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Ladung, Strom und Spannung

Elektronenüberschuss und Elektronenmangel

Sehen wir uns nun das rechte Bild an:

Abb.1

Links haben wir mehr negative Ladungen (Elektronen) als positive, also einen negativen Ladungsüberschuss (Elektronenüberschuss), und rechts sehen wir eine größere Menge positiver Ladung als negativer, also einen negativen Ladungsmangel (Elektronenmangel). Ein Elektronenmangel ist gleichzusetzen mit einem positiven Ladungsüberschuss.Die Elektronen sind hierbei beweglich, und die positiven Ladungen bleiben fest an ihren Plätzen. Ein Draht stellt die Verbindung zwischen den Ladungen her, allerdings ist dieser vorerst unterbrochen.

Was passiert nun, wenn man die Verbindung herstellt?

Genau, die Elektronen fließen von links nach rechts.

Abb.2

Aber warum fließen die Elektronen überhaupt von links nach rechts, und wie lange? Die Elektronen fließen aufgrund der gegenseitigen Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen und der gegenseitigen Abstoßung zwischen den Elektronen selbst. Da nur die Elektronen frei beweglich sind, werden sie vom positiven Ladungsüberschuss angezogen und bewegen sich nach rechts. Sie fließen dabei entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung, worauf wir später noch zu sprechen kommen.

Abb.3

Die Elektronen fließen so lange durch die Verbindung von links nach rechts, bis insgesamt keine Anziehungskräfte mehr auf die beweglichen Elektronen wirken, also der rechte und der linke Bereich nach außen elektrisch neutral erscheint. Es ist nun kein Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel mehr vorhanden.

Abb.4

Die Ladungsmenge auf der rechten Seite hatte zu Beginn bei unterbrochener Verbindung ein höheres Potenzial (Definition: Potenzial ϕ ist die Arbeit, um eine Probeladung von A nach B zu bringen.) als die Ladungsmenge auf der linken Seite. Denn wenn eine der positiven Ladungen beweglich wäre, würde sie von rechts nach links fließen. Das zeigt, dass eine positive Ladung stets vom hohen zum tiefen Potenzial fließt, wie das Wasser in unserem Modell, da rechts das Potenzial höher ist als links. Die Elektronen fließen als negative Ladungsträger in umgekehrte Richtung, also von links nach rechts, und damit stets vom niedrigen zum hohen Potenzial. Dadurch verringert sich der Potenzialunterschied, also die Potenzialdifferenz, da ein Ladungsausgleich stattfindet. Diese Potenzialdifferenz U = ϕ 0 ϕ 1 haben wir im vorherigen Lernmodul als elektrische Spannung U bezeichnet.

Wir stellen also fest, dass die Potenzialdifferenz, und somit die elektrische Spannung, Ursache für das Strömen der Elektronen ist. Ist keine Potenzialdifferenz beziehungsweise keine Spannung mehr vorhanden, so fließen auch keine Elektronen mehr.

Die Einheit der elektrischen Spannung U ist 1 Volt, was mit 1 V abgekürzt wird (Alessandro Volta).

Abb.5

Mit dieser Gegenüberstellung kann man sich schon gut vorstellen, was mit Spannung gemeint ist. Beim Wassermodell sorgt die Druckdifferenz für den Antrieb des Wassers beziehungsweise der Wassermoleküle, und in der Elektrizitätslehre sorgt die Potenzialdifferenz für den Antrieb der Elektronen.

Hinweis
Hierbei ist aber noch anzumerken, dass die Druckdifferenz nur aufgrund der Schwerkraft der Erde existiert, also das Gravitationsfeld die eigentliche Ursache des Antriebes des Wassers ist. Beim Modell der Elektrizitätslehre sorgen die getrennten Ladungen, also ein elektrisches Feld, für den Antrieb der Elektronen. Dieses elektrische Feld ist aber im Gegensatz zum Gravitationsfeld der Erde nicht immer vorhanden, sondern war vorher durch Trennung der Ladungen erzeugt worden.
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