Diskussion:Elektrischer Strom

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Archiv

ab 2003

Wie wird ein Archiv angelegt?

Dieser Artikel wurde ab Februar 2011 in der Qualitätssicherung Physik unter dem Titel „Elektrischer Strom“ diskutiert. Die Diskussion kann im Archiv nachgelesen werden.

Geschichte lückenhaft

Es fehlt der Einsatz des el. Stroms nach Erfindung der Batterie (Voltasche Säule#Bedeutung) für chemische Prozesse. Damals bahnbrechend! --jbn (Diskussion) 00:22, 12. Jul. 2016 (CEST)

Bedeutung der Basisgrößen

Das die Basisgrößen keine Bedeutung mehr haben ist mir neu, der Saure. Es gibt Basisgrößen und abgeleitete Größen. So wie es dasteht ist auch o. k. --Eisenbahn%s (Diskussion) 15:07, 5. Apr. 2020 (CEST)

Ich habe nochmal darüber nachgedacht und eine Verwechselung festgestellt, sorry. Es gibt doch 7 Basisgrößen: Eine SI-Basisgröße kann definitionsgemäß nicht durch andere Basisgrößen ausgedrückt werden. Jede Basisgröße bekam eine Basiseinheit.

Seit Mai 2019 gibt es sieben exakt festgelegte Natur­konstanten. Aus diesen ergeben sich gleichermaßen alle Einheiten,– anders als früher, als die Basiseinheiten exakt festgelegt waren und damit herausgehoben waren. Siehe Internationales Einheitensystem#Definition der SI-Einheiten. Also nur für die Einheiten braucht es keine Basiseinheiten zu geben. --der Saure 17:23, 5. Apr. 2020 (CEST)

Energietransport

Im Artikel fehlt komplett die Erklärung, wie der Energietransport durch elektrischen Strom zustande kommt. Die kinetische Energie der Elektronen (die extrem leicht sind und deren Nettogeschwindigkeit im Bereich von mm/s liegt) erklärt nicht mal im Ansatz, wie beispielsweise 1000W elektr. Leistung durch ein gewöhnliches, dünnes Kabel übertragen werden können (die Antwort ist leider kompliziert - Felder halt). Das sollte doch ergänzt werden, oder? --134.109.48.134 14:42, 13. Jan. 2023 (CET)

Eine erste Antwort: Die Argumentation mit der Leistung ist unglücklich, weil diese auch von der elektrischen Spannung abhängt. Der elektrische Strom ist Ladungstranport und nicht Energietransport. Für diesen Strom gibt es eine Begrenzung durch die zulässige Elektrische Stromdichte. Dort im Abschnitt "Stromdichte in Leitungen" findest du den Hinweis auf die zwar geringe Geschwindigkeit, aber auch auf die hohe Dichte der Elektronen von etwa 10¹⁹ mm⁻³. Vielleicht reicht dir der Hinweis auf den angegebenen Artikel.

Immerhin, dadurch dass du auf die Leistung verweist, siehst du auch, dass die Energie eben keine mechanische Energie ist, sondern eine elektrische Energie: Eine Bewegung der Ladungsträger gegen eine Spannung. --der Saure 15:42, 13. Jan. 2023 (CET)

Wenn man tiefer gräbt, wird es aber wieder kompliziert. ZB ist im Innern eines (idealen) Leiters ja die Feldstärke Null, da wird überhaupt keine Arbeit geleistet. Und auf der Oberfläche steht die Feldstärke senkrecht, also auch keine Arbeit. Heißt es nicht irgendwo (aber wo bloß?), dass das außerhalb erzeugte Feld die Energie transportiere - und der Leiter sei nur fürs Hervorbringen der dafür geeigneten Randbedingungen zuständig? --Bleckneuhaus (Diskussion) 16:54, 13. Jan. 2023 (CET)

Ja, genau. Tatsächlich finde ich die Frage, die von dem anonymen Nutzer in die Diskussion eingebracht wurde außerordentlich wichtig und nachdenkenswert. Zwar hat Benutzer:Saure recht, wenn er sagt, dass der elektrische Strom zunächst nur Ladungstransport und kein Energietransport ist, vor allem wenn man die Definition der elektrischen Stromstärke (also der zugehörigen physikalischen Größe) betrachtet. Allerdings geht es in diesem Strom Artikel um das Phänomen und nicht um die Größe. Auch wenn die Bewegung der Ladungsträger nicht die vollumfängliche Erklärung für den Energietransport ist, so ist sie doch eine notwendige Voraussetzung dafür. Deswegen finde ich sehr wohl, dass über dieses Thema in dem Artikel gesprochen werden. Das kann ausführlich sein, oder recht knapp mit dem Verweis auf einschlägige Wikipedia-Artikel.--Pyrrhocorax (Diskussion) 19:12, 13. Jan. 2023 (CET)

