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Fragen zum elektrischen
Stromkreis
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| 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, wo sie Energie abholen bzw. wieder abliefern könnten. | 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. Wo sollten sie denn ihre Energie "abholen"
können? 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 Gasentladungsröhre 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? |
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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. Es kann dabei auch keine Energie abgegeben 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? |
| 8. Ein unverzweigter Stromkreis enthalte nur eine
ideale Batterie mit der Spannung U (ohne Innenwiderstand) und zwei
Widerstände R1 und R2. a) Der Stromkreis werde jetzt zwischen den Widerständen unterbrochen. b) Dann wird der Stromkreis wieder geschlossen. |
Zu a): Welche Spannung liegt dann am Widerstand R1? Zu b): Welche Spannung liegt jetzt am Widerstand R1? c) Was ist die Ursache für den Unterschied zwischen den Situationen a) und b)? |
*) 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.
Der Hinweis "außerhalb der Stromquelle" ist notwendig, weil der Strom innerhalb der Stromquelle weiterfließt, dann aber vom Minus- zum Pluspol.
(April 2022)