Elektrizitätslehre
Arbeit im elektrischen Feld, Potential und Spannung
Was Spannung wirklich bedeutet, warum sie eine Energiedifferenz je Ladung ist und wieso der Weg dabei keine Rolle spielt.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
„" gehört zu den Wörtern, die jeder benutzt und kaum jemand erklären kann. Eine Batterie hat , eine Steckdose , ein Blitz einige Millionen Volt. Aber was ist ein Volt?
Die Antwort steckt in einem Gedanken, den du aus der Mechanik bereits kennst. Dort war die Lageenergie eines Körpers im Schwerefeld , und der Ausdruck hing nur vom Ort ab, nicht vom Körper. Genau dieselbe Trennung gelingt im , und das Ergebnis heißt Potential. Die Spannung ist dann nichts anderes als eine Differenz davon.
Das kannst du nach diesem Kapitel
die im homogenen berechnen.
begründen, warum diese Arbeit wegunabhängig ist.
das Potential als ortsabhängige Größe definieren.
die als Potentialdifferenz deuten.
den Zusammenhang herleiten und anwenden.
mit der Einheit Elektronenvolt rechnen.
Arbeit im homogenen Feld
Verschiebt man eine im homogenen Feld entgegen der Feldkraft um die Strecke , muss man verrichten. Mit und folgt
Diese Arbeit steckt danach als potentielle in der Ladung. Lässt man sie los, wird die Energie wieder frei und sie.
🔴 Das ist genau der Gedanke aus der Mechanik: Hebt man einen Körper an, verrichtet man Arbeit, die als Lageenergie gespeichert wird. Nur ist hier statt der die Ladung entscheidend und statt des Schwerefeldes das elektrische.
Warum der Weg keine Rolle spielt
Verschiebt man die nicht geradlinig, sondern auf einem Umweg, ändert sich die nicht.
Begründung: Bewegt man die Ladung senkrecht zu den Feldlinien, steht die senkrecht zum Weg, und dabei wird keine Arbeit verrichtet (). Jeder beliebige Weg lässt sich in Abschnitte längs und senkrecht zu den Feldlinien zerlegen; nur die Abschnitte längs liefern einen Beitrag, und ihre Summe ist gerade der Abstand in Feldrichtung.
Daraus folgt unmittelbar:
Die Arbeit hängt nur von Anfangs- und Endpunkt ab, nicht vom Weg.
Auf einem geschlossenen Weg ist die Arbeit deshalb null. Felder mit dieser Eigenschaft heißen konservativ; das Schwerefeld ist ebenfalls eines. Genau diese Eigenschaft macht es überhaupt erst möglich, jedem Punkt eine zuzuordnen, denn andernfalls hinge der Wert davon ab, wie man dorthin gelangt ist.
Das Potential
Die potentielle einer hängt von der Ladung ab. Wie bei der trennt man auch hier die Eigenschaft des Ortes von der Eigenschaft der Probeladung:
Das Potential eines Punktes ist die potentielle Energie je Ladung.
Wie in der Mechanik ist nur die Differenz physikalisch bedeutsam; der Nullpunkt ist frei wählbar. Üblich sind die Erde oder der Minuspol.
Punkte gleichen Potentials bilden Äquipotentialflächen. Auf ihnen wird keine verrichtet, und sie stehen deshalb überall senkrecht auf den Feldlinien.
Die Spannung
Die zwischen zwei Punkten ist die je , die beim Verschieben zwischen ihnen verrichtet wird.
🔴 Damit ist die Frage beantwortet, was ein Volt ist: Eine Spannung von bedeutet, dass an einer Ladung von die Arbeit verrichtet wird. Bei einer -Volt-Batterie erhält also jedes Coulomb Joule mit auf den Weg.
Spannung ist immer eine Differenz. Die Frage „Wie viel Spannung hat dieser Punkt?" ist ebenso sinnlos wie die Frage nach der Höhe eines Ortes ohne Bezugsniveau. Man kann nur die Spannung zwischen zwei Punkten angeben.
