Elektrische Spannung

Das Bohrsche Atommodell

Materie besteht nach unserer Vorstellung aus Atomen. In Analogie zum Planetensystem entwickelte Niels Bohr sein Atommodell (ca. 1910):

Ein Atom besteht aus einem Atomkern (positiv geladene Protonen und nicht geladene Neutronen) und einer Atomhülle (negativ geladene Elektronen). Die Elektronen umkreisen den Atomkern auf Bahnen, wobei Fliehkraft F_Z (Zentrifugalkraft) und elektrische Anziehungskraft F_el. gleich groß sind.

Modell eines Wasserstoffatoms

Normalerweise ist ein Atom elektrisch neutral, da sich die Ladungen der positiven Protonen und elektrisch negativen Elektronen nach außen hin ausgleichen. Werden leicht bewegliche Elektronen aber mittels Energiezufuhr entfernt, so bleibt ein positives Atom (= Ion) zurück.

Modell eines Kohlenstoffions

Elektronenmangel => positive Ladungen entstehen

Elektronenüberschuss => negative Ladungen entstehen

Elektrisches Feld

Elektrischen Ladungen werden von einem elektrischen Feld umgeben. Sie üben eine elektrische Kraft F_el. auf geladene Körper Q entlang der Feldlinien aus.

Kraftwirkung im elektrischen Feld

Dabei ist die elektrische Kraft umso größer, je größer die elektrische Feldstärke E und je größer die Ladung Q ist:

F_el. = E · Q

Für diesen Zusammenhang wird eine praktikablere physikalische Größe benötigt:

Elektrische Spannung

Elektrisch geladene Körper "spannen" ein elektrisches Feld auf. Mit diesem elektrischen Feld kann elektrische Arbeit verrichtet werden:

W_el. = F · s

Elektrische Spannung als Maß für das Arbeitsvermögen des el. Feldes

• Obige Graphik veranschaulicht, dass die Spannung der Feldlinien ein Maß für das gespeicherte Arbeitsvermögen des elektrischen Feldes ist. (Je stärker die Feldlinien gespannt werden, umso größer ist wegen der größeren Wegstrecke s das gespeicherte Arbeitsvermögen.)
• Auch die Stärke des elektrischen Feldes E (Dichte der Feldlinien) ist ein Maß für dieses Arbeitsvermögen, denn umso größer wird auch die die elektrische Kraft F_el.
  

Die Kraft F_el. hängt allerdings dabei allerdings auch von der Ladung Q ab. Je größer Q, umso größer ist F_el. .

Daher wird die elektrische Spannung definiert als das Arbeitsvermögen W des elektrischen Feldes bezogen auf die elektrische Ladung Q:

\( U= \frac{W}{Q} \)

Spannungserzeugung durch Ladungstrennung

Entstehung von Spannungsquellen durch Ladungstrennung bei Energiezuführung

Elektrisch neutrale Körper werden aufgeladen:	Eine sogenannte Spannungsquelle ist entstanden:	In der Spannungsquelle ist elektrische Energie gespeichert:
Energiezufuhr für die Überführungsarbeit    Für die Trennung der Ladungen wird Arbeit verrichtet. Dafür ist die Zufuhr von chemischer, magnetischer oder     thermische Energie nötig.	Weiter etwas Energiezufuhr, um die Ladungstrennung zu erhalten.      Die Ladungen haben das Bestreben sich auszugleichen. Um dem entgegenzuwirken, muss weiterhin etwas Energie zugeführt werden.	In der Spannungsquelle ist elektrische Energie gespeichert. Die kinetische Energie der Ausgleichsbewegung kann durch Schließen eines Stromkreises genutzt werden, um z.B. in Lichtenergie umgewandelt zu werden.
Überführungsarbeit zur Ladungstrennung: W = F · s		Gespeicherte elektrische Energie: W = U · Q

Arbeitsblatt hierzu:
https://moodle.eick-at.de/pluginfile.php/367/mod_page/content/23/ABElektrischeSpannung-nichtAusgef%C3%BCllt.pdf?time=1601312662931

Chemische Spannungserzeugung (Volta-Prinzip)

Der italienische Physiker Allessandro Volta (1795-1827) hat Spannungsquellen entwickelt, bei denen die Spannungserzeugung auf chemischen Vorgängen beruht:

Durch chemische Ladungstrennung entsteht eine elektrische Spannung.

Technische Anwendungen: Batterie, Akkumulator

Chemische Spannungserzeugung (Volta-Prinzip)

Magnetische Spannungserzeugung (Induktionsprinzip)

Das Induktionsprinzip wurde von dem englischen Physiker Michael Faraday (1791-1867) entdeckt:

Magnetische Spannung (Induktionsprinzip)

Der Hufeisenmagnet wird wie im obigen Bild dargestellt mit der angegebenen Richtung bewegt. Der stabförmige Leiter aus Kupfer enthält frei bewegliche Elektronen . Auf sie wird während der Bewegung des Magneten eine Kraft (Lorentzkraft) ausgeübt. Unter dem Einfluß dieser Kraft bewegen sich die Elektronen in die angegebene Richtung.
Durch Induktion entsteht eine elektrische Spannung.

Technische Anwendungen: Generator, Dynamo, Lichtmaschine

 Spannungserzeugung durch Licht

Im Fotoelement entstehen durch Bestrahlen mit Licht in einer dünnen Siliziumplatte (Halbleiter) freie Elektronen, die durch die Sperrschicht im Silizium auf eine Seite der Schicht gedrängt werden.

Technische Anwendung: Solarzelle

Spannungserzeugung durch Wärme

Bei Erwärmung der Kontaktstelle zweier verschiedener Metalle gehen infolge der Wärmebewegung Elektronen vom besseren Leiter auf den schlechteren Leiter über. Auf dem schlechteren Leiter bildet sich demzufolge ein Elektronenüberschuss, auf dem besseren Leiter ein Elektronenmangel
Es entsteht zwischen den beiden verschiedenen Leitern eine elektrische Spannung.

Technische Anwendungen: Thermoelemente zur Temperaturmessung

Thermoelektrischer Effekt

Spannungserzeugung durch Kristallverformung

Im Jahre 1880 entdeckten die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie, dass mechanischer Druck an der Oberfläche bestimmter Kristalle (z.B. PZT; Blei-Zirkonat-Titanat) elektrische Ladungen erzeugt. Sie nannten dieses Phänomen den Piezoeffekt (griech. drücken):

Spannungserzeugung durch Kristallverformung (Piezoelektrischer Effekt)

1880 entdeckten die Brüder Pierre und Jacques Curie beim Experimentieren mit Quarz und Rochellesalz, dass durch einen mechanischen Druck auf bestimmte Flächen mancher Kristalle ein elektrisches Feld auftritt. Sie nannten das den piezoelektrischen Effekt (griechisch. ich drücke). Diese Quarze bestehen aus Ionen zweier chemischer Elemente, die in sechseitigen Strukturen angeordnet sind.

Beim direkten Piezoeffekt verlagert sich durch mechanischen Druck der positive (Q+) und negative Ladungsschwerpunkt (Q–). Dadurch entsteht ein Dipol, eine elektrische Spannung am Element.

Technische Anwendungen: Drucksensor, Tonabnehmer beim Plattenspieler, Kristallmikropho, elektrisches Feuerzeug