Batterien in Reihe-Kurzschluß? < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
|
Hallo,
ich hab gerad einen Knoten im Gehirn wegen folgender Sache:
Wenn ich zwei Batterien in Reihe schalte, so addieren sich die Spannungen zur Gesamtspannung. Theoretisch würde ich aber einen Kurzschluss erwarten, wenn ich die beiden Pole, wie es Schaltzeichen für die Batterie nahe legt, als Potentiale ansehen und somit eine Potentialdifferenz zwischen - und + besteht [mm] \--EGAL [/mm] welchen Plus und Minus Pol betrachte. Warum gibt es also keinen Kurzschluss, wenn ich + -- Pol von Batterie A mit - -- Pol von Batterie B verbinde?
Wär super, wenn mir da jemand weiterhelfen könnt!
P.S.: Ich hab auch schon in anderen Foren nach einer guten Antwort geschaut und mehr als [mm] $\approx$ [/mm] "das is halt so, lerns einfach auswendig, fertig" nicht gefunden. Letzteres reicht für mich leider nicht aus, da ich Physik-Lehrer werden möchte.
Vielen Dank im Voraus,
Lorenz
|
|
| |
|
Hallo!
Das "ist halt so" ist eine sehr gefährliche Begründung, die übrigens auch unter Lehrern weite Verbreitung findet (Und erst unter Lehramtstudenten ohaoha...)
In einer Stromquelle gleich welcher Art findet immer eine Ladungstrennung statt, sodaß die gesamte Batterie an sich wieder neutral ist. Die Elektronen auf der einen Seite sind bestrebt, auf die andere Seite der selben Batterie zu gelangen, wo ja Elektronenmangel herrscht. Wichtig ist, daß die versuchen, auf die andere Seite der gleichen Batterie zu gelangen. Der Pluspol einer anderen Batterie ist ihnen völlig egal, sodaß du unterschiedliche Pole unterschiedlicher Batterien einfach verbinden kannst.
Du erinnerst dich vielleicht an die Elementarzelle? Da waren zwei Flüssigkeiten, in die zwei Metallstäbe ragen, und zwischen den Metallstäben entsteht dann eine Spannung bzw. wenn man sie verbindet ein Stromfluß. Damit das ganze funktioniert, müssen die beiden Flüssigkeiten sich aber durch eine Membran berühren können. Ohne diese Berührung zwischen den beiden Flüssigkeiten gibt es keine Spannung, folglich auch nicht zwischen den Metallstreifen zweier getrennter Elementarzellen.
|
|
|
| |
|
Hallo Sebastian,
herzlichen Dank für die schnelle und ausfühliche Reaktion.
... ja genau so ein Lehrer möcht ich nicht werden...
Also ich schau mir gerad noch mal bei Wikipedia nen Bild vom Galvanischen Element an. Da scheint ja dann wohl der Knackpunkt zu sein. Habs allerdings immer noch nicht verstanden um ehrlich zu sein...
Kannst mir das vielleicht auch noch erklären?
Lieben Gruß,
Der langsamdenkende Lorenz
|
|
|
| |
|
Hi!
Der Schlüssel liegt in dieser Aussage:
Werden die zwei Elektroden nun also elektrisch leitend verbunden, so entsteht zwar eine Spannung, aber es fließt noch kein Strom. Der Grund dafür ist, dass in der Kupfersulfatlösung ein Überschuss an Cu2+-Ionen entsteht und die Lösung sich stark positiv auflädt, was verhindert, dass sich weitere Kupferatome lösen können.
Ähnliches passiert mit der Silbernitratlösung, welche sich negativ auflädt, da vom neutralen Silbernitrat nur die negativ geladenen Nitrat-Ionen übrig bleiben (während sich die positiven Silberionen an die Silberelektrode anlagern, indem sie dort jeweils ein Elektron aufnehmen).
Wenn du also den Strom nen kleinen Moment fließen läßt, entstehen auf der Cu-Seite jede Menge Cu^+ -Ionen, da die Elektronen dort wegwandern. Auf der anderen Seite werden die Ag^+ -Ionen aus der Lösung herausgefischt, sie reagieren mit den Elektronen zu metallischem Silber. Die Zellen sind dann aber nicht mehr elektrisch neutral, denn die negativen Sulfat- und Nitrationen bleiben in ihrer Anzahl ja gleich. Es baut sich also in den Lösungen eine Ladung auf, und das führt zu einer Gegenspannung, der Stromfluß bricht sehr schnell zusammen. Durch die Salzbrücke können die Ionen zwischen beiden Lösungen wandern, dann entsteht keine Gegenspannung, und die Elektronen fließen schön.