Der Zusammenhang mit der Feldstärke
Aus und folgt sofort
Damit ist die Formel aus dem letzten Kapitel hergeleitet statt behauptet, und die Einheit wird verständlich: Die gibt an, wie viel je Meter „abfällt".
Dasselbe Bild wie im vorigen Kapitel, jetzt für die Beziehung : Weil das Feld zwischen den Platten überall gleich stark ist, genügt eine einzige Division. In einem inhomogenen Feld ginge das nicht.
Das Elektronenvolt
Für Elementarteilchen ist das Joule unhandlich groß. Man benutzt deshalb:
Ein Elektronenvolt ist die , die ein Elektron beim Durchlaufen einer von einem Volt aufnimmt.
Die Definition folgt direkt aus mit und .
Typische Größenordnungen:
| Vorgang | Energie |
|---|---|
| Bindung eines Elektrons im Atom | einige |
| Sichtbares Licht (Photon) | bis |
| Röntgenstrahlung | einige |
| Kernprozesse | einige |
🔴 An dieser Tabelle sieht man auf einen Blick, warum chemische Vorgänge Kernprozesse nicht beeinflussen können: Der Unterschied beträgt rund sechs Zehnerpotenzen.
Beschleunigung durch eine Spannung
Durchläuft ein ruhendes Teilchen die , wird die gesamte elektrische in kinetische umgewandelt:
Das ist das Grundprinzip jeder Elektronenröhre, jedes Teilchenbeschleunigers und jeder Röntgenröhre.
Arbeit, Spannung und Elektronenvolt
Ein hat und .
a) Welche liegt an?
b) Welche wird verrichtet, wenn eine von von einer Platte zur anderen gebracht wird?
c) Welche nimmt ein Elektron beim Durchlaufen auf, in Joule und in Elektronenvolt?
d) Ändert sich die Arbeit, wenn die Ladung auf einem Umweg bewegt wird?
- 1
a) Aus :
- 2
b) Aus folgt :
- 3
c) Für ein Elektron mit :
In Elektronenvolt geht es ohne Rechnung: Ein Elektron nimmt beim Durchlaufen von genau auf, also bei genau
🔴 Genau darin liegt der Vorteil der Einheit: Man liest die Energie unmittelbar aus der Spannung ab, statt mit Zehnerpotenzen zu hantieren. Deshalb spricht man von einer „-Volt-Beschleunigung" und meint damit zugleich die Energie.
- 4
d) Nein, die Arbeit bleibt gleich.
Auf jedem Wegabschnitt senkrecht zu den Feldlinien wird keine Arbeit verrichtet, denn dort steht die senkrecht auf dem Weg. Nur die Abschnitte längs der Feldlinien tragen bei, und ihre Summe ist immer der Plattenabstand.
Die Arbeit hängt deshalb nur von Anfangs- und Endpunkt ab. Genau diese Eigenschaft erlaubt es überhaupt, von „der Spannung zwischen den Platten" zu sprechen: Wäre die Arbeit wegabhängig, hätte der Begriff keinen eindeutigen Wert.
Dasselbe kennst du aus der Mechanik: Ob du einen Koffer die Treppe hinaufträgst oder mit dem Aufzug fährst, die Hubarbeit ist dieselbe.
a) b) c) d) nein, die Arbeit ist wegunabhängig.
Elektronen beschleunigen
In einer Elektronenröhre werden Elektronen aus der Ruhe durch .
Gegeben: , .
a) Welche haben sie danach, in eV und in Joule?
b) Wie schnell sind sie?
c) Wie ändert sich die bei vierfacher ?
d) Warum spielt die dabei keine Rolle?
- 1
a) Energie: Ein Elektron nimmt je Volt genau auf:
In Joule:
- 2
b) Die gesamte elektrische wird zu kinetischer Energie, weil das Elektron aus der Ruhe startet:
Das sind rund , also etwa der Lichtgeschwindigkeit.
