich daraus so etwas wie eine "Zwangsbedingung" für die elektrische Feldstärke. Wenn es sich z.B. um einen Stromkreis mit überall dem Betrag nach konstanter Stromdichte j handelt (unverzweigt, überall gleiche Stromstärke, überall gleicher Querschnitt und gleiche Leitfähigkeit), muss auch E überall den gleichen Betrag haben. Der Mechanismus, nach dem sich diese Situation einstellt, wird beschrieben durch die Entstehung von Oberflächenladungen. Für die Schule sollte das höchstens qualitativ erfolgen. Die elektrische Feldstärke ist ja eindeutig bestimmt durch ihre Quellen und Wirbel. Zu den Quellen zählen auch Oberflächenladungen.


3. Leiter mit scharfer Oberflächengrenze gegenüber dem Vakuum bzw. einem Leiter mit verschwindender Leitfähigkeit

Dünne und scharf begrenzte Leiter:  Dass hier das elektrische Feld der Leitergeometrie folgt, wird mit Oberflächenladungen (Mantelladungen) erklärt. Lehrbücher der Elektrodynamik beweisen das mit Hilfe der Wirbelfreiheit von E, also von rot E = 0 und der Kontinuitätsgleichung für den Strom (div j = 0), wenn außerhalb des Leiters die Leitfähigkeit σ = 0 ist. Wie die hier diskutierten Raumladungen sind die Oberflächenladungen nicht Ursache des elektrischen Stromes, sondern passen das von der Batterie oder dem sich ändernden Magnetfeld erzeugte elektrische Feld lediglich an die jeweilige Leitergeometrie an. Statische Oberflächenladungen sind, wenn man der Literatur glauben darf, sehr klein. Sie können auch nicht die Energie für einen stationären Strom durch einen Widerstand herbeischaffen.

Das lässt sich - Standardlehrbüchern der Elektrodynamik folgend (z.B. Panofsky-Phillips) - mathematisch leicht zeigen:

(1) Wegen der Kontinuitätsgleichung gilt für einen stationären Strom, wenn keine Ladungen erzeugt werden (∂ρ/∂t = 0):

An der Grenzfläche: div j = div (σ·E) = 0 . n sei ein Einheitsvektor, der auf einer infinitesimalen Grenzfläche senkrecht steht. Gemäß den Regeln der Vektoranalysis gilt dann:  n · (σ2·E2 - σ1·E1) = 0. Dabei zeigt n von Gebiet 1 nach Gebiet 2. Wenn der Leiter an einen Isolator angrenzt (Gebiet 2; σ2 = 0), müssen also n und E1 aufeinander senkrecht stehen: E im Leiter (Gebiet 1) ist parallel zur Grenzfläche. Gäbe es eine Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche, würden durch sie Ladungen an die Grenzfläche verschoben werden, bis sie verschwunden ist, bis also das Feld im Inneren parallel zur Grenzfläche verläuft.

(2) Im Inneren des Leiters: Weiter folgt aus der Wirbelfreiheit von E: rot E = 0 => n x (E2 - E1) = 0 für einen infinitesimalen geschlossenen Weg, dessen eine längere Seite in einem Gebiet 1 und dessen zweite längere Seite in einem Gebiet 2 verläuft. Da beide Feldstärken im Inneren des Leiters bei angrenzendem Isolator senkrecht zu n verlaufen, folgt daraus E2 - E1 = 0 bzw.  E2 = E1 . Insbesondere ergeben sich wegen (1) gleiche elektrische Feldstärken über den ganzen Leiterquerschnitt. Am Rand eines Leiters, der (mit scharfer Begrenzungsfläche) an einen Isolator angrenzt, folgt, dass das E-Feld im Leiter parallel zur Oberfläche gerichtet ist, und dass es außerhalb zumindest gleiche Parallelkomponente hat.

Die Größe der Oberflächenladungen soll hier nicht abgeleitet werden. Qualitativ ist die Situation jedoch klar: Wenn die elektrische Feldstärke E im Inneren des Leiters eine Komponente senkrecht zur Oberfläche hätte, würde es zu einer Ladungsverschiebung an die Oberfläche kommen, bis diese Komponente verschwunden ist. Nach dem Ohm'schen Gesetz legt j die Richtung der elektrischen Feldstärke fest: E und j folgen parallel der Oberfläche und damit dem Verlauf des Leiters, ganz gleich, welche Form er hat, ob er gerade, geknickt oder aufgewickelt ist.