Oder anders: Elektronen und Ionen reagieren an den Metallplatten. Währen die Elektronen durch eine elektrische Leitung zur anderen Seite wandern, wandern die Ionen durch diese Verbindung zwischen den Lösungen.
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Antwort) fertig  | | Datum: | 22:15 So 08.02.2009 | | Autor: | chrisno |
Mir ist eines bei Deiner Frage noch nicht klar:
Für mich macht das den Eindruck, als ob Du einen absoluten Bezugspunkt für alle Potentiale annimmst.
Den gibt es aber nicht. Eine Baterie erzeugt nur eine Potentialdifferenz. Nun wird zum Beispiel der Minuspol der ersten Batterie als Potential Null definiert. Dann ergibt sich für den Pulspol z.B. 1,5 V.
Wenn Du nun irgend etwas an diesen Punkt anschließt, dann hast Du Dich festgelegt, dass dieser Punkt auf 1,5 V liegt.
Ist es also der Minuspol einer weiteren Batterie, dann kann er nicht mehr auf 0 V liegen. Um ihn bei 0 V anzuschließen, müsstest Du ihn nun an den Minuspol der ersten Batterie hängen, anderswo gibt es die 0 V nicht mehr.
Wie passen die Analogien Druckdifferenz und Höhenunterschied zur Spannung zu Deiner Frage?
Was würde dann mit zwei hintereinander geschalteten Pumpen passieren? Was mit zwei Etappen bei einer Bergwanderung?
|
|
|
| |
|
Hallo chrisno,
nun ja ich versteh leider (hoffentlich nur NOCH) nicht viel von Elektrizität, dies ist ein großer Schwachpunkt bei mir.
Ich versteh leider auch nicht, was Du meinst mit:
> Wenn Du nun irgend etwas an diesen Punkt anschließt, dann
> hast Du Dich festgelegt, dass dieser Punkt auf 1,5 V
> liegt.
> Ist es also der Minuspol einer weiteren Batterie, dann kann er nicht mehr auf 0 V liegen.
Das Problem ist eventuell, dass ich mir eine Batterie bisher wie einen aufgeladenen Kondensator vorgestellt habe.
Nun fragst Du Dich vielleicht, ob eine solche Vorstellung berechtigt ist. Nun ja, wenn ein Schüler bisher keine elektrische Quelle genauer kennt, dann wird er sich nur an die Einstiegsstunde zur Elektrizität erinnnern können, wo man einen Plastikstab an einem Fell reibt und diese Gegenstände danach schnell von einander trennt und somit einen Potentialunterschied zwischen Fell und Stab erzeugt. Dies ist bis dato die einzige elektrische Quelle die er verstehen könnte. Und ich bin anscheinend auch noch auf diesem Niveau gewesen.
Und in diesem Modell macht es Sinn, dass ein Kurzschluss entsteht, wenn man zwei verschiedene Pole zwei gleicher Batterien miteinander verbindet, da ja die Batterien als baugleich angenommen werden, also die gleichen Eigenschaften, also die gleichen Ladungen auf beiden Seiten tragen.
Lieben Gruß,
Lorenz
|
|
|
| |
|
Hallo!
>
> Ich versteh leider auch nicht, was Du meinst mit:
>
> > Wenn Du nun irgend etwas an diesen Punkt anschließt, dann
> > hast Du Dich festgelegt, dass dieser Punkt auf 1,5 V
> > liegt.
> > Ist es also der Minuspol einer weiteren Batterie, dann
> kann er nicht mehr auf 0 V liegen.
Nun, am besten paßt wohl Chrisnos Analogon mit den Wasserpumpen.
Eine Pumpe erzeugt eine Druckdifferenz von 1,5 Bar zwischen Einlass und Auslass.
Wenn du eine Leitung hast, der du den absoluten Druck von 0 Bar zuweist, und eine Pumpe anschließt, bekommst du an deren Auslass 1,5Bar absolut. Eine weitere Pumpe, angeschlossen an die erste, würde den Druck ihrerseits um 1,5Bar erhöhen. Du bekommst einen GEsamtabsolutdruck von 3,0 Bar. Aber solange das Wasser hier auch noch nicht im Kreis gepumpt wird, gibts keinen Kurzschluß.