Übrigens: Auch wenn das jetzt nicht als Quelle für den Artikel gedacht ist: Es gibt über dieses Thema zwei sehr interessante youtube-Videos von Veritasium "The big misconception about electricity" und "How electricity actually works" und etliche Reaktionen auf youtube darauf. Ich finde es sehr lehrreich, sich damit zu beschäftigen. --Pyrrhocorax (Diskussion) 19:12, 13. Jan. 2023 (CET)

Interessante videos, beide. Das dort genannte Buch (Matter & interactions , von Ruth W. Chabay; Bruce A. Sherwood ) habe ich per Fernleihe bestellt. Die Erklärung mit den Oberflächenladungen hatte ich schon vor Jahr(zehnten) mal gehört. --Bleckneuhaus (Diskussion) 22:48, 13. Jan. 2023 (CET)

Als einzige deutsche Quelle habe ich bisher Bd 2 von Demtröders ExpPhys aufgespürt: S: 202 (Aufl. 2009) sagt:

"Die den Strom tragenden Elektronen bewegen sich mit der sehr kleinen Driftgeschwindigkeit vD (siehe Abschn. 2.2). Bei einem Strom von 10A durch einen Draht von 1mm2 Querschnitt ist vD ≈ 0,8mm/s. Das elektrische Feld und das Magnetfeld  des Stroms pflanzen sich aber beim Schließen des Stromschalters entlang dem Draht mit der Geschwindigkeit v = (εε0μμ0)^−1/2 fort. Die Energie wird daher durch das elektromagnetische Feld transportiert, nicht durch den materiellen Ladungstransport!"

Etwas detaillierter/expliziter wäre besser. --Bleckneuhaus (Diskussion) 13:30, 14. Jan. 2023 (CET)

Ladungs- und Energietransport - gute und notwendige Unterscheidung, danke. Aber wie schon gesagt, wenigstens einen Verweis auf den Energietransport müsste es auch in diesem Artikel geben, da definitiv eine thematische Überschneidung gegeben ist.

Übrigens, hier noch eine kleine Denksportaufgabe, die zeigt, dass man sich in diesem Zshg. gar nicht mit der Anzahl der Elektronen bzw. der Elektronendichte usw. befassen muss: Ein Verbraucher bezieht bei 230V z. B. einen (Gleich-)Strom von 10A durch einen 0,75mm² Kupferdraht. Es werden 230V x 10A = 2300W übertragen. Als absolute logische Obergrenze für alle sich bewegenden Elektronen pro Leiterquerschnitt nehmen wir einfach die komplette Masse des Leitermaterials (das ist bereits eine Übertreibung um mehr als Faktor 1000!). Jetzt stelle man sich den Impuls vor, den ein 0,75mm² Kupferdraht-Massenstrom mit 0,8mm/s erzeugt (zur leichteren Vorstellung folgendes Modell: flüssiges Kupfer wird durch eine 0,75mm² Düse mit 0,8mm/s in den schwerelosen Raum "gespritzt"; im Impuls des fort fliegenden Materials ist die verrichtete Arbeit gespeichert). Die tatsächlich übertragene Leistung von über 2kW lässt sich damit nicht im Entferntesten erklären. Mit anderen Worten: Die Nettobewegung der Elektronen spielt dabei quasi keine direkte Rolle, überhaupt nicht. --134.109.48.134 15:39, 16. Jan. 2023 (CET)

Da schüttest Du das Kind mit dem Bade aus. Dass die kinetische Energie keine Rolle spielt - klar. Aber Elektronendichte hat vor allem mit (el. ) Potential zu tun, und Spannung ist so etwas wie Druckgefälle. Strömungen gegen ansteigenden Druck transportieren Energie. --Bleckneuhaus (Diskussion) 18:07, 16. Jan. 2023 (CET)

"Strömungen gegen ansteigenden Druck transportieren Energie." Hmm, aber nee, diese Analogie trifft hier nicht zu. Man müsste sich immer wieder drauf beziehen, dass die Elektronen irgendwie Arbeit am Verbraucher verrichten und das ist nicht (immer) der Fall. Das Modell könnte man höchstens nutzen, um die Erwärmung eines Leiters zu erklären, wenn man im Bereich sehr hoher Stromdichten unterwegs ist und die ganze Energie letztendlich in Joule'sche Wärme innerhalb des Leiters umgesetzt wird (Glühbirnen).

