Was genau ist Masse?

[-N-O-F-X-]

Was nach deiner letzten Aussage ja schon wieder nicht sein kann. Ich gehe mal davon aus, wir können uns darauf einigen dass diese zwei Punkte nicht einfach so, sim-sala-bim, auf dem gleichen Potential sind. Wenn wir davon ausgehen, und das ist am wahrscheinlichsten, dass diese zwei Punkte vor dem Verbinden nicht auf dem gleichen Potential waren muss ja im Moment des Verbindens ein Ausgleich stattfinden. Das widerspricht aber der Aussage dass dies nur zwischen zwei Punkten des gleichen Systems passieren kann.
Ist meine Verwirrung etwas nachvollziehbar?

Ich melde mich doch nochmal zu Wort, weil ich denke, dass ich hier helfen kann: Der entscheidende Punkt in der Aussage von HenrySalayne ("Wenn zwei Punkte elektrisch verbunden werden (durch einen guten Leiter), befinden sie sich auf gleichem Potential.") steht in der Klammer. Zwei Punkte können auch im gleichen System sein ohne dass sie elektrisch durch einen guten Leiter verbunden sind, beispielsweise wenn ein Widerstand dazwischengeschaltet ist. Verbunden durch einen guten Leiter heißt für mich, dass es im Schaltbild einen Kurzschluss zwischen diesen zwei Punkten gibt, also eine Leitung ohne Bauteile dazwischen.

 

[walking gills]

@vegan, ich sehe auch nicht, woran genau dein Verständnis hängt, also würde ich mich mal auf das elementare Beispiel mit den zwei Batterien beschränken. Wenn ich dich richtig verstanden habe, verstehst du was bei Reihenschaltung passiert, nicht aber, warum du keine Spannung zwischen dem Pluspol der einen und dem Minuspol der anderen Batterie bekommst, richtig?

Weißt du denn, wie eine galvanische Zelle funktioniert? Überleg dir mal, was passiert, wenn du zwei Zellen hast und den Pluspol der einen mit dem Minuspol der anderen verbindest.

 

[vegan]

Das Problem ist dass sich die Erklärungen, so sieht es für mich aus, gegenseitig widerlegen. Wenn das eine ist, kann das andere nicht sein und umgekehrt.
Ich versuche dass nochmal aufzuschlüsseln.
Gehen wir mal davon aus eine Potentialdifferenz kann NUR, NUR, NUR und AUSCHLIEßLICH innerhalb EINES Systems existieren und mit dem Gegenpol interagieren (Batterie).
Aussagen wie "wenn man den -Pol an Masse anschließt hat er automatisch das selbe Potential" lasse ich nicht gelten. Warum? Unsere heilige Mutter Erde und ihre Naturgesetze setzen zwangsläufig eine Interaktion der neu in Kontakt gekommenen Systeme -Pol und Masse voraus. Es klingt für mich nach einer allgemein anerkannten Wissenslücke wenn man einfach davon aus geht dass ich ein System (Batterie) mit einem anderen System (Masse) in Kontakt bringe, der Himmel tut sich auf und Gott spricht hernieder "Diese zwei Systeme sind von nun an auf dem gleichen Ladungsniveau." Da muss doch irgendwas passieren, verdammt. Es ist für mich nicht denkbar dass diese zwei, vor dem Verbinden unabhängigen Systeme auf dem gleichen Potential gewesen sind. Auch wenn es nur eine geringe Differenz gab aber es muss doch irgendeine Form des Ausgleichs stattgefunden haben, im Moment des Verbindens, damit diese zwei Systeme jetzt auf dem gleichen Potential sind. Jedoch kann das ja angeblich nicht sein, weil sich Ladungen nur innerhalb eines Systems ausgleichen können.
Also irgendwie ergibt das alles keinen Sinn für mich.


Ja, galvanische Zelle ist klar aber ich finde die galvanische Zelle, weil sie auf chemischen Prinzipien beruht, für das allgemeinen Verständnis nicht sehr hilfreich.

 

[HenrySalayne]

Sie sind nicht auf dem gleichen Ladungsniveau, nur auf gleichen Potential. Stell dir eine Reihenschaltung von Plattenkondensatoren vor. Dann siehst du auch, woher die Kraft kommt, die die Elektronen durch die Leiter pumpt: das Elektrische Feld.
Wie bereits gesagt: Ladung und Spannung/Potential ist nicht das Gleiche!

 

[vegan]

Aber gleiches Ladungsniveau ist doch ein gleiches Potential, oder was?
Potentialunterschied = Trennung der Ladungsträger
Je mehr Ladungsträger getrennt, umso höher der Potentialunterschied, umso höher die Spannung. Daraus folgt je unterschiedlicher die Ladungsniveaus umso höher die Spannung, je gleicher die Ladungsniveaus umso weniger Spannung.

 

[HenrySalayne]

Elektrische Influenz ist ein Begriff? Du hast auf einem leitenden Material eine Ladungstrennung, aber das Teil ist elektrisch neutral; man kann keine Spannung darauf messen. Gleiches passiert kongruent am Plattenkondensator, wenn innere Platten elektrisch leitend verbunden sind, aber im Feld der äußeren Platten liegen.

 

[jw-lighting]

Aber gleiches Ladungsniveau ist doch ein gleiches Potential, oder was?

Nein! Nein, nein!

