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© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2015

Spannungsbegriffe - Übersicht

Spannungsdefinition

Vorteil

Nachteil

Spannung als Ursache für einen Strom

unterstützt Präkonzepte der Schüler (und Lehrer) Ein Strom braucht keine Ursache, wie viele Beispiele zeigen (z.B. Supraleiter). Das ist Aristotelische Denkweise! Nur zum Aufrechterhalten eines Stroms bei Anwesenheit von Widerständen wird eine Spannung benötigt (Energie-Ersatz).

Übersieht, dass in vielen Fällen die Spannung die Folge eines Stroms ist (Spannungsabfall)

Spannung als "Pumpenstärke" einer Stromquelle

klare Eigenschaft einer Stromquelle (im Sinne von Quellenspannung/Urspannung); geeignet für propädeutische Einführungen, kann elementare Einsichten über den Stromkreis vermitteln, z.B. dass Strom und die damit verbundenen Ladungen immer im Kreis herum fließen, angetrieben durch die Stromquelle. nur vorläufig, unvollständig und nur als Eigenschaft einer Stromquelle (Quellenspannung/Urspannung) anwendbar, aber hier nicht falsch

Spannung als spezifische Trennarbeit (Trennarbeit pro Ladungsmenge)

. In speziellen Fällen anwendbar, leider nicht da, wo es vermeintlich gebraucht wird. Wo anwendbar, kann die oberflächliche und z. T. falsche Lehrplan/Schulbuch- Argumentation richtig gestellt werden, wenn in die Definition eine infinitesimale Ladung eingeht; das macht die Definition kompliziert. Trennarbeit pro Ladung würde beim geladenen Kondensator z.B. nur die halbe Spannung ergeben.

Was bedeutet im Stromkreis "Ladungstrennung" überhaupt? Ionisation? Oder räumliche Trennung (also "Verschiebung") der beiden bereits getrennten Ladungssorten? Und in einem Plasma etwa, wie auch einem Metall, werden beide Ladungssorten bei Stromfluss gegeneinander verschoben, aber nie getrennt: Gibt es hier eine Trennarbeit?

Bei der Induktion entsteht bei einem guten Leiter (Metall) in einer geschlossenen Schleife ein Induktionsstrom und eine Induktionsspannung, nie aber eine Ladungstrennung, weil die positive und negative Ladungsdichte an einem Ort für sich immer konstant bleiben!

Spannung als spezifische potenzielle Energie

(potenzielle Energie pro Ladungsmenge)

in der Elektrostatik richtig; nur hier verallgemeinerungsfähig für Spannung zwischen 2 Punkten im Vakuum nur anwendbar, wenn eine Ladung potenzielle Energie besitzt, wenn also ein Potenzialfeld vorliegt, also etwa in der Elektrostatik, nicht beim stationären Stromkreis oder der Induktion.

Wirft bereits bei einem einfachen Stromkreis mit einer Wechselspannungsquelle schwierige Probleme auf:

  • Wie kommt nach dem Umpolen die (potenzielle?) Energie einer Ladung vom früheren positiven Pol zu einer Ladung am jetzigen positiven Pol?
  • Wie holen sich die Ladungen nahe dem  neuen positiven Pol ihre (potenzielle?) Energie von der Stromquelle ab, obwohl sie niemals dorthin gelangen?

Bei Vorliegen einer von Null verschiedenen Ringspannung (z.B. bei Induktion oder beim stationären Gleichstromkreis) spielt eine Potenzialdifferenz keinerlei Rolle, selbst wenn es sie geben sollte: Bei einer geschlossenen Kurve würde sie immer die Verschiebungsarbeit 0 verrichten: ständige Erzeugung von Stromwärme wäre unmöglich.

Weil es in manchen Fällen eine von Null verschiedenen Ringspannung gibt, ist eine Definition über die spezifische potenzielle Energie nicht allgemein genug.

Spannung als Potenzialdifferenz

in der Elektrostatik richtig, wie Zeile zuvor wie Zeile zuvor;

nicht anwendbar bei der Induktion oder einem stationären Stromkreis;

versagt bereits bei einem einfachen Stromkreis mit einer Wechselspannungsquelle

Spannung als spezifische Verschiebungsarbeit (DIN 1324)

(Verschiebungsarbeit pro Ladungsmenge)

korrekt und allgemein anwendbar, sogar bei Vorliegen einer von Null verschiedenen Ringspannung

Die Definition setzt nicht das Vorliegen bestimmter Eigenschaften (z.B. Homogenität, Vorliegen eines Potenzials) des elektrischen Felds voraus.
setzt Begriff der Arbeit voraus

Spannung als Folge eines Stroms (Spannungsabfall)

korrekt, wo anwendbar (Spannungsabfall; dort über Arbeit quantitativ zu definieren) nicht allgemein anwendbar

Ringspannung (Umlaufspannung)

korrekt. Beim stationären Strom und bei der Induktion von Null verschieden. eine von Null verschiedenen Ringspannung spielt keine Rolle  in der Elektrostatik, ist aber notwendig für stationären Strom und Induktion.

Ringspannung = Urspannung/Quellspannung = Summe aller Spannungsabfälle :
Das entspricht dem Energiesatz.

EMK

korrekt, wo anwendbar, wie Zeile zuvor Name irreführend, Übereinstimmung mit Ringspannung nicht offensichtlich

In der Schul-Didaktik wird merkwürdigerweise eine Definition über die potenzielle Energie bevorzugt. Im Falle der Elektrostatik ist das sicher korrekt. Soll man aber wirklich eine so wichtige Größe in der Schule nur für einen Sonderfall definieren? Dieser Weg ist überdies m.E. viel komplizierter ist als der über die spezifische Verschiebungsarbeit. Viele "anschauliche" Modelle (z.B. Bienen-Nektar-Modell oder Rucksack-Modell) versuchen dann zusätzlich, den Transport von (potenzieller) Energie lokal an die Leitungselektronen gebunden zu erklären. Damit wird die Tatsache verletzt, dass die Ladungsträger nur Vehikel sind, die den Energietransport durch das die Leiter umgebende elektromagnetische Feld (nichtlokal) ermöglichen.

( Januar 2016: Formulierung präzisiert )