Von Murmeln und Widerständen

Von Murmeln und Widerständen
Ph 9 / Gl
Ein einfaches mechanisches Analogon hilft, die Vorgänge in einem Stromkreis mit einem Widerstand
zu verstehen: Das Herabkullern von Murmeln auf einem schrägen Nagelbrett.
a) Ein Kind verleiht den Murmeln potentielle Energie, indem es sie vom tiefsten Punkt der Murmelbahn auf den
höchsten anhebt. Dabei verrichtet es Hubarbeit.
Ebenso verleiht eine Batterie Ladungen potentielle elektrische Energie, indem sie beim Trennen der Ladungen
(durch eine chemische Reaktion) elektrische Arbeit verrichtet, und die Ladungen so auf ein höheres elektrisches
Potential anhebt.
b) Die Murmeln werden durch das Gravitationsfeld der Erde
nach unten beschleunigt: Ihre potentielle Energie verwandelt sich in kinetische Energie, die ihrerseits durch Zusammenstöße mit den Nägeln auf dem Brett größtenteils
in Wärmeenergie umgewandelt wird. Durch die häufigen
Stöße erreichen die Murmeln nur eine kleine (im Mittel
konstante) Kuller-Geschwindigkeit.
Die Elektronen im Stromkreis werden durch das elektrische Feld zwischen Plus- und Minuspol
beschleunigt. Dabei wandelt sich ihre potentielle elektrische Energie zunächst in kinetische
Energie um, welche durch Zusammenstöße mit den Ionen im Metallgitter in Wärmeenergie verwandelt wird, da die Gitter-Ionen zu stärkeren Schwingungen angeregt werden. Wie
bei den Murmeln ist die kinetische Energie insgesamt vernachlässigbar klein, da die Driftgeschwindigkeit der Elektronen aufgrund der häufigen Zusammenstöße nur wenige Millimeter
pro Sekunde beträgt.
So wie die Murmeln sich freiwillig nur von hohem Gravitationspotential (große Höhe) in Richtung
niedrigeres Gravitationspotential (kleinere Höhe) bewegen, fließt auch der Strom stets nur von hohem zu niedrigem Potential (technische Stromrichtung vorausgesetzt!).
Weiterhin kann man hier sehr schön erkennen, dass nur Potentialdifferenzen entscheidend für die
Energieumsetzung sind! Es ist egal, ob das Murmelbrett im Keller oder auf dem Dach eines Hochhauses steht: Für die Energie der Murmeln ist nur der Höhenunterschied zwischen der Ober- und
Unterkante des Brettes ausschlaggebend (solange g = konstant).
Abschließend muss man auch hier festhalten: “Nicht alles was hinkt, ist ein Vergleich.” :-)
So bleibt im Murmel-Modell z.B. unberücksichtigt, dass sich die Elektronen im Stromkreis alle
gegenseitig beeinflussen, da sie durch ihr eigenes elektrisches Feld stets miteinander wechselwirken.