Die (verlustarme) lichtschnelle Übertragung von elektr. Energie, welche annäherungsweise bei Hochspannung oder in Supraleitern erreicht wird, geschieht nahezu ausschließlich über Felder. Das genau zu erklären ist aber eine große Herausforderung, geschweige denn es anhand von Quellen genau zu belegen. Selbst das Veritasium Video kommt an einigen Stellen ins Straucheln. Z. B. sind die Grafiken der E- und B-Felder genau genommen nur für Wechselstrom zutreffend. Den Gleichstromfall zu erklären ist verrückterweise noch schwieriger. Naja, ich will hier nicht belehren, dafür ist die Wikipedia-Diskussion ja nicht da, wird mir immer wieder gesagt. --134.109.48.134 19:55, 16. Jan. 2023 (CET)

Ich stimme Dir ja voll zu, wollte mit meiner Antwort nur bemängeln, dass ausgerechnet die kinetische Energie der Elektronen hier das ungeeignet(st)e Beispiel ist. - Für eine gute (wikitaugliche) Beschreibung sehe ich mich selber nicht als besonders geeignet an, aber vielleicht schaffen wir es ja zusammen. Also zieh Dich bitte nicht zurück! - Zu den schwierig zu findenden Belegen könnte ich hoffen, dass alte Lehrbüchern (zB näher an der Bauzeit der Fern- und Transatlantikleitungen) oder vielleicht manches moderne Schulbuch was dazu sagt. --Bleckneuhaus (Diskussion) 20:30, 16. Jan. 2023 (CET)

In meinem Bücherschrank habe ich schon eine solche Spur entdeckt: Paul Karlson - "Du und die Natur" (1934, ein erstaunlich gutes populäres Buch!, mein erstes Physikbuch in Kindertagen überhaupt), beschreibt das auf S. 106/7 ganz richtig. (Das ist jetzt aber nicht als Beleg gedacht.) --Bleckneuhaus (Diskussion) 21:44, 16. Jan. 2023 (CET)

Ich will mal sehen, was ich im Regal finde. Aber zumindest die ersten Versuche brachten nichts. Kein Einstein (Diskussion) 22:20, 16. Jan. 2023 (CET)

Klingt interessant. Könntest Du vlt. mal kurz einen Auszug geben? Antwort: ist 1/2 Seite in Frakturschrift, da funktioniert mein freeOCR nicht. Da wird auch nur die Tatssache als solche beschrieben, keine hier brauchbare Erklärung. --Bleckneuhaus (Diskussion) 11:44, 17. Jan. 2023 (CET)

Okay. Hier ist übrigens einiges erklärt und weiter unten auch noch ein Buch verlinkt. Könnte geeignet sein. Ich hab das Buch aber nicht und auf die Schnelle in Google Books sind die wichtigen Teile nicht zugängig.

Erschwert wird das Ganze übrigens dadurch, dass diese ganzen Phänomene stark zusammenhängen. Sprich, das "Einteilen" in separate Wiki-Artikel statt alles in einen Aufsatz zu schreiben, machts schwerer. Die Natur interessiert sich halt nicht besonders für Kategorisierung... --134.109.48.134 23:28, 16. Jan. 2023 (CET)

Ein Unterkapitel Energietransport würde das doch hier leisten. Oder übersehe ich da was? --Bleckneuhaus (Diskussion) 11:44, 17. Jan. 2023 (CET)

Naja ein Unterkapitel wäre nicht ideal, da sich die Erklärungen über das Thema des elektr. Stromes hinaus bewegen und eigentlich kein "untergeordneter Aspekt" sind. Aber was besseres fällt mir auch nicht ein, außer vlt. ein eigener Artikel. --134.109.48.134 13:09, 17. Jan. 2023 (CET)

Im Artikel Poynting-Vektor ist eigentlich schon alles ausreichend beschrieben. --Reseka (Diskussion) 18:09, 17. Jan. 2023 (CET)

Mal ein Formulierungsvorschlag (um hier weiter zu kommen):

Der elektrische Strom wird vielfach (beispielsweise in der einführenden Literatur=) modellhaft als „Energieträger“ dargestellt, der die Energie von der Quelle zum Verbraucher transportiert. Zwar hat diese Betrachtungsweise einen enormen heuristischen Wert, gibt aber die tatsächlichen Verhältnisse nicht sehr zutreffend wieder. Das zeigt sich unter anderem darin, dass die Driftgeschwindigkeit der Elektronen viel zu gering ist, um den nahezu augenblicklichen Energietransport zu erklären. Zudem bleibt in der Modellvorstellung unklar, warum die Ladungsträger, die zum Verbraucher fließen, dorthin Energie liefern, während ein umgekehrter Energiefluss bei den zurückkehrenden Ladungsträgern nicht erfolgt. In Wirklichkeit wird die Energie im elektrischen Stromkreis durch die elektrischen und magnetischen Felder transportiert, die die Leitungen umgeben (siehe Poynting-Vektor). Der Strom hat in diesem Zusammenhang eher die Aufgabe, die Ausbreitung der Felder zu kanalisieren. 

