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© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2014

Der stationäre elektrische Strom in der Schule

In diesem Text wurde die offizielle Theorie des stationären Stromes in die Sprache der Schulphysik übersetzt. Er stützt sich auf W. Panofsky, M. Phillips, Classical electricity and magnetism, Addison-Wesley Publishing Company, 2. Auflage 1962, S. 118 - 122 und viele andere Standard-Lehrbücher der Elektrodynamik. Diese Theorie ist in weiteren Texten dargelegt, z.B. auch hier. Viele Überlegungen aus der Theorie des stationären Stroms müssen in der Schule verschwiegen werden, aber das, was mit den Schülern erarbeitet wird, sollte der Theorie nicht widersprechen.

Das sollte m.E. ein Schüler im Physik-Unterricht über den elektrischen Stromkreis erfahren: (Die Sätze in den eckigen Klammern dienen nur zur Erläuterung für den Lehrer)

[ Nur in dieser Übergangsphase kommt es zu einem Wechselspiel zwischen getrennten Ladungen, der Stromstärke I (der Stromdichte j) und dem sich bildenden elektrischen Feld E, so dass schließlich überall im Stromkreis außerhalb der Stromquelle das ohmsche Gesetz gilt:      j = σ·E  ;   σ  elektrische Leitfähigkeit **) ] .

[ In der Schule interessiert so gut wie ausschließlich der schließlich erreichte stationäre Strom.]

  • Strom bedeutet "das Fließen" von Ladungen (nicht: "fließende Ladungen"). Der elektrische Strom fließt definitionsgemäß außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol, innerhalb der Stromquelle dann weiter vom Minus- zum Pluspol, wieder aus dem Pluspol heraus, immer ungeschwächt im (unverzweigten) Kreis herum.
  • Mit dem Strom ist ein gerichteter Energietransport von der Stromquelle zum Widerstand ("Verbraucher") verbunden. Der "Verbraucher" verbraucht keine Energie, aber er gibt Energie nach außen hin ab. Sie muss von der Stromquelle ersetzt werden.

[ Der Strom ist das Vehikel zum Energietransport. Aber die Energie kann nicht in den bewegten Ladungen konzentriert sein, da diese in der Beobachtungszeit in der Regel weder die Energiequelle verlassen (sie können also in diesem Sinn - nach Schülermeinung - keine Energie aufnehmen) noch den "Verbraucher" erreichen (und dort diese Energie abgeben).]

M.E. kann bereits der einfache Stromkreis nicht verstanden werden, wenn sich der Schüler nicht beider Transportvorgänge bewusst ist!

[ Die Definition dieses Spannungsabfalls entspricht der Definition einer Spannung in anderen Fällen, nämlich als Potenzialdifferenz dort, wo  - anders als hier - ein Potenzialfeld und damit eine potenzielle Energie von Ladungen tatsächlich vorliegen. Sie ist aber auch kompatibel mit einer Ringspannung, wie sie z.B. wesentlich für die Induktion ist. W ist dabei die Arbeit, die beim Transport der Ladung Q längs eines vollen Umlaufs verrichtet wird.]

[ Grund dafür sind - vereinfacht - Energieverluste der fließenden Ladungen bei Stößen mit anderen Ladungen. Über Stromarbeit zu reden ist ein didaktischer Trick, mit dem eine Diskussion des Energiestroms weitgehend vermieden werden kann.]

[ Das elektrische Feld E und das magnetische Feld B stellen sich jeweils so ein, dass dies möglich wird. ]

M.E. sollte an der Schule nicht behandelt werden:

Hinweise:

*) Bei der Induktion gibt es in der Regel keine lokalisierte Stromquelle. Hier werden vorhandene Ladungen durch die Ringspannung "im Kreis herum" gepumpt. Wie fließt dann Energie in den ohmschen Widerstand des ringförmigen Leiters?

**) Bei idealen Bedingungen gilt:   j = I/A = σ·E = U/(l·ρ) mit dem spezifischen Widerstand ρ und der  elektrischen Leitfähigkeit σ , also I = U/R , weil σ = 1/ρ und E = U/l  . In der Übergangsphase vor Erreichen des stationären Stroms stellt sich die endgültige Stromstärke ein, "der Widerstand begrenzt den Strom".

Nach Aussage des Poynting-Vektors (Energiestrom-Vektors) S = E x B fließt die Energie aus der Umgebung in den Leiter hinein. Hier ist E das elektrische Feld, das durch die Induktion im sich ändernden Magnetfeld entsteht. B ist das Magnetfeld, das der als Folge von E fließende Strom I um den Ringleiter herum erzeugt. (So wird der Strom als Vehikel für den Energietransport wirksam!)

Sollte als Folge der Induktion die Richtung von E geändert werden (und damit auch die Stromrichtung), werden auch die Richtungen von B geändert. Damit bleiben die Richtungen des Energiestrom-Vektors S unverändert.

Es wäre absurd, hier anzunehmen, dass die Leitungs-Elektronen von irgendwo her in den Elektronen lokalisierte potenzielle Energie herbeitragen. Die in den Feldern steckende Energie kommt vielmehr aus dem sich ändernden B-Feld (B') bei der Induktion.

( Nach der Lenzschen Regel fließt der Induktionsstrom so, dass er seiner Ursache entgegenwirkt, also B im Inneren des Rings entgegengesetzt zu dB'/dt (∂B'/∂t), damit der Veränderung von B' innerhalb des Rings entgegengewirkt wird.)

M.E. sollte sich der Lehrer dieser Tatsachen bewusst sein, sie im Unterricht aber nicht thematisieren.