- 3
c) Aus folgt .
Bei vierfacher Spannung:
Die Geschwindigkeit verdoppelt sich nur, nicht vervierfacht.
🔴 Der Grund ist die kinetische Energie: Sie geht mit , deshalb wirkt sich eine Energieänderung nur mit der Wurzel auf die Geschwindigkeit aus. Dasselbe kennst du vom Bremsweg, der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst.
Ehrliche Einschränkung: Bei sehr hohen Spannungen gilt diese Rechnung nicht mehr, weil sich das Elektron der Lichtgeschwindigkeit nähert und die Relativitätstheorie berücksichtigt werden muss. Bis etwa von ist der Fehler unter einem Prozent, hier also unbedenklich.
- 4
d) Weil sie um Zehnerpotenzen kleiner ist.
Gewichtskraft des Elektrons:
Elektrische bei einem typischen Feld von :
Das Verhältnis beträgt rund . Die Gewichtskraft ist also völlig vernachlässigbar.
🔴 Merke das als allgemeine Regel: Bei geladenen Elementarteilchen in wird die Schwerkraft grundsätzlich vernachlässigt. Eine Ausnahme ist der Millikan-Versuch, weil dort ein vergleichsweise schweres Öltröpfchen mit nur wenigen Elementarladungen benutzt wird und die beiden Kräfte gerade vergleichbar werden.
a) b) rund c) sie verdoppelt sich, weil d) die Gewichtskraft ist rund -mal kleiner.
Typischer Fehler
„Dieser Punkt in der Schaltung hat eine von ."
Ein einzelner Punkt hat keine Spannung. Spannung ist immer eine Differenz zwischen zwei Punkten.
Die Parallele macht es deutlich: Die Frage „Wie hoch ist dieser Ort?" ist ohne Bezugspunkt sinnlos. Zugspitze heißt: über dem Meeresspiegel. Wählt man ein anderes Bezugsniveau, ändert sich die Zahl, und der Höhenunterschied zwischen zwei Orten bleibt derselbe.
Genauso ist es beim Potential: Sein Nullpunkt ist frei wählbar (üblich sind Erde oder Minuspol). Nur die Differenz zweier Potentiale, also die Spannung, ist physikalisch bedeutsam, denn nur sie bestimmt die .
Woher der falsche Sprachgebrauch kommt: In der Praxis vereinbart man stillschweigend einen Bezugspunkt, meist die der Schaltung. „Der Punkt hat " ist dann die Kurzform für „zwischen diesem Punkt und der Masse liegen ". Als Abkürzung ist das in Ordnung, als physikalische Aussage nicht.
Warum das mehr als Wortklauberei ist: Vögel sitzen unbeschadet auf einer Hochspannungsleitung mit gegen Erde, weil zwischen ihren beiden Füßen fast keine Spannung liegt. Nicht der hohe Potentialwert ist gefährlich, sondern die Differenz über den Körper. Wer Spannung als Punkteigenschaft denkt, kann diese lebenswichtige Unterscheidung nicht treffen.
Richtig formuliert: „Zwischen diesem Punkt und der Masse liegt eine Spannung von " oder „das Potential dieses Punktes beträgt bezogen auf Masse ".
Übung 1
leichta) Welche wird verrichtet, wenn eine von durchlaufen?
b) Ein hat und . Wie groß ist ?
c) Welche in eV nimmt ein Elektron beim Durchlaufen von auf?
Tipp anzeigen
c) Ohne Rechnung ablesbar.
Lösung anzeigen
a)
b)
c) . Ein Elektron nimmt beim Durchlaufen von definitionsgemäß auf, also bei genau . Genau dafür wurde die Einheit eingeführt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht bei Arbeit, Spannung und Elektronenvolt
a) durchläuft ; gesucht die Arbeit. b) und ; gesucht . c) ein Elektron durchläuft ; gesucht die Energie in eV.