Was haltet Ihr davon? --Pyrrhocorax (Diskussion) 14:55, 18. Jan. 2023 (CET)

Ja, ziemlich gut als Gerüst. Etabliert hat sich übrigens das Wort "vermittelt", wenn es um diesen Zusammenhang geht. Z. B.:

"Die Ladungsträger (Leitungselektronen im Fall metallischer Körper) vermitteln die Übertragung elektrischer Energie, in dem sie elektrische und magnetische Feldern in der Umgebung des Leiters hervorrufen. Die eigentliche Energie ist in diesen Feldern enthalten und wird durch Ausbreitung jener transportiert."

Sobald man mehr in die Tiefe gehen möchte wirds sehr frickelig, da wäre der Verweis auf den Poynting-Vektor angebracht; genau (wobei das Poynting-Modell viel umfassender ist, als nur den Energietransport durch elektr. Strom zu beschreiben und hierfür speziell betrachtet werden müsste, um dem Leser wirklich zu helfen). --134.109.48.134 15:22, 18. Jan. 2023 (CET)

Der Text von Pyrrhocorax mag ein guter Diskussionsbeitrag sein; als Formulierungsvorschlag kann ich ihn nicht ansehen. Außerdem bitte nicht in Nebensächliches ausweichen. Für den Ladungstransport gegen eine Spannung ist die Driftgeschwindigkeit, mit der da Elektronen andere Elektronen sozusagen inkompressibel und damit verzögerungsfrei („nahezu augenblicklich“) vor sich herschieben m. E. völlig belanglos. Auch das Problem „ein umgekehrter Energiefluss bei den zurückkehrenden Ladungsträgern“, nachdem sie im Verbraucher ihre Spannung abgebaut haben und spannungslos weiterfließen, bleibt mir rätselhaft. --der Saure 16:28, 18. Jan. 2023 (CET)

Ja, tatsächlich ging ich nicht davon aus, dass das, was ich da ins Blaue hinein geschrieben habe, sich so im Artikel wiederfinden würde, aber ich hatte den Eindruck, dass wir kurz davor waren, in der Diskussion den roten Faden zu verlieren. Zum letzten Punkt: Da wollte ich einfach einem häufigen Missverständnis vorbeugen. Dass einem physikalisch vorgebildeten Menschen (wie Dir) dieses Missverständnis nicht unterläuft, bedeutet ja nicht, dass es bei anderen Lesern völlig ausgeschlossen ist. Im Gegenteil: Ich befürchte, dass das verbreitete Modell dieses Missverständnis sogar begünstigt. Es sieht in etwa so aus: Ein Elektron, das von der Quelle zum Verbraucher läuft, unterscheidet sich von einem anderen Elektron, das den Rückweg nimmt, scheinbar nur in einem Punkt: In der Bewegungsrichtung. Es ist auf dieser Basis nicht einsichtig, warum das erste Elektron Energie mitbringt und das zweite nicht. Wohlgemerkt "auf dieser Basis", die vergisst, dass es auch noch die Felder bzw. Potentiale gibt. (Übrigens möchte ich auf dieses Modell im Physik-Unterricht dennoch nicht verzichten, weil es nach meinem Eindruck mehr Verständnis schafft, als es Missverständnis provoziert. So sind "Modelle" halt.) Das nur als Erläuterung, warum ich es so geschrieben habe. Ob das in den Artikel reingehört oder nicht, ist eine ganz andere Frage. --Pyrrhocorax (Diskussion) 00:48, 19. Jan. 2023 (CET)

Immerhin war dein Beitrag ein „Formulierungsvorschlag“.

