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© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2022

Fragen zum elektrischen Stromkreis


1. Elektronen im Stromkreis legen nach dem klassischen Elektronengasmodell bei einer Driftgeschwindigkeit von 1 mm/s und einer Einschaltdauer von 1 min = 60 s im Mittel 6 cm zurück. Die meisten Elektronen kamen also während der Einschaltdauer nicht aus dem Minuspol der Stromquelle und werden auch den Pluspol der Stromquelle nicht erreichen.  a) Woher haben solche Elektronen ihre Energie?

b) Beurteile entsprechend deiner Antwort Stromkreismodelle, bei denen jedes Elektron Energie vom Minuspol abholt und mit sich zum Pluspol bringt (z.B. Bienen-Nektar-Modell oder Rucksack-Modell).

2. Bei Wechselstrom bewegen sich die Leitungselektronen in einer Periode nur eine Strecke von wenigen Atomdurchmessern hin oder her. a) Woher haben sie die Energie, die angeblich an Widerstände im  Stromkreis abgegeben wird? Fast alle befinden sich ja niemals am Elektrizitätswerk, das ja auch einen ständig wechselnden Plus- und Minuspol hat.

b) Beurteile entsprechend deiner Antwort Stromkreismodelle, bei denen jedes Elektron Energie vom Minuspol abholt und mit sich zum Pluspol transportiert (z.B. Bienen-Nektar-Modell oder Rucksack-Modell).

3. Im Plasma einer Gasentladungslampe wird der Strom zugleich durch positive Ionen und negative Elektronen transportiert. Negative Elektronen fließen vom Minuspol zum Pluspol; gleichzeitig fließen positive Ionen entgegengesetzt dazu. Wie könnte hier sinnvoll eine "physikalische Stromrichtung"**) definiert werden?

4. In einer Halbleiterdiode wie auch einer Leuchtdiode wird der Strom abschnittsweise durch negative Elektronen und positive Löcher transportiert. In einem Gleichstromkreis fließen Elektronen vom Minuspol über den n-Leiter  zur "Grenzschicht"; vom Pluspol über den p-Leiter fließen positive Löcher zur "Grenzschicht", also entgegengesetzt dazu. Dort neutralisieren sich beide Ladungssorten, so dass der Stromfluss weiter aufrecht erhalten bleibt.  Wie könnte hier sinnvoll eine "physikalische Stromrichtung" definiert werden?

5.  Das elektrische Feld zwischen den Platten eines Plattenkondensators ist ein Potenzialfeld. Jedem Punkt P im Feld lässt sich eindeutig ein Potenzial (im Vergleich zu einem festen Punkt Q) zuordnen, das allein von der Position des Punkts P im Feld abhängt. Man sagt, das Potenzial sei wegunabhängig, wenn einer Probeladung bei einer Verschiebung von Q nach P stets die gleiche Energie*) zugeführt werden muss, unabhängig vom Weg, auf dem das geschieht.

Das ist charakteristisch für das Vorliegen eines Potenzials. Bei einer Verschiebung einer Ladung auf einem Weg von Q über P zu Q zurück muss insgesamt keine Energie aufgewendet werden.

Das elektrische Feld eines H-Atoms mit einem positiven Proton und einem negativen Elektron ist ein Potenzialfeld.

a) Wie ist das in einer geschlossenen Leiterschleife überall gleicher Leitfähigkeit und gleichen Querschnitts, die von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld durchsetzt wird (wenn also Induktion stattfindet)? Wo ist hier ein Überschuss an positiven, wo an negativen Ladungen, wo also sind hier Pluspol und Minuspol? Aber es entsteht doch eine Induktionsspannung und es fließt ein Induktionsstrom!?

b) Wie ist das, wenn zwei Punkte Q und P in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld durch einen Leiter von Q über P nach Q zurück verbunden sind, der mehrfach einen zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss umschließt?

c) Eine geschlossene Leiterschleife der Länge 𝓁 mit dem gleichmäßig verteilten Widerstand R werde von einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld durchsetzt. Es wird eine Spannung U und ein Strom I = U/R induziert. Zwischen zwei Punkten A und B auf der Leiterschleife lässt sich eine Spannung UAB nachweisen. Für ihre Größe kommt es wesentlich darauf, wie die Anschlussleitungen an das Voltmeter verlegt werden (je nach der Größe des von den Anschlussleitungen eingeschlossenen zusätzlichen magnetischen Flusses).

Gibt es also eine Potenzialdifferenz zwischen den Punkten A und B? In einem Idealfall gilt UAB  = U/𝓁 · d, wobei d der Abstand der Punkt A und B, gemessen längs der Leiterschleife. Wie lässt sich dieser Idealfall realisieren? Bei einer anderen Führung der Anschlussleitungen erhält man UAB  = U - U/𝓁 · d = U·(1 - d/𝓁). Bei welcher Leitungsführung?


6. Auf der Oberfläche eines stromdurchflossenen Leiters und an Trennflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit entstehen Oberflächenladungen. Sie verformen das von der Energiequelle ausgehende elektrische Feld im Leiter so, dass es der Geometrie des Leiters folgt. Nach dem Einschaltvorgang (Einstellung eines stationären Zustands) aber nehmen Oberflächenladungen nicht mehr am Stromfluss teil, beeinflussen ihn aber. Solche Oberflächenladungen sind statische (unveränderliche) Ladungen. Sie können deshalb den Leitungselektronen keine Energie zuführen. Haben Oberflächenladungen also einen Einfluss auf die energetischen Verhältnisse im Stromkreis?
 
7. Ein Stromkreis bestehe aus einer Energiequelle, einem Widerstand und widerstandslosen Verbindungsleitungen. Häufig wird gesagt, elektrische Spannung sei die Ursache für einen/den Strom.
Zwischen zwei Punkten A und B eines der widerstandslosen Leiterstücke herrscht keine Spannung (bzw. die Spannung 0 V). Dennoch fließt ein Strom von A nach B.
 Wie ist das zu erklären hinsichtlich der erwähnten Deutung der Spannung?



*) Wenn keine kinetische Energie beteiligt ist.

**) Bei der so genannten "Technischen Stromrichtung" ist das klar: Es wurde definiert: "Außerhalb der Stromquelle soll der Strom vom Plus- zum Minuspol fließen." Das ist zugleich die Flussrichtung der positiven Ladungen oder entgegengesetzt zur Flussrichtung der negativen Ladungen.

(April 2022)