Aber im Magnetfeld gibt es doch den magnetischen Anteil der Lorentz-Kraft F = q v x B, der anfangs Ladungen an die Oberfläche ablenkt? Ja, aber schnell entsteht durch elektrostatische Aufladung eine Gegenkraft, die die zu v senkrechte Kraftkomponente aufhebt. Wenn man das Querfeld messen könnte, würde man vom Hall-Effekt reden! Sobald diese Situation eingetreten ist, nehmen die Oberflächenladungen nicht mehr am Stromtransport teil. Die elektrische Feldstärke E' = j/σ ist bestimmt durch ihre Quellen und Wirbel. Zu den Quellen zählen auch Oberflächenladungen.


4. Fließt ein elektrischer Strom mit der Stromdichte j durch ein elektrisches Feld E, so kann das elektrische Feld an den Ladungen positive oder negative Arbeit verrichten. Die Leistungsdichte n ist dabei n = j · E (Begründung s. unten). Falls j und E gleichgerichtet sind, verrichtet also das Feld E in der Zeit Δt im kleinen Volumen ΔV die positive Arbeit      ΔW   =    j·E· Δt · ΔV.

Wenn j und E durch das ohmsche Gesetz miteinander verknüpft sind:  j = σ.E, gilt für die Leistungsdichte n:  

n = j2

Das ist also die Energie pro Zeit- und Volumeneinheit, die das Feld an einem ohmschen Widerstand verrichtet, die also als Wärme pro Zeit- und Volumeneinheit nach außen abgegeben wird.


5. Welche Arbeit verrichtet das elektrische Feld in einem Volumen V, das den ganzen Strom umfasst, wenn ein reines Potenzialfeld E vorliegt und ein stationärer Strom fließt?

Ein Potenzialfeld E ist aus einem Potenzial ableitbar:   E = - grad φ und es gilt wegen der Wegunabhängigkeit der Verschiebungsarbeit für das Umlaufsintegral über eine geschlossene Kurve:    ∫o dl  = 0  (bzw. rot E = 0 ) *).   

Um die Leistung zu erhalten ist über die Leistungsdichte n = j·E  zu integrieren:

                      ∫  j·E dV =   - ∫  j · grad φ dV

Wegen div ( φ) = φ·div j + grad φ, also        grad φ= div ( φ) - φ·div j    erhält man durch partielle Integration:

∫ j·E dV =   - ∫ j · grad φ dV  =     -  ∫ div (j · φ) dV  +   ∫  φ·div j   dV   =     -   ∫o (j · φ) df    +   ∫  φ·div j   dV    nach dem Gaußschen Satz. Wählt man die Oberfläche des Volumens genügend groß, so dass j und  φ gemeinsam schneller als 1/r2 abgeklungen sind, verschwindet das Oberflächen-Integral und es gilt:

                     ∫  j·E dV =    ∫  φ·div j   dV  

Bei einem stationären Strom verschwindet div j, und damit auch das Integral links:

    Ein reines Potenzialfeld kann an einem stationären Strom keine Arbeit verrichten:               ∫  j·E dV =  0  

Es ist mit einem stationären Strom in einem reinen Potenzialfeld also nicht verträglich, dass Wärme nach außen abgegeben wird.

Wenn in einem Stromkreis Wärme abgegeben wird, kann nicht gleichzeitig der fließende Strom stationär sein und ein reines elektrisches Potenzialfeld vorliegen.

Das ist aber sehr plausibel: Im Volumen V soll der geschlossene Strom ganz enthalten sein. Dann müssen notwendigerweise in Teilen des Stromkreises j und E gleichorientiert sein (Skalarprodukt >0), in anderen Teilen gegenläufig (Skalarprodukt <0). Die Arbeiten auf unterschiedlichen Teilen des Stromkreises summieren sich zu 0.

Die Aussage ist nicht gültig für einen nicht stationären Strom wie z.B. bei der Kondensator-Entladung. Hier liegt einerseits ein reines Potenzialfeld vor, andererseits hat die Stromdichte Quellen und Senken an den Kondensatorplatten (div j = - ∂ρ/∂t =/= 0)


5. a) Das ohmsche Gesetz verknüpft die Stromdichte j mit der gesamten jeweiligen elektrischen Feldstärke am Ort der Stromdichte:    j = σ · E  . Für die Stromwärme (pro Zeit- und Volumeneinheit) gilt dann nach Multiplikation mit j/σ:   j2/σ  =  j·E . Nach Integration über ein genügend großes Volumen V:

                                                                                    ∫  j2/σ  dV  = ∫ j·E  dV = 0

wenn E ein reines Potenzialfeld und j ein stationärer Strom ist.

