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© Horst Hübel Würzburg 2005-2019

Der einfache elektrische Stromkreis - altes Wissen und neue Erkenntnis

Der einfache elektrische Stromkreis - altes Wissen und neue Erkenntnis

von Horst Hübel, BoD, Norderstedt, 2019, ISB  978-3-7386-0094-0,

64 Seiten, 3,99 Euro (Druckversion), 2,99 Euro (E-Book)

erhältlich bei BoD oder jeder anderen (Versand-)Buchhandlung




U.a. werden im Büchlein folgende Thesen vertreten und begründet:

a) Aufgaben eines Stromkreises sind 1. die Lieferung von Energie an einen "Verbraucher", also der Transport von Energie, 2. damit untrennbar verbunden, der Transport von Ladungen, der den Energietransport vermittelt, und 3. evtl. der Transport von Nachrichten.

b) Eine Batterie wird gesehen als Quelle von elektrischer Energie und als Pumpe von elektrischen Ladungen, die im Stromkreis immer vorhanden sind. Sie ist die "Erstursache" für den Strom im geschlossenen Stromkreis.

c) Es werden die beiden Aspekte der Spannung im Stromkreis gleichwertig behandelt: Die Spannung (der Energiequelle) bestimmt das Maß, in dem Energie pro Ladungsmenge an den Stromkreis (bzw. eine Ladung, z.B. ein Elektron) abgegeben wird. Dieser Aspekt wird mit dem Schlagwort "Spannung macht Strom" belegt. Bei Stromfluss bestimmt aber auch der Strom das für ihn notwendige elektrische Feld und erzeugt damit z.B. einen Spannungsabfall an einem Widerstand. Dieser Aspekt wird - ebenfalls nicht ganz korrekt - mit dem Schlagwort "Strom macht Spannung" belegt. In diesem Sinn ist Spannung(sabfall) ein Maß für die Energie pro Ladungsmenge, die ein Widerstand bei einer bestimmten Stromstärke aufnimmt, wenn also durch ihn eine Ladungsmenge Q hindurch fließt.

d) In der Schule wird nur ein stationärer Strom behandelt, der nach dem Einschalten entstanden ist, wenn die notwendigen elektrischen (und magnetischen) Felder sich ausgebildet haben. Spätestens von da ab stehen Strom und Spannung (bzw. elektrisches Feld) nicht mehr in kausaler Beziehung, sondern nur noch in konsistenter: Das eine bedingt das andere und umgekehrt. 

(Ich halte es für verfehlt, Spannung generell als die Ursache eines Stroms anzusehen. Dazu ist allenfalls die Spannung der Energiequelle geeignet.)

e) Spannung als Potenzialdifferenz zu definieren, ist in der Elektrostatik möglich und sinnvoll. Allerdings wird in der Literatur nachgewiesen, dass ein Potenzialfeld (also ein wirbelfreies Feld) nicht die Energie für einen stationären Strom liefern kann. Dazu wird ein Wirbelfeld benötigt. Mit einer Spannungsdefinition über die Arbeit bzw. übertragene Energie kann diese Problematik in der Schule umgangen werden.

f) Möglicherweise verbaut man mit der Spannungsdefinition als Potenzialdifferenz das Verständnis der Induktion. Bei der Induktion entsteht nämlich typischerweise ein elektrisches Wirbelfeld. Hat man vorher Spannung als Potenzialdifferenz definiert, würde man jetzt einen weiteren Spannungsbegriff brauchen. Die Spannungsdefinition nach der DIN-Norm DIN 1324, die sinngemäß im Text angewandt wird, umfasst dagegen alle Fälle.

g) Welches elektrisches Feld sich ein stationärer Strom im Leiter geschaffen hat, und welche "Oberflächenladungen" dazu im Leiter nötig sind, wird mit den Regeln der Elektrodynamik nachgerechnet. Natürlich ist das Leiterinnere nicht frei von elektrischem Feld. Das verlangt schon das Ohm'sche Gesetz (in der Form der Elektrodynamik: j = σ·E). Es stellt sozusagen eine "Zwangsbedingung" dar, die regelt, dass Strom und elektrisches Feld im Inneren des Leiters der Leitergeometrie folgen - wenigstens bei einem dünnen Leiter. Der Aufbau des elektrischen Felds im Leiter durch Oberflächenladungen ist mit Abschluss des Einschaltvorgangs beendet. Von da ab nehmen Oberflächenladungen nicht mehr am Stromfluss teil. Erst in dieser Situation setzt das schulische Interesse ein.

(Oberflächenladungen - also Stirnladungen im Leiter und Mantelladungen auf seiner Oberfläche - sorgen für ein homogenes elektrisches Feld im dünnen Leiter, das der Leitergeometrie folgt. In der kurzen Einstellzeit des stationären Stroms passen sie die Feldstärke so an, wie die Gesetze des einfachen Stromkreises es erfordern, insbesondere das Ohm'sche Gesetz für den jeweiligen Leiterabschnitt und die Kontinuitätsgleichung (d.h. die Ladungserhaltung). Höchstens bei Änderungen am Stromkreis nehmen sie ihre Anpassungsaufgabe wieder wahr.)