Spannungsbegriff (Potential-Modell)
Elektronen im elektrischen Feld -- eine Analogie
Autos befinden sich auf einer spiralförmig abwärtsgerichteten Bergstraße. Aufgrund des Gravitationsfeldes bewegen sich die Autos bergab entlang der Straße und wandeln dabei die potentielle Energie (des Auto-Erde-Systems) um. Wie viel Energie tatsächlich umgewandelt wird, hängt in erster Linie vom Potential des Kraftfelds ab, also davon, wie viel Energie im Verhältnis zur Masse das Feld umwandeln kann:
Hat das Feld ein kleines Potential, so benötigt man eine größere Masse, um die gleich gleiche Energie umzuwandeln wie bei einem großen Potential mit einer kleinen Masse.
Das Potential des Kraftfelds ist der Quotienten aus der umwandelbaren Energie und der Größe der beteiligten Masse. Mithilfe der Division erhält man eine allgemeine Aussage über das Potential eines Kraftfelds, unabhängig von konkreten Messwerten:
Ein Kraftfeld mit dem Potential kann mit 3 kg insgesamt 6 J umwandeln bzw. 2 J pro 1 kg beteiligter Masse. Werden später z.B. 5 kg verwendet, so können insgesamt 10 J umgewandelt werden. Die Autos sind also nur die Umwandler der Energie des Kraftfelds, nicht die Träger der Energie (Rucksackmodell). Beim elektrischen Feld entspricht die Spannung dem Potential des Kraftfelds, also der umwandelbaren elektrischen Energie im Verhältnis zur Größe der beteiligten Ladung. Ergänzungen:- Je länger die Bergstraße ist, desto geringer ist ihre Steigung und damit auch die Stromstärke der Autos.
- Unterteilt man die Bergstraße in zwei Abschnitte, werden die Verhältnisse der Reihenschaltung deutlich.
- Eine Animation zur Parallelschaltung findet unter Parallelschaltung (Potential-Modell)
Im Anschluss an diese Heranführung an den Spannungsbegriff kann die Spirale aufgewickelt und mithilfe des geometrisches Modellvon Michael Rode (s.a. MNU-Heft 2015-02)weiter bearbeitet werden.