Bei einem stationären Strom durch ein reines Potenzialfeld kann nicht erklärt werden, wie eine Produktion von Stromwärme zustande kommen soll!

5.b) Berücksichtigen wir jetzt, dass das gesamte elektrische Feld i.A. aus einem reinen Potenzialfeldanteil E und einem reinen Wirbelfeldanteil E(e) zusammengesetzt ist. Man kann sich vorstellen, dass in manchen Teilen des Stromkreises nur einer der beiden Feldanteile vorliegt. E(e) könnte bei einer Batterie auch ein formales elektrisches Feld sein, das die (nichtelektrischen, z.B. chemischen) Vorgänge in der Stromquelle simuliert. Dann wäre E(e) allein auf das Volumen der Stromquelle beschränkt. Oder E(e)  könnte das elektrische Wirbelfeld sein, das überall im Stromkreis bei der Induktion durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld entsteht. Es ist plausibel, dass sich das ohmsche Gesetz durch die gesamte elektrische Feldstärke angeben lässt gemäß  

                                                                                             j = σ·( EE(e)).  

Für die Stromwärme (pro Zeit- und Volumeneinheit) gilt dann nach Multiplikation mit j/σ:   j2/σ  =  j·E +  j·E(e)

Nach Integration über ein genügend großes Volumen V:

                                                                                    ∫  j2/σ  dV  = ∫ j·E  dV   +  ∫  j · E(e) dV

wieder ist es so, dass für einen stationären Strom der Anteil des reinen Potenzialfelds E verschwindet. Es gilt also für die Leistung:

∫  j2/σ  dV  =   ∫   j·E(e) dV

d.h. die gesamte Stromwärme kommt allein von der Arbeit, die das elektrische Wirbelfeld E(e) verrichtet.

E(e)  könnte also das formale Feld sein, das die Vorgänge in der Stromquelle (Batterie) simuliert, es heißt oft das "eingeprägte Feld". Oder E(e) ist der Teil des elektrischen Felds, der durch Induktion entsteht. Das Ergebnis ist ebenfalls sehr plausibel:

Die Stromwärme kommt bei einem stationären Strom ausschließlich von der "eingeprägten Feldstärke", also von der Stromquelle, oder von der Induktion. Zusätzliche Potenzialfelder spielen energetisch für die Stromwärme keinerlei Rolle: Die Arbeit, die das Potenzialfeld verrichtet auf einem Teil des Stromwegs, wird durch die gewonnene Arbeit auf einem anderen Teil des Stromwegs kompensiert. Das hängt mit dem Wesen des Potenzialfelds, der Wegunabhängigkeit, zusammen. Aber eigentlich ist dieses Ergebnis auch schon anschaulich klar.

Ein vernünftiges Strommodell für die Schule sollte diese Tatsache abbilden.


6. Die Umlaufspannung oder Ringspannung ist definiert als das Umlaufsintegral über die elektrische Feldstärke über einen geschlossenen Weg. Ihr Betrag entspricht dem Betrag der Arbeit für den Transport einer Ladung q auf einem vollständigen Umlauf, bezogen auf die Einheitsladung:

 U =   ∫o E·ds     *)

Elektromagnetische Induktion lässt sich nur mit Hilfe der Ringspannung richtig erklären, weniger wichtig ist der Begriff im Zusammenhang mit einer Gleichstromquelle wie einer Batterie.

Bei einem reinen Potentialfeld ist die Ringspannung per definitionem 0 (Wegunabhängigkeit der Verschiebungsarbeit; rot E = 0) .

Die elektrische Feldstärke enthalte nun einen reinen Potenzialanteil E und einen reinen Wirbelfeld-Anteil E(e) (rot E(e) =/=  0). Es gilt dann

                                                               U =   ∫o E·ds + ∫o E(e)·ds =   ∫o E(e)·ds  = ∫ rot E(e)·df  =/=  0      *)

Dabei wurde für den vorletzten Schritt der Stokessche Satz angewandt; es wird dabei über die von der geschlossenen Kurve eingefasste Fläche integriert. Eine nicht verschwindende Umlaufspannung (Ringspannung) setzt also ein elektrisches Wirbelfeld E(e) voraus. Das ist der Fall bei der Induktion, aber auch bei einer Gleichstromquelle, wo das formale "eingeprägte" Feld E(e) auf den Bereich der Stromquelle beschränkt ist.