Du kannst die zweite Pumpe aber auch verkehrt rum montieren. Dann arbeiten die beiden Pumpen gegeneinander, und am Ende gibst wieder einen absoluten Druck von 0,0 Bar. Es fließt aber kein Strom!
> Das Problem ist eventuell, dass ich mir eine Batterie
> bisher wie einen aufgeladenen Kondensator vorgestellt habe.
> Nun fragst Du Dich vielleicht, ob eine solche Vorstellung
> berechtigt ist.
Eine Batterie ist einem Kondensator eigentlich sehr ähnlich. Unterschiede sind, daß die elektrische Ladung in der Batterie quasi in chemischen Verbindungen gespeicher wird, während der Kondensator das rein physikalisch macht. Die Batterie hat eine weitaus höhere Kapazität und einen höheren Innenwiderstand. Ein weiteres Merkmal eine Batterie ist, daß ihre Spannung bei Stromfluß lange Zeit relativ konstant bleibt, während die Spannung eines geladenen Kondensators proportional zur entnommenen Ladung abnimmt.
Für deine Frage hier ist es egal, ob du dafür Batterie oder Kondensator hernimmst.
> Nun ja, wenn ein Schüler bisher keine
> elektrische Quelle genauer kennt, dann wird er sich nur an
> die Einstiegsstunde zur Elektrizität erinnnern können, wo
> man einen Plastikstab an einem Fell reibt und diese
> Gegenstände danach schnell von einander trennt und somit
> einen Potentialunterschied zwischen Fell und Stab erzeugt.
> Dies ist bis dato die einzige elektrische Quelle die er
> verstehen könnte. Und ich bin anscheinend auch noch auf
> diesem Niveau gewesen.
> Und in diesem Modell macht es Sinn, dass ein Kurzschluss
> entsteht, wenn man zwei verschiedene Pole zwei gleicher
> Batterien miteinander verbindet, da ja die Batterien als
> baugleich angenommen werden, also die gleichen
> Eigenschaften, also die gleichen Ladungen auf beiden Seiten
> tragen.
OK, versuchen wir das mit Elektrostatik.
Ich nehme mal den etwas ungewöhnlichen Kugelkondensator, weil die Mathematik dahinter recht einfach ist, im Grunde ist die Form jedoch egal.
Ein Kugelkondensator besteht aus zwei Hohlkugeln mit gemeinsamem Mittelpunkt. Die Kapazität ist
$C=4 [mm] \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} \frac{1}{ \frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2}}$
[/mm]
Aber auch eine einzelne Kugel hat eine Kapazität. Die bekommt man, indem man sagt, daß die äußere Kugel eines Kugelkondensators extrem weit weg sei: [mm] R_2\to\infty [/mm] und damit:
$C=4 [mm] \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}R_1$
[/mm]
Angenommen, wir haben eine Kugel von 5cm Radius und eine von 5,01cm Radius. Da paßt grade ein Blatt papier als Isolierung dazwischen. Dann hat das eine Kapazität von [mm] 2,8*10^{-9}F [/mm] .
Eine einzelne Kugel von 5cm hat etwa [mm] 5,6*10^{-12}F [/mm] . Du siehst, die Kapazität ist viel kleiner.
Und das heißt: Damit die gleiche Spannung auf einem Kugelkondensator und einer Kugel liegt, muß man nur wenig Ladung auf die Kugel bringen, aber sehr viel auf den Kondensator.
|
|
|
| |
|
Hallo Sebastian,
nochmals herzlichen Dank für Deine weiteren detaillierten Erklärungen!
Hab sie mir schon ein paar mal durchgelesen, aber wenn ich mal ehrlich bin: ich versteh es bisher immer noch nicht recht, werds aber weiter probieren. Seh es halt bisher so, dass die beiden Pole der Batterie jeweils eine Kondensatorplatte sind und zwei Batterien stehen für zwei geladene Kondensatoren. Und wenn ich nun die - bzgl. der anderen Platte- negative Platte des einen Kondensators mit der mehr positiv geladenen Platte des anderen Kondensators verbinde, dann fließen doch Ladungen von der negativen zur positiven - oder verhindert das elektrische Feld innerhalb des Kondensators den Entladungsfluss?
Naja wie auch immer, kann dieses Unverständnis eigentlich nicht loslassen, aber ihr habt mir schon genug versucht zu helfen und dies weiß ich sehr zu schätzen, deshalb trotzdem dickes Dankeschön!!
