Wie entsteht eine Potentialdifferenz

Im folgenden Kapitel soll der Frage nachgegangen werden, warum eine (elektrische) Ladung durch einen elektrischen Leiter transportiert wird. Die Kraft, die eine (elektrische) Ladung durch einen Leiter transportiert, entsteht durch die Potentialdifferenz, dass auch als (elektrische) Spannung bezeichnet wird.

Ladung und Feld

Jede Ladung erzeugt ein Feld (ähnlich einer Masse). Dies lässt sich in einem Vergleich veranschaulichen: Jede Masse erzeugt ein Schwerefeld um sich herum erzeugt (z.B. bei der Erde als Erdbeschleunigung), so bewirkt auch jede elektrische Ladung ein elektrisches Feld, dass in alle Richtungen gerichtet ist, wofür folgende Formel verwendet werden kann:

Herleitung der Potentialdifferenz

Für die Herleitung werden einige Grundgesetze der Mechanik benötigt, z.B. Kraft = Masse · Beschleunigung (F = m·a) oder Energie/Arbeit = Kraft · Weg (E = F· x).

Betrachten wir nun einen Stein, der sich auf einer gewissen Höhe im Schwerefeld der Erde befindet. Die potentielle Energie ist E(pot) = F · h = m · g · h (Masse · Erdbeschleunigung · Höhe). Nun kann man dies auf das elektrische Feld übertragen, auch hier gilt E (pot)= F·r (anstelle der Höhe wird hier ein Radius verwendet), wobei die Kraft F nichts anderes ist, als Ladung · elektrisches Feld => E(pot) = q · E · r.

Betrachtung einer Ladung zwischen zwei Punkten a und b

• 1. Fall:  Im ersten Fall betrachten wir eine Ladung q auf einem Weg (von a nach b), auf dem sich die Feldliniendichte nicht ändert, so ist die potentielle Energie in Punkt a und b stets dieselbe und die zu verrichtende Arbeit ist 0, d. es findet kein Ladungstransport statt. E(pot,a) – E(pot,b) = 0.

• 2. Fall: Bewegt man nun eine Ladung q zwischen zwei Orten a und b, in denen die Feldliniendichte unterschiedlich ist, wird aber i.a. eine Potenzialdifferenz bestehen, die als elektrische Spannung bezeichnet wird (daher findet sich in einem geschlossenen Stromkreis mit Minus- und Pluspol eine Potentialdifferenz (=Spannung).

Wie entsteht eine Potentialdifferenz – Testfragen/-aufgaben

1. Was wird als Potentialdifferenz bezeichnet?

Die Potentialdifferenz ist die Differenz der elektrischen Potentiale zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld.

2. Was ist die Einheit der Potentialdifferenz?

Die Einheit der Potentialdifferenz ist das Volt (V).

3. Was bedeutet der Begriff “Potential” in Bezug auf die Elektrizität?

Potential in diesem Kontext ist die Arbeit, die benötigt wird, um eine positive Ladungsprobe von einem Referenzpunkt zu einem bestimmten Punkt zu bewegen, ohne dass eine Beschleunigung auftritt.

4. Welche Rolle spielt die Potentialdifferenz in einem elektrischen Stromkreis?

Durch die Potentialdifferenz wird elektrischer Strom in einem Stromkreis ermöglicht, da Elektronen von Bereichen hohen Potentials zu Bereichen niedrigen Potentials fließen.

5. Wie entsteht eine Potentialdifferenz in einer Batterie?

Eine Potentialdifferenz in einer Batterie entsteht durch chemische Reaktionen, die eine Ladungsverschiebung und daher eine Potentialdifferenz zwischen den Polen erzeugen.

6. Wie können wir die Potentialdifferenz in einem Stromkreis messen?

Die Potentialdifferenz in einem Stromkreis kann mit einem Voltmeter gemessen werden.

7. Wie hängen die Potentialdifferenz und der Widerstand in einem Stromkreis zusammen?

Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Potentialdifferenz direkt proportional zum durch den Stromkreis fließenden Strom und zum Widerstand des Stromkreises.

8. Wie beeinflusst die Potentialdifferenz den elektrischen Strom?

Eine höhere Potentialdifferenz verursacht in der Regel einen höheren elektrischen Strom, da mehr Elektronen von hohem zu niedrigem Potential fließen.

9. Was passiert mit der Potentialdifferenz, wenn der Widerstand in einem Stromkreis zunimmt?

Wenn der Widerstand in einem Stromkreis zunimmt, nimmt die Potentialdifferenz nicht notwendigerweise zu. Nach dem Ohmschen Gesetz bleibt die Potentialdifferenz gleich, solange sich der Durchfluss des elektrischen Stroms oder die Energieversorgung nicht ändern.

10. Wie hängt die Potentialdifferenz mit der Spannung zusammen?

Die Potentialdifferenz ist ein anderes Wort für Spannung. Sie ist das Maß für die elektrische Work von der Quelle, wie z.B. einer Batterie oder einer Steckdose.