Wozu braucht man eine Ringspannung beim Gleichstromkreis? Es soll jetzt der Zusammenhang zwischen Widerstand, Stromstärke und Umlaufspannung gefunden werden. Der Strom fließt ja bekanntlich "immer im Kreis herum"; jeder Teil des geschlossenen Stromkreises kann zum gesamten Widerstand beitragen, also auch das Innere einer Stromquelle. Denken wir uns einen Abschnitt der Länge Δl des Leiters mit konstantem Querschnitt und der Leitfähigkeit σ. Dann beträgt der Teilwiderstand dieses Abschnitts R = Δl/(A·σ). Bei einer Stromstärke I führt das zu einem Spannungsabfall I·R = I· Δl/(A·σ) = j/σ ·Δl, weil j = I/A. Enthält der Stromkreis mehrere solcher Abschnitte, müssen wir sie alle durchnummerieren und die Teilwiderstände aufaddieren. Im Grenzübergang zu beliebig vielen, beliebig kurzen Abschnitten erhalten wir also für den gesamten Spannungsabfall längs des geschlossenen Stromkreises:

                                                          ∫o jds σ

setzen wir jetzt unseren Ansatz für die Stromdichte j ein, das ohmsche Gesetz, erhalten wir

                                             ∫o jds /σ  =   ∫o (E + E(e) ) ds      *)

(jeweils Umlaufsintegrale über einen geschlossenen Weg). Es verbleibt wie gerade besprochen nur der Anteil des Wirbelfelds und der ist gleich der Ringspannung U:

                                       

       ∫o jds /σ  =   ∫o E(e) ds  = U       *)

Nur in Sonderfällen lässt sich die Ringspannung durch eine gewöhnliche Spannung ausdrücken (s. 6)

Folgerungen:


7. Nehmen wir als Beispiel eine Gleichstromquelle.

a) Im Fall einer Gleichstromquelle simuliert die eingeprägte Feldstärke E(e) die tatsächlichen chemischen Vorgänge. Sie ist dann ausschließlich auf den Bereich der Stromquelle beschränkt. Außerhalb der Stromquelle ist E(e) = 0. Die "Queränderung" von E(e) am Rand der Stromquelle ist hier der Grund für rot E(e) =/ 0.

Dass der Begriff Ringspannung eng mit der Spannung verwandt ist, erkennt man aus dem Zusammenhang mit der Leerlaufspannung U12 zwischen den Klemmen 1 und 2 einer Gleichstromquelle: Bei Stromlosigkeit (I = 0, j = 0) gilt im Inneren der Stromquelle, also da, wo ein Wirbelfeld E(e) vorliegt, E = - E(e). Integriert man über diesen Bereich ganz hinweg, so erhält man

                    2               2
  U12  =   -   ∫ E · ds =    ∫   E(e) · ds =     ∫o  E(e) · ds     **)
                   1                1
Für die Leerlaufspannung (links Integral über einen Weg im Inneren der Stromquelle, rechts Umlaufsintegral über geschlossenen Weg) 

Das letzte Gleichheitszeichen gilt, da E(e) im Außenraum verschwindet; dort kann das Integral schadlos ergänzt werden.

Im offenen Stromkreis ist also die Spannung zwischen den Klemmen der Stromquelle (die Leerlaufspannung U12; linke Seite) gleich der Ringspannung (rechte Seite).

Bei stationären Strömen ist es also die Ringspannung, für die die übliche Argumentation der Schule gilt, z.B. im Zusammenhang mit dem Ohm'schen Gesetz, obwohl ausschließlich der nichtkonservative Teil des Feldes, das eingeprägte Feld E(e) mit rot E(e)  =/= 0 zur Ringspannung beiträgt.

Auf Schulniveau lässt sich also jetzt sagen, dass es die Ringspannung ist, die einen stationären elektrischen Strom antreibt, wobei die Ringspannung evtl. nichtelektrischen Ursprungs ist. Zu ihr gehört kein Potenzial.

Bei der Entladung eines Kondensators dagegen ist die Spannung bzw. die Potenzialdifferenz die Ursache für das Einsetzen des Stroms.

Argumentiert man mit den Feldern, muss man sagen, dass im Fall der stationären Ströme das elektrische Wirbelfeld E(e) , und im Fall der Kondensatorentladung das (wirbelfreie) elektrostatische Feld E die Ursache für für das Einsetzen des Stromflusses ist.

b) Integriert man beim Fall der Stromquelle (Batterie) im Außenraum, also dort, wo nur das elektrostatische (Potenzial-)Feld vorliegt, so führt  (**)   ∫ E·ds zwischen zwei Punkten wieder auf    I·Rext, wobei Rext der äußere Widerstand zwischen den Punkten 1 und 2 ist. Dieser Anteil des Linienintegrals entspricht dem Spannungsabfall am Widerstand, und kommt allein von dem elektrostatischen Feld her. Integriert man im Außenraum von einer Klemme zur anderen, so hat man den Spannungsabfall an allen äußeren Widerständen des Stromkreises bzw. die Klemmenspannung, die, wie wir wissen, gegenüber der Ringspannung evtl. um den inneren Spannungsabfall vermindert ist.

Dabei ist das Linienintegral (**) "fast" unabhängig vom Weg: jeder Weg liefert denselben Wert, wenn er nicht durch einen Bereich verläuft, wo E(e) =/= 0. In diesem Sinn gibt es also ein "Quasi-Potenzial", bzw. in sehr guter Näherung ein Potenzial. In diesem Fall muss man also sagen: wegen des Anteils E am elektrischen Feld hat es bei der Stromquelle einen sehr guten Sinn, von Spannungen U (im Sinne einer Potenzialdifferenz) zu sprechen; diese sind jedoch nicht die strombestimmend. Dafür ist die Ringspannung oder EMK zuständig, die dem Wert nach, aber keineswegs begrifflich, gleich der Leerlaufspannung bei Stromlosigkeit ist.

c) Die Stromquelle habe einen endlichen Innen-Widerstand (Leitfähigkeit σi  endlich ). Es soll - wegen eines endlichen Widerstands im Außenkreis - ein endlicher Strom fließen. Dann muss sich durch Ladungstrennung zwischen den Klemmen im Inneren der Stromquelle auch ein statisches elektrisches Feld E ausbilden, so dass im Inneren der Stromquelle wegen  j = σi · ( E + E(e) ) gilt: E =  j i - E(e). E und E(e) sind innerhalb der Stromquelle wieder entgegengesetzt, aber nicht von gleichem Betrag.

Nach Multiplikation mit dem Klemmenabstand Δl erhält man für die Ringspannung bzw. Leerlaufspannung:   ∫o  (E + E(e) ) ds   = UL =  U12 + j · Δl /σi bzw.  U12  = UL - j ·Δl /σi . Die Klemmenspannung U12 ist in diesem Fall ungleich der Leerlaufspannung  UL und ungleich der Ringspannung. Sie unterscheidet sich von  UL um j·A  Δl/(A·σi), also um den Spannungsabfall I. Ri am Innenwiderstand Ri  = Δl/(A·σi) der Stromquelle.)

c) Die Stromquelle sei widerstandslos ( σ gegen unendlich ), es soll aber - wegen eines endlichen Widerstands im Außenkreis - nur ein endlicher Strom fließen. Dann muss trotz j =/= 0 das Innere der Stromquelle wegen  j = σ · ( E + E(e) ) wieder feldfrei sein: E = - E(e), wenigstens solange das Ohmsche Gesetz gültig ist, und wenn stationäre Ströme betrachtet werden können, wie bei einer Batterie. Die Klemmenspannung ist in diesem Fall tatsächlich gleich der Leerlaufspannung und von gleichem Wert wie die Ringspannung. In diesem Fall bewirkt E(e) eine Ladungstrennung, die  zur Entstehung des elektrostatischen Felds E mit dieser Eigenschaft führt. Das wird in etwa auch richtig sein, wenn der Widerstand der Stromquelle sehr klein ist. Die Drude-Theorie der Leitfähigkeit zeigt, dass dieser Grenzfall richtig ist, solange das Anwachsen der Elektronengeschwindigkeit früh begrenzt wird, z.B. durch den Widerstand des äußeren Leiters.  In anderen Fällen (Supraleiter) gilt das Ohmsche Gesetz nicht mehr. Z.B. mit Hilfe der London-Gleichungen wird hier geklärt, dass trotz verschwindenden Widerstands die Stromdichte endlich bleibt. Dieser Grenzfall gilt dann, wenn das Anwachsen der Elektronengeschwindigkeit während der Zeitdauer der äußeren Vorgänge nur durch die Trägheit der Elektronen begrenzt ist. 