- 2
Arbeit, Spannung und die Definition des Elektronenvolts
Die Spannung ist die Arbeit je : , also . Im homogenen Feld gilt zusätzlich . Und ein Elektronenvolt ist definitionsgemäß die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen von aufnimmt.
- 3
a) bis c) Arbeit, Spannung und Energie
a) Ladung mal Spannung, mit . b) mal Abstand, mit . c) direkt ablesen.
;
Zwischenergebnis
, ,
- 4
Ergebnisse deuten: warum es zwei Energieeinheiten gibt
und sind beides Energien, aber in völlig verschiedenen Größenordnungen: entsprechen rund , also etwa einem Billiardstel des ersten Werts.
Übung 2
mittela) Begründe, warum die im wegunabhängig ist.
b) Warum stehen Äquipotentialflächen senkrecht auf den Feldlinien?
c) Ein Proton wird durch (). Wie schnell ist es?
d) Warum sitzen Vögel unbeschadet auf einer Hochspannungsleitung?
Tipp anzeigen
b) Was gilt für die Arbeit auf einer solchen Fläche?
Lösung anzeigen
a) Jeder Weg lässt sich in Abschnitte längs und senkrecht zu den Feldlinien zerlegen.
Auf den senkrechten Abschnitten steht die senkrecht zum Weg, dort wird keine Arbeit verrichtet ().
Auf den Abschnitten längs der Feldlinien wird Arbeit verrichtet, und ihre Gesamtlänge ist immer gleich der Verschiebung in Feldrichtung, unabhängig davon, wie man dorthin gelangt.
Die Arbeit hängt deshalb nur von Anfangs- und Endpunkt ab; auf einem geschlossenen Weg ist sie null. Solche Felder heißen konservativ.
🔴 Nur wegen dieser Eigenschaft lässt sich jedem Punkt ein Potential zuordnen. Wäre die Arbeit wegabhängig, hinge der Wert davon ab, wie man den Punkt erreicht hat, und der Begriff wäre unbrauchbar.
b) Auf einer Äquipotentialfläche ist das Potential überall gleich. Zwischen zwei Punkten darauf ist die also null, und damit auch die Arbeit:
Wird auf einer Verschiebung keine Arbeit verrichtet, muss die Kraft senkrecht zum Weg stehen. Da die Kraft in Richtung der Feldlinien wirkt, stehen die Feldlinien senkrecht auf der Fläche.
Anschauliches Gegenstück: Die Höhenlinien einer Landkarte sind Äquipotentiallinien des Schwerefeldes. Wer einer Höhenlinie folgt, verrichtet keine Hubarbeit, und die Richtung des stärksten Anstiegs steht überall senkrecht darauf.
c)
Zum Vergleich: Ein Elektron wäre bei derselben Spannung rund -mal schneller, weil und das Proton etwa -mal schwerer ist ().
d) Weil zwischen ihren beiden Füßen fast keine Spannung liegt.
Der Vogel sitzt zwar auf einem Leiter mit sehr hohem Potential gegenüber der Erde, aber beide Füße befinden sich praktisch auf demselben Potential. Die Potentialdifferenz über seinen Körper ist deshalb winzig, und nach fließt fast kein Strom durch ihn.
🔴 Gefährlich ist nie das Potential, sondern immer die Differenz. Berührt derselbe Vogel gleichzeitig eine zweite Leitung oder einen geerdeten Mast, liegt die volle Spannung an, und es wird tödlich. Genau deshalb sind bei großen Vögeln mit weiter Flügelspannweite Mastkonstruktionen mit größerem Leiterabstand vorgeschrieben.
Dasselbe Prinzip erklärt, warum Arbeiten unter Spannung an Hochspannungsleitungen aus dem Hubschrauber möglich sind: Man bringt sich zunächst auf dasselbe Potential wie die Leitung und berührt nichts anderes.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht, drei Begründungen und ein Proton
a), b) und d) verlangen Begründungen. c) gibt und ; gesucht ist die Endgeschwindigkeit des Protons.
