Vergleich vom Wasserstromkreis in einer Heizung mit dem elektrischen Stromkreis

Name:                                                 Kl.:  

Heizungsstromkreis

elektrischer Stromkreis

In den Rohren ist Wasser immer vorhanden. In den Leitungen sind Ladungen immer vorhanden. 1
Mit dem Wasser wird Energie (innere Energie) transportiert. Mit den Ladungen wird Energie (elektr. Energie) transportiert. 2
Ein Heizkörper ist ein "Energieverbraucher", weil er innere Energie vom Brenner als Wärme nach außen abgibt (eigentlich ein Energieumwandler). Ein Lämpchen, Widerstand, Elektromotor, ... ist ein "Verbraucher", weil dieses Bauteil elektrische Energie nach außen abgibt, z.B. als Licht oder Wärme oder mechanische Arbeit. 3
Der Strom fließt immer im Kreis herum; nirgendwo geht Wasser verloren. Der Strom fließt immer im Kreis herum; nirgendwo gehen Ladungen verloren. 4
Durch einen geöffneten Absperrhahn kann der Wasserstrom fließen. Durch einen geschlossenen Schalter kann der elektrische Strom fließen. 5
Durch  Heizkörper und Drosselventile kann Strom durchgelassen und begrenzt werden. Durch "Verbraucher" (Widerstände) und "Regelwiderstände" kann der Strom durchgelassen und begrenzt werden. 6
Wegen der Reibung in den Rohren und an Engstellen kommt ein dauernder Strom nur dann zustande, wenn das Wasser durch eine Pumpe ständig durch den Heizstromkreis gepumpt wird. Wegen der "Reibung" *) in Engstellen und Verbrauchern kommt ein dauernder Strom nur zustande, wenn Ladungen durch eine Stromquelle ständig durch den Stromkreis gepumpt werden. 7
Der Brenner hat die Aufgabe, die in den Heizkörpern nach außen abgegebene Energie zu ersetzen. Die Stromquelle hat auch die Aufgabe, die in den "Verbrauchern" nach außen abgegebene Energie zu ersetzen. 8
Eine stärkere Pumpe kann durch denselben Stromkreis einen größeren Strom pumpen, also mehr Wasser pro Zeiteinheit. Eine stärkere Stromquelle ( mit einer größeren "Pumpenstärke" ) kann durch denselben Stromkreis einen größeren Strom pumpen, also mehr Ladungen pro Zeiteinheit. 9
Mit der Wasserströmung ist Materietransport und Energietransport verbunden.

Aber: Der Materietransport wird durch die Pumpe in Gang gehalten, die Energiezufuhr durch den Brenner.

Mit dem elektrischen Strom ist Ladungstransport und Energietransport verbunden.

Aber: Ladungs- und Energietransport sind untrennbar miteinander verbunden und werden durch die Stromquelle in Gang gehalten. Die Stromquelle liefert auch die elektrische Energie.

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Versuchsweise:

Die Stromstärke ist ein Maß für die Wassermenge pro Zeiteinheit, die an einer Mess-Stelle vorbei durch den Stromkreis gepumpt wird. Die Stromstärke ist ein Maß für die Ladungsmenge pro Zeiteinheit, die an einer Mess-Stelle vorbei durch den Stromkreis gepumpt wird.
Die Druckdifferenz p an der Pumpe ist ein Maß für ihre "Pumpenstärke": je stärker die Pumpe ist, desto mehr Wasser pro Zeiteinheit kann sie durch einen gegebenen Stromkreis hindurchpumpen, desto mehr Wärme pro Zeiteinheit kann sie in einen Heizkörper transportieren. Die Spannung U der Stromquelle ist ein Maß für ihre "Pumpenstärke": je stärker die "Pumpe" ist, desto mehr Ladungen pro Zeiteinheit kann sie durch einen gegebenen Stromkreis hindurchpumpen, desto mehr elektrische Energie pro Zeiteinheit kann sie in einen  Verbraucher transportieren.
Bei mehreren hintereinander geschalteten Heizkörpern entsteht an jedem eine Druckdifferenz Dp, die von der Stromstärke und vom Strömungs-Widerstand abhängt. Bei mehreren hintereinander geschalteten "Verbrauchern" entsteht an jedem eine Spannungsdifferenz DU (Spannungsabfall), die von der Stromstärke und vom Widerstand abhängt.**)
Die  Wärme, die pro Zeiteinheit an einen Heizkörper geliefert wird, wächst in gewissen Grenzen mit der Heizleistung des Brenners und der Stromstärke. Die elektrische Energie, die pro Zeiteinheit an einen "Verbraucher" geliefert wird (also die Leistung P), an dem die Spannung U liegt, wächst mit der Spannung der Stromquelle und der Stromstärke (P = U.I).
Um durch einenVerbraucher mit dem Widerstand R, an dem eine Spannung U liegt, die Ladungsmenge Q hindurchzutransportieren, ist die Arbeit W = U.Q nötig. Diese Arbeit wird vom Verbraucher nach außen abgegeben.

Umgekehrt: Wenn eine Arbeit W zum Transport dieser Ladungsmenge Q durch den Verbraucher nötig ist, liegt an ihm eine Spannung U = W/Q: Spannung ist Arbeit pro Ladungsmenge.


