|
|
Fragen zum elektrischen
Stromkreis
|
Beachten Sie: Die folgenden Antworten entsprechen der üblichen Physik, sind aber in der Regel im Widerspruch zu didaktischen Ansichten und Veröffentlichungen.
| Frage in Kurzfassung | Antwort |
| 1. Elektronen im Stromkreis ... 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). |
a) Elektronen im Stromkreis tragen ihre Energie nicht "mit sich
(lokalisiert)" herum. Energie wird im Stromkreis und seiner Nähe
durch das elektromagnetische Feld
transportiert. Elektronen sind dabei nur das Vehikel dieses
Transports. b) In dieser Hinsicht vermitteln solche Modelle eine inkorrekte Vorstellung. |
| 2. Bei Wechselstrom bewegen sich die
Leitungselektronen ... 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). |
a) Elektronen im Stromkreis tragen ihre Energie nicht "mit sich
(lokalisiert)" herum. Auch, wenn sie sich nur kurze Strecken
bewegen, können sie den Transport von Energie (aus der Umgebung des
Widerstands) in den Widerstand hinein vermitteln. ( Für Fachleute: längs des Energiestromvektors S = 1/μ0 E x B ) b) In dieser Hinsicht vermitteln solche Modelle eine inkorrekte Vorstellung. |
| 3. Im Plasma einer Gasentladungsröhre wird der Strom
zugleich durch positive Ionen und negative Elektronen ... Wie könnte hier sinnvoll eine "physikalische Stromrichtung"**) definiert werden? |
Die übliche Definition gemäß der "technischen Stromrichtung" ist
eine optimale Definition. Es gibt keine bessere. Sie ist schon gar
nicht "falsch", wie manche Schulbücher behaupten. Wenn der Strom durch Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens transportiert wird, wird sich eine Sorte von Ladungen wird immer gegen die Stromrichtung bewegen. |
| 4. In einer Halbleiterdiode wie auch einer Leuchtdiode
wird der Strom abschnittsweise durch negative Elektronen und
positive Löcher ... Wie könnte hier sinnvoll eine "physikalische Stromrichtung" definiert werden? |
Die übliche Definition gemäß der "technischen Stromrichtung" ist
eine optimale Definition. Es gibt keine bessere. Wenn der Strom durch Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens transportiert wird, wird sich eine Sorte von Ladungen bei jeder Richtungsdefinition gegen die Stromrichtung bewegen, auch bei der so genannten "physikalischen Stromrichtung" mancher Schulbücher. |
|
5. Das elektrische Feld zwischen den Platten eines Plattenkondensators 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 messen. 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 (α) gilt UAB = U/𝓁 · d, wobei d der Abstand der Punkt A und B ist, gemessen längs der Leiterschleife. Wie lässt sich dieser Idealfall realisieren? Bei einer anderen Führung der Anschlussleitungen (ß) erhält man UAB = U - U/𝓁 · d = U·(1 - d/𝓁). Bei welcher Leitungsführung? |
a) In diesem Fall entsteht bei der Induktion eine
Induktionsspannung und ein Induktionsstrom, aber (bei einem
homogenen Leiter) gibt es nirgendwo einen Überschuss an positiven
oder negativen Ladungen. Nirgendwo gibt es Pole. Das elektrische
Feld ist also ein Wirbelfeld, kein Potenzialfeld. Die Induktion ... b) Die Induktionsspannung ist vom Weg abhängig, der den sich ändernden magnetischen Fluss umschließt. Ihre Größe hängt davon ab, wie oft der magnetische Fluss umschlossen wird. Die Induktionsspannung lässt sich nicht als Potenzialdifferenz erklären. c) Nein, denn die gemessene Spannung hängt vom Verlauf der Anschlussleitungen an das Voltmeter ab. Die mit einem Voltmeter gemessene Spannung hat nur dann den Idealwert, wenn die Verbindungsleitungen zum Voltmeter keinen zusätzlich (zeitlich veränderlichen) magnetischen Fluss einschließen. Das lässt sich (recht gut) erreichen, wenn man die Verbindungsleitungen verdrillt. (α) Die Verbindungsleitungen begleiten zunächst das Leiterstück der Länge d und laufen dann verdrillt zum Voltmeter. (ß) Die Verbindungsleitungen begleiten zunächst das restliche Leiterstück der Länge 𝓁 - d. |
| 6. Auf der Oberfläche eines stromdurchflossenen
Leiters und an Trennflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher
Leitfähigkeit entstehen Oberflächenladungen. ... Haben Oberflächenladungen also einen Einfluss auf die energetischen Verhältnisse im Stromkreis? |
Nein, haben sie nicht, da sie - nach Einstellung des stationären
Zustands - statische (unveränderliche) Ladungen sind. In der Schule wird in der Regel nur der stationäre Zustand betrachtet mit den üblichen Gesetzmäßigkeiten, nicht aber, wie sich der stationäre Zustand (u.a. durch Verschiebung von Oberflächenladungen) einstellt. |
| 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? |
Ein elektrischer Strom braucht nicht in jedem Fall (zu jeder Zeit)
eine Ursache. In der erwähnten Situation wird der Strom von der Stromquelle durch den Stromkreis gepumpt (und von ihr wieder aufgenommen). Als Folge des Stroms entstehen an Widerständen aber Spannungen (Spannungsabfälle), Oberflächen- und Grenzladungen, passend zu den Gesetzmäßigkeiten des stationären Zustands, der in der Regel in der Schule allein betrachtet wird. In einem supraleitenden Ring fließt evtl. jahrelang ein Strom - ohne weitere Ursache, der durch einen einmaligen Induktionsstoß in Gang gesetzt wurde. Das ist ähnlich, wie bei der Bewegung in der Mechanik: Sie benötigt keine Ursache, aber jede Änderung der Bewegung. |
| 8. Ein unverzweigter Stromkreis enthalte nur ...
zwei Widerstände R1 und R2. a) Der Stromkreis werde jetzt zwischen den Widerständen unterbrochen. Welche Spannung liegt dann am Widerstand R1? b) Dann wird der Stromkreis wieder geschlossen. Welche Spannung liegt jetzt am Widerstand R1? c) Was ist die Ursache für den Unterschied zwischen den Situationen a) und b)? |
a) Die Spannung U1 an R1 ist 0. b) Die Spannung U1 an R1 ist U1 = U·R1/(R1 + R2). c) Der einzige Unterschied besteht darin, dass jetzt ein Strom I = U/(R1 + R2) fließt. Er erzeugt an R1 den Spannungsabfall U1 = I·R1 = U·R1/(R1 + R2). In diesem Fall kann man also den Strom I als die Ursache für die Spannung U1 ansehen. Spannung kann sowohl als Ursache für einen Strom als auch - in anderen Fällen - als Folge eines Stroms aufgefasst werden. Ob diese Auffassung so sinnvoll ist? |
*) 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.
(November 2022)