- 2
a) Warum die Arbeit im elektrischen Feld wegunabhängig ist
Jeder Weg lässt sich in Abschnitte längs und senkrecht zu den Feldlinien zerlegen. Auf den senkrechten steht die Kraft senkrecht zum Weg, dort wird keine Arbeit verrichtet. Auf den längs verlaufenden ist die Gesamtlänge immer gleich der Verschiebung in Feldrichtung, unabhängig vom gewählten Weg.
- 3
b) Warum Äquipotentialflächen senkrecht auf den Feldlinien stehen
Auf einer Äquipotentialfläche ist das Potential überall gleich, zwischen zwei Punkten darauf ist die Spannung also null und damit auch die Arbeit: . Wird auf einer Verschiebung keine Arbeit verrichtet, muss die Kraft senkrecht zum Weg stehen.
- 4
c) Die Geschwindigkeit des beschleunigten Protons
Die vom Feld verrichtete Arbeit wird vollständig zu Bewegungsenergie: , umgestellt .
Zwischenergebnis
- 5
d) Ergebnis deuten: Potential gegen Potentialdifferenz
Der Vogel sitzt auf einem Leiter mit sehr hohem Potential gegenüber der Erde, aber beide Füße befinden sich praktisch auf demselben Potential. Die Potentialdifferenz über seinen Körper ist winzig, und nach fließt fast kein Strom.
Übung 3
schwera) Leite aus der Definition der her.
b) Erkläre, warum das Potential einen frei wählbaren Nullpunkt hat, die Spannung aber eindeutig ist.
c) Ein Elektron durchläuft , ein zweites . Vergleiche und .
d) Warum eignet sich das Elektronenvolt besser als das Joule für atomare Vorgänge? Belege mit Zahlen.
Tipp anzeigen
a) Setze in ein.
Lösung anzeigen
a) Schritt 1: auf die . Aus der Definition der folgt
Schritt 2: beim Verschieben um längs der Feldlinien. Da die Kraft im homogenen Feld konstant und parallel zum Weg ist, gilt , also
Schritt 3: In die Definition der Spannung einsetzen.
Die Ladung kürzt sich heraus, und genau das war zu erwarten: Die Spannung ist eine Eigenschaft des Feldes und der beiden Punkte, nicht der Probeladung.
🔴 Damit ist auch die Einheit verständlich: Die Feldstärke gibt an, wie viel Spannung je Meter abfällt. Die Formel aus dem vorigen Kapitel ist damit hergeleitet und nicht bloß behauptet.
b) Das Potential ist über die potentielle Energie definiert, und potentielle Energie ist immer nur bezogen auf ein Bezugsniveau angebbar. Man kann zu allen Potentialwerten dieselbe Konstante addieren, ohne dass sich irgendetwas Messbares ändert.
Die Spannung ist die Differenz zweier Potentiale. Beim Subtrahieren fällt eine gemeinsame Konstante heraus:
Sie ist deshalb unabhängig von der Wahl des Nullpunkts und damit eindeutig messbar.
Physikalischer Kern: Messbar ist nur, was sich als Arbeit zeigt, und Arbeit hängt nur von der Differenz ab. Alles, was sich beim Verschieben des Nullpunkts mitverschiebt, ist keine , sondern eine Buchhaltungsgröße.
Dasselbe gilt in der Mechanik für die Höhe: Nur Höhenunterschiede bestimmen die Hubarbeit.
c) Energien: Nach ist die Energie proportional zur Spannung:
Das zweite Elektron hat also die vierfache Energie.
Geschwindigkeiten: Nach ist :
Das zweite Elektron ist nur doppelt so schnell.
🔴 Der Kern: Vierfache Energie bedeutet doppelte Geschwindigkeit, weil die kinetische Energie mit geht. Wer Energie und Geschwindigkeit gleichsetzt, verrechnet sich hier systematisch.