Ende des Arbeitsblattes

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Hinweise:

1. Hier wurde ganz bewusst vermieden, die mechanische Energie, die im Wasserstromkreis  ebenfalls transportiert wird, in den Vordergrund zu stellen. Denn im elektrischen Fall wird durch die strömenden Elektronen nur vernachlässigbare mechanische Energie transportiert. Dort  wird überwiegend elektromagnetische Energie (durch das E- und das B-Feld) transportiert. Das Wasser soll hier nur zum Transport von innerer Energie dienen.

2. Ein konkretes Modell, das die Schüler vor diesen Betrachtungen kennen lernen sollten, finden sie hier.

3. Es soll nicht thematisiert werden, dass diese elektromagnetische Energie nach Aussage des Poynting-Vektors ("Energiestrom-Vektors") überwiegend außerhalb des Leiters transportiert wird und von außen aus der Umgebung in den "Verbraucher" fließt. Die Elektronenbewegung selbst ist ja nur ein Vehikel, das über die Ausbildung von E- und B-Feldern den Energietransport durch die Umgebung ermöglicht. In den Elektronen selbst ist nach Aussage der Elektrodynamik kaum Energie lokalisiert. Dementsprechend wird auch im Wasserstromkreis unterschieden zwischen der Strömung und der (Wärme-)Energie, die durch sie transportiert wird. Das Wasserstrom-Modell versagt insofern, als hier zwei getrennte Mechanismen wirksam sind, eine Pumpe für den Transport und ein Brenner für das Zuführen der transportierten Energie. Im elektrischen Stromkreis gibt es dafür einen einheitlichen Mechanismus.

4. Für Schüler ist "Strom" zunächst begrifflich ein diffuses Gemisch von "Elektrizität" und "Energie". M.E. sollten sie im Anfangsunterricht verstehen:

Mein Vorschlag ist es, die Worte standardmäßig wie hier zu verwenden:

Eine Schwächung des Stroms findet nirgendwo statt. Die Begrenzung des Stroms durch die Größe des Widerstands erfolgt während des Einschaltens. (Aufgabe eines Widerstands ist es ja, einen Strom durchzulassen und ihn zu begrenzen.)

( Eigentlich ist es doch ganz erstaunlich: Der Strom, der als Vehikel die Energie transportiert, fließt unverändert wieder an die Stromquelle zurück, aber er hat Energie im "Verbraucher" hinterlassen. Man braucht sich nicht wundern, dass Schüler hier ihre eigenen Erklärungsmodelle suchen. Didaktische Modelle wie das "Bienen-Nektar-Modell" versuchen das zu erklären; ihre Problematik liegt darin, dass die Ladungsträger in der Beobachtungsdauer in der Regel weder die Stromquelle noch den "Verbraucher" erreichen. Wie sollten sie dann - nach Schülermeinung - Energie aufnehmen und wieder abgeben?)

(Schüler-)Versuche könnten das erläutern.

Vgl. Wird die Energie im Stromnetz durch die Kabel transportiert?

Anmerkungen, über die im Unterricht nicht gesprochen werden sollte:

*) Es handelt sich natürlich nicht um Reibung im mechanischen Sinn, sondern um andere Formen der Energiedissipation. Leitungselektronen verlieren Energie durch inelastische Streuung an den regelmäßigen Gitterbausteinen (Elektron-Phonon-Streuung) und an unregelmäßigen Gitterstörungen (Fehlstellen, Verunreinigungen, Störstellen). Nach dem Drude-Modell der Leitfähigkeit verlieren Leitungselektronen nach der Stoßzeit t bzw. der mittleren freien Weglänge  l  ihre (extrem geringe kinetische) Energie der Driftbewegung und müssen dann durch das elektrische Feld erneut beschleunigt werden. Dazu ist das elektrische Feld bzw. die Spannung der Stromquelle nötig.

**) Der Spannungsabfall an einem Widerstand (die elektrische Feldstärke in ihm/um ihn herum) hat damit zwei Funktionen:

  1. sorgt er für das elektrische Feld, durch das die Leitungselektronen immer wieder erneut beschleunigt werden, d.h. für einen Stromfluss trotz endlicher Leitfähigkeit. Dadurch werden geringfügige mechanische Energieverluste der Leitungselektronen immer wieder ausgeglichen (Vgl. Drude-Modell) .
  2. sorgt er für den Energiestrom-Vektor (Poynting-Vektor), der dem Widerstand elektromagnetische Energie zuführt. Es würde für die Schule zu weit gehen, wenn man das in Zusammenhang mit der neuerlichen Energieaufnahme eines Elektrons nach jedem Streuereignis sehen würde.

    (Es ist denkbar, den Energiestrom-Vektor so umzueichen, dass auch die elektromagnetische Energie "durch" die Leiter fließt. Das ist aber nicht üblich. Dass der relativistisch kovariante Impulsdichte-Vektor proportional zum üblichen Poynting-Vektor ist, ist einer der Gründe für die übliche Definition des Energiestrom-Vektors.)

Möglicherweise sollte man Stromtransport und Energietransport erst nacheinander einführen. (Die Frage soll offen gelassen werden, wie die Energie transportiert wird). Ohne beides zusammen erscheint der Stromkreis aber nicht verständlich: