Warum fällt die Spannung an einem Widerstand ab?
Hallo, ich beschäftige mich zurzeit mit Elektrotechnik, konkret mit der Frage, warum es einen Spannungsabfall gibt und was dieser genau ist.
Viele argumentieren mit dem ohmschen Gesetz, nur verstehe ich diesen Ansatz 1. nicht so genau und 2. muss es doch irgendwie eine Erklärung mit "Realbezug" geben, die sich nicht aus reiner Mathematik ergibt.
Und die 2. Frage: Ich habe ich den Eindruck es gibt verschiedene Auslegungen für den Spannungsabfall, die einen sagen, die Spannung sinkt einfach in Abhängigkeit von der Länge und den Eigenschaften des Kabels, die anderen sagen das Wort ist total irreführend und meint lediglich die Spannung, die an einem Widerstand gemessen werden kann. Welche ist denn jetzt die Richtige von Beiden?
Danke im Voraus!
3 Antworten
Der Begriff meint eigentlich die Differenz der Spannungen vor und nach einem Widerstand.
Sorry, aber das musst du mir jetzt erklären.
Vielleicht verstehst Du es besser, wenn Du in Ladungen denkst. Ein Potentialunterschied (in Volt) ist eigentlich nur ein Maß für den Unterschied an Ladungen, also Elektronen, zwischen der Spannungsquelle und dem Bezugspunkt, üblicherweise nach dem Widerstand. Durch den Widerstand fließen Ladungen. Vor dem Widerstand ist ein Potential, genau um so viel höher wie sich gerade Ladungen im Widerstand befinden. Bei einem Kondensator, der sich über einen Widerstand entlädt, ist das Modell am besten zu Verstehen. Bei einer konstanten Spannungsquelle schwieriger, weil ja dort immer neue Ladungen erzeugt werden. Am Widerstand gilt trotzdem U = R *I, weshalb diese Spannung abfällt.
Etwas vereinfacht kann man sich das so vorstellen:
Die Spannung ist gleichzusetzen mit einem Druck, also wenn du z.B. Wasser von einer Quelle durch ein Rohr fließen lässt. Bei einem idealen Leiter (Widerstand 0), kann das Wasser ungehindert durchfließen und der Druck ist nach dem Rohr genauso groß, wie vor dem Rohr. Bei einem realen Leiter sind im Rohr einige Hindernisse. Das Wasser reibt an diesen Hindernissen, es entsteht etwas Wärme. Gleichzeitig baut sich aber ein Gegendruck auf, weil ja nun die Moleküle nicht mehr die gleiche Geschwindigkeit haben. Somit lässt sich gesamt betrachtet ein Druckverlust feststellen. Je mehr Hindernisse im Weg sind, desto größer der Druckverlust.
In einem metallischen Leiter sind die Hindernisse z.B. die Metallatome. Die Elektronen können sich frei bewegen, aber werden durch die Atomrümpfe ab und zu gebremst. Die nun fehlende Bewegungsenergie wird ausgeglichen durch die abnehmende elektrische Energie, sodass die Geschwindigkeit im Mittel konstant bleibt. Zugegeben, der Absatz ist kompliziert zu verstehen... weil die elektrische Kraft, elektrische Energie wirklich noch mal ein eigenständiges Phänomen ist und sich mit Mechanik/Gravitation nicht vollständig erklären lässt.
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass für eine bestimmte Art von Leitfähigen Materialien, der Stromfluss proportional zur angelegten Spannung ist. Also verändert sich die Spannung (=Ursache für einen Stromfluss), ändert sich der Strom in gleichem Maße. Bezogen auf das Rohr hieße das: Ändert sich der Druck, ändert sich die Fließgeschwindigkeit in gleichem Maße.
2.) Spannung ist eine physikalische Größe, die zwischen zwei Punkten gemessen wird. Ein Punkt alleine reicht nicht. Das heißt, an einem Widerstand ist eine Spannung messbar, wenn ein Strom fließt. Diese Spannung wird auch als "Spannungsabfall" bezeichnet. Manche mögen den Begriff nicht, aber wir haben ihn auch im Studium verwendet... so falsch ist es also nicht.
Wenn man dagegen davon spricht, dass die Spannung in Abhängigkeit von der Länge sinkt, ergibt das nur Sinn, wenn man einen Speziellen Aufbau im Kopf hat. Die Messpunkte müssen dann vorgegeben sein. Häufig ist der gedachte Aufbau eine Spannungsquelle, ein Kabel (mit Widerstand) und ein Verbraucher. Am Verbraucher wird die Spannung gemessen. Da am Kabel - je nach Widerstand - eine Spannung "abfällt", lässt sich am Verbraucher nur ein Teil der Spannung der Spannungsquelle messen (Reihenschaltung). Je länger das Kabel, desto weniger Spannung am Verbraucher.