Lieben Gruß,
Lorenz
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 23:00 Mo 09.02.2009 | | Autor: | chrisno |
> positiven - oder verhindert das elektrische Feld innerhalb
> des Kondensators den Entladungsfluss?
Da bist Du auf dem richtigen Weg.
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Frage) beantwortet  | | Datum: | 22:50 Di 10.02.2009 | | Autor: | chrisno |
Ich möchte das noch etwas weiter diskutieren. Ich denke, dass unter idealisierten Bedingungen, sich nichts an der Ladung eines Kondensators ändert, wenn er nur mit einer Platte angeschlossen ist, egal woran er angeschlossen ist. Für den praktischen Fall wäre dass ein Kondensator, dessen eines Anschlusskabel in der nichtleitenden Luft hängt. Liege ich da verkehrt?
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Antwort) fertig | | Datum: | 13:21 Mi 11.02.2009 | | Autor: | leduart |
Hallo
Es kommt darauf an, wie du deinen Kond. aufgeladen hast.
Vors. am Anfang beide Platten verbinden, Anfangszustand U=0
a) wie oben geschildert: Stab reiben (neg laden), Teil der Ladung auf eine Kondensatorplatte bringen, andere dabei nicht erden.
b)wie a) aber zweite Platte erden
c) an ein Netzgeraet ein Pol -, der andere geerdet,
d) Netzgeraet erdfrei (selten) ein pol +, der andere -
Je nachdem, was du danach tust, passiert verschiedenes.
dabei muss man jeweils auch beruecksichtigen , dass beim selben Kond. die Spannung U anliegt, +links,-rechts, wenn links 9*Q^- rechts 10*Q^- oder links 0.5Q^+, rechts 0,5Q^- sind usw.
Alles schlecht mit ner Batterie zu vergleichen.
Gruss leduart
|
|
|
| |
|
| Status: |
(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 13:24 Mo 09.02.2009 | | Autor: | leduart |
Hallo Lorenz
Auch wenn du 2 geladene Kond. verbindest, + mit - findet zwar ein Ladungsausgleich zwischen den 2 verbundenen platten statt (oder kann wenigstens) die Spannung stegt aber auch hier auf das doppelte (wenn sie vorher gleich war!
Vorstellung:
Kond 1 traegt die Ladungen Q1+ links, Q1- rechts.
Kond 2 das gleiche.
verbinde die rechte Platte von 1 mit der linken von 2.
Q1+ und Q1- gleichen sich aus.
es bleibt Q1+ auf dem linken, Q1- auf dem rechten. Der Abstand der Platten hat sich verdoppelt,(das leitende Zwischstueck zaehlt nicht) Spannung damit auch.
Schuelern eine Batterie wie einen Kondensator darzustellen denk ich aber ist ein fundamentaler Fehler. Ein Kondensator der "leer" ist traegt keine ladungen mehr. Die im Volksmund "leere" Batterie hat verbrauchte Elektroden,
der Vergleich Kondensator= Eimer voll Wasser, oder besser druckluftbehaelter mit bestimmtem Druck dagegen Batterie = Pumpe ist der einzig moegliche. Die pumpe enthaelt- wie die Batterie keine Wassermenge sondern treibt sie nur an.
natuerlich koennen 2 Wasserpumpen hintereinandergeschaltet doppelt so hoch pumpen wie eine!
Wenn nur du experimentierst:
Nimm ne Hochspannungsquelle, eine Seite geerdet, die andere auf 1 bis 5kV+
schliesse eine Batterie 4,5V (kein geerdetes Netzgeraet) mit einem Pol an, dann das uebliche Laempchen am anderen Pol und zurueck zu den +5kV. (die 5kV erst einschalten, wenn du fertig verdrahtet hast. das laempchen brennt ganz normal.
dasselbe mit ungefaehrlichen 20V, laempchen direkt angeschlossen geht futsch, so wie oben eben nicht,
Damit kriegt man eher ein Gefuehl fuer "Potential"
Wenn du auf einem Berg, 1000m hoch von einem Stuhl 0,6m hoch faellst, ist es nicht schlimmer als wenn du auf Meereshoehe von demselben Stuhl faellst. Den Schuelern klarmachen, dass es keine Spannung AN einem Punkt gibt, sondern nur ZWISCHEN 2 punkten ist wirklich wichtig.
Deshalb kann ein Vogel ja auch auf ner Hochspanungsleitung sitzen!
Gruss leduart
|
|
|
|