8. Bei der Induktion durch einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss Φ, der eine geschlossene Leiterschleife durchsetzt, entsteht das Wirbelfeld E(e) eben gerade durch die Induktion und ist i.A. überall von 0 verschieden. Weil ein elektrostatisches Feld E (Potenzialfeld) ohnehin keine Rolle spielt, wird es gleich weggelassen und es gilt mit der Änderungsrate des magnetischen Flusses dΦ/dt  das Induktionsgesetz  *):

          ∫o jds /σ =   ∫o E(e) ds = -   dΦ/dt            

Es ist hier recht willkürlich, von einer Klemmenspannung zu sprechen, weil in vielen Fällen keine Klemmen lokalisiert werden können. Es lassen sich Spannungabfälle an Teilwiderständen definieren, die vom gemeinsamen Strom I durchflossen werden. Sonstige Spannungen zwischen zwei Punkten genügen zwar dem Gesetz

                    2               
  U12  =        ∫ E(e)ds
                   1

sind aber davon abhängig, längs welchen Wegs integriert wird, weil hier ganz klar ein elektrisches Wirbelfeld vorliegt, in dem die Verschiebungsarbeit Q·U12 wegabhängig ist. Die Spannung zwischen zwei Punkten kann also die verschiedensten Werte annehmen, je nach dem Weg, der die beiden Punkte verbindet. Es sei -dΦ/dt = 10 V. Wenn die beiden Punkte zusammenfallen, könnte die Spannung 0 sein, wenn der Weg den sich ändernden Fluss ausschließt, oder 10 V, wenn der Weg einmal den sich ändernden Fluss umschlingt, oder 20 V, wenn er ihn zweimal umschlingt, usw.


9. Zur Ableitung der Leistungsdichteformel:

An einer Ladung ΔQ = ρ · ΔV in einem kleinen Volumen ΔV verrichtet das elektrische Feld E Arbeit beim Transport um die Strecke Δs. Der Transport der Ladung ist mit einer Strömung mit der Geschwindigkeit v verbunden, also mit einem elektrischen Strom mit der Stromdichte j = ρ · v. Dann gilt für die verrichtete Arbeit ΔW = F·Δs = ΔQ·E·Δs = ρ · ΔV·E·Δs = ρ · ΔV·E·v·Δt =  j·E·ΔV·Δt.  Damit erhält man für die Leistungsdichte n:

          n = ΔW / (ΔV·Δt) =   j·E      


10. Konsequenzen für den Physik-Unterricht:

  • Ein Strommodell, das potenzielle Energieformen zur Erklärung heranzieht, ist zu kompliziert und entspricht nicht der einfacheren tatsächlichen Physik.
  • Die Stromwärme kommt ausschließlich von der Stromquelle (woher denn sonst?).
  • Den Spannungsbegriff allein über die Potenzialdifferenz oder über potenzielle Energie erklären zu wollen, ist sicher nicht ausreichend zum Verständnis der Situation in einem elektrischen Stromkreis. Es würde eine falsche Physik vermittelt werden.
  • Spannungsabfälle erscheinen als eine Folge eines Stroms und nicht als seine Ursache "Strom macht Spannung". Sie haben eine andere begriffliche Funktion als Potenzialdifferenz und Ringspannung ("Spannung macht Strom").
  • Stromdichte j und elektrische Feldstärke E sind, soweit das Ohm'sche Gesetz gilt, immer gleichgerichtet.   j = σ·E formuliert bei Stromfluss eine "Zwangsbedingung" für die elektrische Feldstärke im Leiter; damit hängen Spannungsabfälle zusammen:
  • Bei einem scharf gegenüber dem Vakuum (oder einem Medium mit verschwindender Leitfähigkeit) begrenztem Leiter sind j und E parallel zur Oberfläche (Wandung) des Leiters; sie "folgen dem Verlauf des Leiters".
  • Das Typische bei der Induktion ist die Entstehung eines elektrischen Wirbelfelds mit einer Ringspannung.

Ein brauchbares und mit der Theorie kompatibles Modell für einen elektrischen Stromkreis scheint mir das Modell des geschlossenen Heizungskreislaufs zu sein, der sich auch durch ein konkretes Modell veranschaulichen lässt.

Eine Zusammenfassung dessen, was - aufbauend auf dieser Theorie des stationären Stromes - in der Schule gelehrt werden sollte, finden Sie hier.

Vgl. auch Über die Rolle von Oberflächenladungen auf Leitern bei stationären Strömen - ein didaktisches Nebenthema

  *) Das Zeichen ∫o steht für ein Umlaufsintegral über eine geschlossene Kurve.

.

.