Ich denke, dass es nicht schwierig ist, zu begreifen bzw. zu vermitteln, dass ein Elektron auf dem Hinweg unter Spannung steht, dann fällt diese Spannung am Verbraucher ab (Spannungsabfall so groß wie die Quellenspannung), dann hat das Elektron eben keine Spannung mehr auf dem Rückweg (unter den üblichen Idealisierungen wie verlustlose Leitung). Das ist einfach falsch, dass sich Hin- und Rückweg nur in einem Punkt, in der Bewegungsrichtung unterscheidet. (Besonders einfach vorstellbar beim Haushaltsstromnetz, bei dem eine Ader auf Erdpotential liegt.) Dazu braucht man genauso wenig physikalische Vorbildung wie beim Druck im Wasserkreislauf mit Rücklauf in der Kanalisation. --der Saure 10:20, 19. Jan. 2023 (CET)

Ich bin jetzt über die didaktischen Fallen bei der Erklärung des elektrischen Stroms nicht ganz aktuell bewandert, weiß aber noch, dass es da (in der Fachdidaktik) eine Menge Forschung zu gibt und dass das Modell des Elektronendrucks (aka Potential) analog zum Druck in einem Wasserkreislauf ziemlich erfolgreich benutzt wird (oder wurde?). Hin- und zurücklaufende Elektronen unterscheiden sich nicht nur durch die Bewegungsrichtung, sondern auch durch Druck bzw. Potential in ihrer Umgebung. Früher hieß "Druck" übrigens oft "Spannung", s. Entspannungsventil etc. (Der Unterschied liegt mE darin, dass der E-p-Rensor im Wasserkreislauf (wie ich nur vermuten kann) innerhalb des Wasserleiters ungleich Null ist und beim elektrischen Strom außerhalb des Elektronenleiters. Warum dieser Unterschied, das ist mir allerdings nicht klar.) - Als Quelle für ausführliche Behandlung habe ich das alte Lehrbuch Theoretische ELektrotechnik (1971) von Simonyi ausfindig gemacht (volle 3 Seiten ab S.60 ). --Bleckneuhaus (Diskussion) 12:31, 19. Jan. 2023 (CET)

Falls wer was zum Lachen braucht (und weils' thematisch so schön passt):

https://drive.google.com/file/d/1FgZhtIi38j0bmkVzTDe_mZlF2rqx-s1e/view

Dass hier 130 Jahre später immer noch der gleiche Käse breitgetreten wird, beweist wohl die Sinnlosigkeit mancher Diskussionen.--2003:EE:E709:F249:1BB:32FE:4941:E4BC 15:59, 19. Jan. 2023 (CET)

Danke! Sehr schönes paper (mir war diese GEschichte bisher unbekannt). Aber ich denke, hier liegen wir nicht so weit auseinander. Mein Bild: die Energie wird durch den Raum übertragen (Poynting-Vektor), um am "Verbraucher" als potentielle Energie der Ladungsträger zur Umwandlung bereit zu stehen (in Form von Spannungsabfall). Damit könnte ich mich mal an einen Textvorschlag wagen. --Bleckneuhaus (Diskussion) 21:54, 19. Jan. 2023 (CET)

Ich denke auch nicht, dass wir bzgl. Physik auseinander liegen (ich bin auch nicht die gleiche Person wie die obige IP).

Das Paper ist als allgemeiner Beitrag zur Diskussion gedacht, bzw. als Ergänzung zum Veritasium Video. Eigentlich unglaublich, wie der Typus des "Praktikers" es schaft eine Nische der Physik besetzt zu halten und die Deutungshoheit zu verteidigen (m. E. auch unter dem Deckmantel der Didaktik). --2003:EE:E715:BA57:7059:E06D:B7A7:8A7 07:41, 20. Jan. 2023 (CET)

Das war in Bezug auf die mechanische Resonanz in den Gebieten Maschinenbau, Brückenbau, Hochhausbau noch viel schlimmer. Nachzulesen hier. - Ich würde aber die Didaktik für die Mittelstufe nicht als Deckmantel sehen. --Bleckneuhaus (Diskussion) 13:10, 20. Jan. 2023 (CET)

Danke für das interessante paper! Ich bin kein Didaktiker und kann auch nicht beurteilen, ob der Artikel Physikdidaktik eine zutreffende Beschreibung liefert. Aber wenn ich dort lese "die Beschreibung der Welt in den Begriffen der Physik nur eine, nicht aber die einzig wahre Naturbeschreibung darstellt" suggeriert das zumindest meinem Gefühl nach, dass z.B. das Wassermodell für den Stromkreis gleichberechtigt neben den Maxwellgleichungen steht. --2003:EE:E715:BA57:E4EE:D5C3:EB9C:6D86 17:43, 20. Jan. 2023 (CET)

Zurück zum aktuellen Anlass: ich habe in Poynting-Vektor einen neuen Abschnitt eingefügt: === Energiefluss im Stromkreis === . Bitte prüfen/verbessern/ etc. M.E. gehört das Thema dorthin, und dann kann man von hier darauf verweisen --Bleckneuhaus (Diskussion) 21:54, 20. Jan. 2023 (CET)