Konkret: , .
d) Weil das Joule um rund neunzehn Zehnerpotenzen zu groß ist.
Die Bindungsenergie des Elektrons im Wasserstoffatom beträgt , in Joule also
Rechnete man durchgehend in Joule, stünde vor jeder Zahl eine Zehnerpotenz um , was Vergleiche erschwert und Rechenfehler begünstigt.
Der zweite, wichtigere Vorteil: Die Energie in eV ist zahlenmäßig gleich der durchlaufenen Spannung in Volt. Eine Röntgenröhre mit liefert Elektronen mit ; man liest die Energie unmittelbar an der Gerätespannung ab, ohne zu rechnen.
Vergleichbarkeit auf einen Blick:
| Vorgang | Energie |
|---|---|
| sichtbares Licht | bis |
| chemische Bindung | einige |
| Röntgenstrahlung | einige |
| Kernprozesse | einige |
An dieser Tabelle wird sofort sichtbar, warum chemische Vorgänge Kernprozesse nicht beeinflussen können: Der Unterschied beträgt rund sechs Zehnerpotenzen. In Joule ausgedrückt wäre derselbe Sachverhalt aus einer Kolonne winziger Zahlen herauszulesen.
Das ist der eigentliche Grund für die Einheit: nicht Bequemlichkeit, sondern Sichtbarmachen von Größenordnungen.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht, eine Herleitung, ein Vergleich, eine Einordnung
a) verlangt die Herleitung von , b) die Unterscheidung von Potential und Spannung. c) gibt zwei Elektronen mit und ; gesucht ist der Vergleich von Energien und Geschwindigkeiten. d) fragt nach dem Elektronenvolt.
- 2
a) Die Spannung im homogenen Feld aus der Definition herleiten
Schritt 1: Aus folgt . Schritt 2: Im homogenen Feld ist die Kraft konstant und parallel zum Weg, also . Schritt 3: Eingesetzt in ergibt sich , die Ladung kürzt sich heraus.
- 3
b) Warum das Potential einen frei wählbaren Nullpunkt hat
Das Potential ist über die potentielle Energie definiert, und die ist immer nur bezogen auf ein Bezugsniveau angebbar. Die Spannung ist dagegen die Differenz zweier Potentiale, und beim Subtrahieren fällt eine gemeinsame Konstante heraus: .
- 4
c) Vierfache Energie, doppelte Geschwindigkeit
Nach ist die Energie der Spannung proportional: gegen , also das Vierfache. Nach ist dagegen , also .
, ;
Zwischenergebnis
Energie viermal, Geschwindigkeit zweimal so groß.
- 5
d) Ergebnis deuten: wozu das Elektronenvolt taugt
Weil das Joule um rund neunzehn Zehnerpotenzen zu groß ist. Die Bindungsenergie des Elektrons im Wasserstoffatom beträgt , in Joule also rund .
Zusammenfassung
Verschiebt man eine im homogenen , wird die verrichtet, und diese Arbeit hängt nur von Anfangs- und Endpunkt ab, weil auf Wegabschnitten senkrecht zu den Feldlinien keine Arbeit anfällt. Genau diese Wegunabhängigkeit erlaubt es, jedem Punkt ein Potential zuzuordnen, also eine potentielle je Ladung, deren Nullpunkt frei wählbar ist. Die ist die Differenz zweier Potentiale und damit die Arbeit je Ladung, weshalb ein Volt genau ein Joule je Coulomb bedeutet und die Frage nach der Spannung eines einzelnen Punktes sinnlos bleibt. Aus der Definition folgt unmittelbar der Zusammenhang , womit die Feldstärkeformel des vorigen Kapitels hergeleitet ist. Für atomare Vorgänge rechnet man in Elektronenvolt, weil die Energie dort zahlenmäßig mit der durchlaufenen Spannung übereinstimmt und Größenordnungen unmittelbar vergleichbar werden.


