Was ist elektrische Spannung wirklich?

Michel99 · Anmeldungsdatum: 10.02.2017 Beiträge: 26

Guten Tag, Willkommen

Zuerst zu meiner Person, da dies mein erster Beitrag ist und ihr wisst, mit wem ihr es zutun habt. Wen das nicht interessiert: einfach ein bisschen runterscrollen. Big Laugh

Ich beschäftige mich schon seit circa 2 Jahren intensiv mit Physik und allem was dazu gehört. Ich muss vorweg sagen, dass ich mir fast mein ganzes physikalisches Verständnis selbst aneignen musste, weil unser Bildungssystem vor allem in den Naturwissenschaften zu inkompetent ist, Lehrpläne so zu gestalten, dass Themen aufeinander aufgebaut sind und vollständig und absolut fachlich Korrekt dargestellt werden.
Ich bin grundsätzlich ein sehr neugieriger Schüler (momentan 12 Klasse) und leider können Lehrer auf viele meiner Fragen, die über den Unterricht hinausgehen aus zeitlichen Gründen oder weil sie selbst keine Antworten haben, nicht eingehen. Das ist sehr frustierend, wenn ich im Internet auch keine vollständigen Informationen finde. Ich freue mich deshalb schon sehr auf mein Physikstudium, von dem ich mir erhoffe, dass ich endlich Antworten bekomme. Man wird hier wahrscheinlich noch so manchen Beitag von mir finden.

Also nun zum eigentlichen Problem:
Ich habe zwar schon ein gutes Verständnis für den Elektromagnetismus bishin zur speziellen Relativität, aber trotzdem gibt es noch so manchen Begriff, dessen wahre Bedeutung mir noch verborgen bleibt bzw. so manche Einheit, die ich noch nicht richtig interpretieren kann. Einer davon ist die eigentlich ganz alltägliche elektrische Spannung, zusammen mit ihrer Definition.
Ich erkläre mir die Spannung bis jetzt wie folgt:

Eine elektrische Ladung Q erzeugt ein elektrisches Feld E. Das elektrische Feld ordnet jedem Punkt im Raum ein Skalar zu, dass die Stärke einer elektrischen Kraft F unabhängig von der Stärke der platzierten Ladung, auf die das Feld wirkt, anzeigt.
E=F/Q
Folglich gibt ein elektrisches Feld die Kraft pro Ladung an.

Damit eine Ladung in einem elektrischen Feld (nicht entlang einer Äquipotentiallinie) verschoben wird, muss man entweder Energie aufwenden oder es wird Energie frei. Nach der Definition der Energie ist sie das Wegintegral der Kraft F über einen Weg s bzw. das Skalarprodukt dieser beiden Vektoren. Somit ist die freiwerdende bzw. benötigte Energie W für eine Ladungsverschiebung:
W=Fs=EQs

Nun macht man etwas ähnliches, wie bei der Einführung des elektrischen Feldes, bei dem man die Kraft losgelöst von der Stärke Ladung über den Raum betrachtet. Man betrachtet auch die Energie losgelöst von der Stärke der Ladung über den Raum und definiert diese als elektrisches Potential (Phi). Man hat also äquivalent zu einem Feld, dass einem die Karft pro Ladung anzeigt ein weiteres Feld, dass einem die Energie pro Ladung anzeigt: Das Potentialfeld.
(Phi)=W/Q=Es da W=EQs
Dieses Potential ist ein wenig seltsam. Die Bedeutung der beiden Gleichungen erschließt sich mir noch nicht ganz. Hilfe