Hallo kmkcl, danke erstmal, trotzdem habe ich noch ein paar Fragen, ich verstehe nicht ganz was du mit "Die nun fehlende Bewegungsenergie wird ausgeglichen durch die abnehmende elektrische Energie, sodass die Geschwindigkeit im Mittel konstant bleibt." meinst, und dann habe ich da noch eine Frage: Die Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. Um das Potential zu erklären, nutzt man häufig einen Kondensator zur Erklärung, je weiter ich ein Elektron vom Pluspol entferne (Arbeit muss aufgebracht werden), desto größer das Potential des Elektrons, denn es kann nun mehr Arbeit verrichten als ein Elektron, dass ich nur minimal von der positiv geladenen Platte wegbewege. Ist es dann nicht so, dass das Potential eines Elektron nicht größer ist, je weiter es vom Pluspol entfernt ist, messe ich dann nicht an jeder x-beliebigen Stelle im Stromkreis ein anderes Potential ?
Danke schonmal! Ich habe eine Abbildung mitgebracht, wo über eine gewisse Strecke L die Potentiale identisch sind.
Den ersten Punkt kann ich schlecht erklären, auch wenn ich in etwa weiß, was passiert. Fakt ist, dass sich die Geschwindigkeit eines Elektrons nicht ändert, auch wenn es mal kollidiert/ abgebremst wird. Durch das elektrische Feld wird es wieder beschleunigt. Wobei ich nicht genau weiß, ob man sich das so physikalisch vorstellen darf... Die Geschwindigkeit eines Elektrons bestimmt sich durch Querschnitt, Anzahl der Elektronen pro Volumen des Leiters und Stromfluss. Die Energie, die durch die Kollisionen verloren geht, ist elektrische Energie.
Zu dem Potential: Ich denke, du verwechselst Potential und potentielle Energie. Potentielle elektrische Energie lässt sich durch die räumliche Anordnung von Ladungsteilchen erklären. Potential wird anders hergeleitet und erklärt. Wie gesagt, Spannung kann nur zwischen zwei Punkten gemessen/beschrieben werden. Bei einer Anordnung (z.B. Schaltung) kannst du die zwei Punkte beliebig setzen und die Spannungen nennen. Du kannst aber auch einen Punkt auswählen und alle Spannungen bezogen auf diesen Punkt messen. Dieser Punkt ist dann ein Referenzpunkt. Dem Referenzpunkt selbst kannst du einen Spannungswert zuweisen, meist ist es 0V. Alle gemessenen Spannungswerte gegenüber den Referenzpunkt kannst du nun "Potential" nennen. In der Physik ist das Potential so definiert, dass immer die gleiche physikalische Arbeit verrichtet wird, egal welchen Weg du zwischen zwei Punkten gehst. Wenn das der Fall ist, kannst du jeden Punkt einen eindeutigen Wert zuweisen und zur Bestimmung der Arbeit reicht es, die Differenz zu bilden. Das Potential ist bis auf eine Konstante, die addiert wird, eindeutig bestimmt. Über das elektrische Feld und die elektrische Kraft lässt sich der Zusammenhang auf die Spannung übertragen.
In dem abgebildeten Stromkreis sind die Leitungen, die die Bauteile verbinden, ideale Leiter. Sie haben keinen Widerstand. Daher gibt es keinen Spannungsabfall an den Leitungen. Das ist bei schematischen Zeichnungen immer so. Wenn man den Widerstand der Leitung berücksichtigen möchte, zeichnet man ihn als Widerstandssymbol in den Schaltplan ein.
Hmm, das wundert mich, denn egal auf welche Seite oder Video im Internet ich gehe, die versuchen das Thema Potential zu erklären, es wird immer eine Analogie zur Potentiellen Energie in einem Gravitationsfeld gezogen
Ich zitiere: "Die Idee ist, dass wir die Potentielle Energie nehmen, die eine bestimmte Ladung an einer bestimmten Stelle hat und normieren diese dann mit der Ladung". Meintest du das in deiner Erklärung?
Ich kenne diese Herangehensweise jetzt nicht, aber sie wird vermutlich schon funktionieren. Hmm... es kommt ein wenig darauf an, von welcher Seite man etwas betrachtet. Ein Physiker wird eine andere Erklärung nutzen, als ein jemand in der praktischen Anwendung. In der praktischen Anwendung wird das Potential so verwendet, wie ich es gesagt habe mit den Spannungen und Bezugspunkt. Dabei spielt aber auch eine Rolle, dass Schaltbilder (wie in deinem Bild) keine räumliche Anordnung wieder geben, sondern eine logische Anordnung. Daher hat die Länge der Verbindungsleitungen keine Bedeutung und sie haben keinen Widerstand. Der Bezug zur physikalischen Realität wird dadurch etwas komplizierter.
Ja, so in etwa... Das ist der Unterschied zwischen Potentieller elektrischer Energie und dem Spannungspotential.
Bevor ein Physiker von Potential und "potentieller Energie" reden darf, muss er aber eigentlich erst mal zeigen, dass die physikalischen Voraussetzungen erfüllt sind. Da kommt die erwähnte physikalische Definition des Potentials zum Tragen. Solange man keine Induktion betrachtet, ist das der Fall. Und aus Schaltplan-Sicht funktioniert es auch mit Induktion, wenn die Induktion als Spannungsquelle dargestellt wird.
Differenz der Spannung oder Differenz der Potentiale?