Und an dieser Stelle wird einfach gesagt eine Differenz zweier Potentiale eine Spannung U ist, also die Energie pro Ladung, die aufgewendet werden muss oder die frei wird, wenn eine Ladung um einen Weg innerhalb eines elektrischen Feldes verschoben wird. (?)
Beispiel: Wir platzieren eine Ladung ein einem elektrischenn Feld und lassen sie los: Die Ladung verliert ihr Potential und die Spannung zwischen dem Ausgangsort und dem Punkt, an dem sie sich zu den Zeitpunkten einer Messung befindet, wird in mechanische Energie umgewandelt, je nachdem wie stark die Ladung ist.
(Klassisches Beispiel ist immer: In einem homogenen elektrischen Feld zwischen zwei Kondensatorplatten mit dem Abstand d ist z.B. das maximale Potential:
(Phi,max)=E mit s=d
Die Spannung zwischen den beiden Potentialen der Kondensatorplatten im Potentialfeld ist (Phi,max)-(Phi0)=Ed-0=U)

Und an dieser Stelle nehmen alle meine Informationsquellen an, dass geklärt wäre, was eine Spannung ist. Jedoch scheinen sich eine Spannung in einem elektrischen Feld und die Spannung in einer elektrischen Schaltung zu unterscheiden.
Die Spannung in einer Schaltung ist unabhängig von der Länge der Kabel, obwohl das nach E*s nicht der Fall sein dürfte (bei gleichem Gesamtwiderstand trotz zusätzlicher leiterlänge) und wenn die Definition der Spannung aus der Betrachtung des Potentialfeldes und die Spannung in einer Schaltung wirklich das gleiche sind, dann müsste die Position eines Verbrauchers in einer Schaltung eine Auswirkungen auf dessen Energiezufuhr haben, da die Ladungen, die sich im Leiter bewegen, also die Elektronen, einen weiteren Weg zurückgelegt haben, bis sie am Verbraucher ankommen und nach W=EQs mehr Energie haben.
Ich weiß auch das man es hier mit konservativen Kräften zu tun hat. Also, dass die verrichtete Arbeit nur vom Anfangs- und Endpunkt der Bewegung abhängig ist. Also muss der Weg, der durch den Leiter zu z.B. einer Glühbirne eine Auswirkung darauf haben, wie hell sie ist (unabhängig vom höheren Gesamtwiderstand). Aber es ist allgemein bekannt, dass das totaler Quatsch ist und es vollkommen egal ist, ob ich eine Glühlampe weiter am Plus- oder Minuspol schalte.
Ein weiteres Problem: Angenommen wir haben eine Kugel aus leitendem Material und reiben z.B. eine PVC-Stange an ihr, um negative Ladung auf die Kugel zu befördern, dann hat diese eine Spannung!?? Und je nachdem wie hoch sie ist, sieht man bei einer Entladung durch die Luft einen Lichbogen bzw. Blitz. Und obwohl eine Spannung eine Differenz in einem elektrischen Potential ist, kann eine Ladung, die ihr elektrisches Feld selbst erzeugt ein Potential haben? Hammer

Also bitte ich darum, meine Denkfehler aufzuklären und mir zu erklärt, was eine Spannung in einer Schaltung oder an einem Kondensator bzw. an einem Blitz wirklich ist. traurig

Ps.: Mir ist es sehr wichtig, dass alles fachlich korrekt ist und ich verzichte auf jegliche Art des Vergleichs. Ich möchte hier bitte nichts über Wasserfälle oder dergleichen lesen.( Kotzen

) Falls ich irgendwo Dinge falsch darstelle, bitte ich darum, so pedantisch zu sein wie möglich. Jedes kleine bisschen ist extrem wichtig, damit keine Missverständnisse aufkommen.

Ich freue mich schon darauf mit der Community darüber zu diskutieren.
Fröhlich

MfG Michel grübelnd

Michel99 · Anmeldungsdatum: 10.02.2017 Beiträge: 26

Ein weiterer Gedanke:
Im Potentialfeld der Erde kann ich einen Objekt mit viel Gravitationspotentail von einem mit weniger unterscheiden, indem ich festselle, dass es sich höher befindet als das andere.
In einem elektrischen Potentialfeld kann ich genauso verfahren, also den Ort der Ladung betrachten und daraus das Potential ableiten. Wie kann ich jedoch in einer Spannungsquelle ein Elektron mit einem hohen elektrischen Potential von einem mit weniger unterscheiden?