Ich habe den Eindruck, du hast von wem auch immer Halbwissen mit bekommen, was es dir jetzt schwer macht unsere Antworten zu verstehen. Dazu kommt, dass hier auch viel Halbwissen geschrieben wurde
Solange wir nicht wissen, wo der entscheidende Knoten in deinem Kopf ist, werden wir dir deine Frage nach dem Warum? auch nicht beantworten und in Klarheit auflösen können.
Nimm es nicht persönlich, aber ich denke du "verrennst" dich da ein wenig. Manchmal ist es hilfreich, alles bisher "verstandene" beiseite zu legen und bei null neu zu beginnen. Versuche mal einen Reset

Daher stelle ich dir ein paar Fragen. Ich hoffe in deinen Antworten dann erkennen zu können, wo dein Knoten ist, OK? Wenn du etwas nicht beantworten kannst, versuche mal zu beschreiben, was dir zur Antwort fehlt.

Was ist Strom?

Was ist Spannung?

Welchen mathematischen Zusammenhang gibt es zwischen Strom und Spannung?

Wann entsteht elektrische Spannung?

Kannst du die kirchhoffschen Gesetze erklären?

Wenn du den Minuspol eines 9V-Block und einer 1,5V-AA-Batterie verbindest und dann zwischen den beiden Pluspolen misst, was zeigt dein Messgerät an? Wo fliesst dann ein Strom?

 

[vegan]

Was ist Strom?

Strom ist die Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter.

Was ist Spannung?

Spannung ist die Energie/ der "Druck" mit dem die Ladungsträger durch den Leiter bewegt werden.

Welchen mathematischen Zusammenhang gibt es zwischen Strom und Spannung?

Im Bezug auf was? Widerstand, Leistung? Gleichstrom, Wechselstrom? Reihe, parallel?

Wann entsteht elektrische Spannung?

Elektrische Spannung entsteht durch die Trennung von + und - Ladungsträgern. Je größer die Differenz umso höher die Spannung und somit der "Druck" mit dem die Ladungsträger zum anderen Pol bewegt werden, um sich auf ein neutrales Ladungsniveu auszugleichen.

Kannst du die kirchhoffschen Gesetze erklären?

Naja, im Grundsatz ja.
- Alle Teilspannung in einer Masche ergeben zusammen 0.
- Alle aus- und eingehenden Ströme eines Knotenpunktes ergeben zusammen 0.

Wenn du den Minuspol eines 9V-Block und einer 1,5V-AA-Batterie verbindest und dann zwischen den beiden Pluspolen misst, was zeigt dein Messgerät an? Wo fliesst dann ein Strom?

Also ich hatte keine voll geladen mehr zur Hand deshalb habe ich folgende Werte gemessen.
9 V -> 6,14 V
1,5 V -> 1,24 V
Minus an Minus, zwischen den Pluspolen gemessen -> 4,89 V
Also grob gerechnet stelle ich fest dass zwischen den Pluspolen die Spannung 6,14 - 1,24 = 4,9 verläuft/ abfällt.
Warum das so ist, hat bei mir noch nich klick gemacht. Also warum zwischen den Pluspolen 4,9 V abfallen ist schon klar, weil das ja die Netto-Ladungstrennung zwischen diesen beiden Polen ist aber wie hängt das mit masse zusammen?

 

[HenrySalayne]

Elektrische Spannung entsteht durch die Trennung von + und - Ladungsträgern. Je größer die Differenz umso höher die Spannung und somit der "Druck" mit dem die Ladungsträger zum anderen Pol bewegt werden, um sich auf ein neutrales Ladungsniveu auszugleichen.

Was genau ist die Differenz? Die Menge der Ladungsträger? Oder die Größe der räumlichen Trennung?

Also ich hatte keine voll geladen mehr zur Hand deshalb habe ich folgende Werte gemessen.
9 V -> 6,14 V
1,5 V -> 1,24 V
Minus an Minus, zwischen den Pluspolen gemessen -> 4,89 V
Also grob gerechnet stelle ich fest dass zwischen den Pluspolen die Spannung 6,14 - 1,24 = 4,9 verläuft/ abfällt.
Warum das so ist, hat bei mir noch nich klick gemacht. Also warum zwischen den Pluspolen 4,9 V abfallen ist schon klar, weil das ja die Netto-Ladungstrennung zwischen diesen beiden Polen ist aber wie hängt das mit masse zusammen?

Es geht hierbei nicht um die Masse, sondern darum, was genau ein Potential ist.
Das du zwischen den Klemmen die Differenz der beiden Spannungen misst, weißt du ja schon (7,5 V).
Was passiert aber, wenn du dort einen Verbraucher einsetzt? Wie fließt dann der Strom? Kannst du dir das mit deinem Ladungsträgerpool erklären?

 

[vegan]

Also ich hätte jetzt naiver Weise gesagt dass an dem Pluspol der 9V Batterie ja mehr positive Ladungsträger sind als am Pluspol der 1,5 AA Batterie. Demnach fließen die +Ladungsträger vom 9V Pluspol zum 1,5V Pluspol. Relativ gesehen ist ja der Pluspol der 1,5 AA Batterie negativer als der des 9V Blocks.
....aber irgendwie werd ich das Gefühl nich los dass ich mir gleich ne ordentliche Denkfehlerschelle einfange.

 

[jw-lighting]

Strom ist die Bewegung von Ladungsträgern in einem Leiter.

Korrekt. Die genaue physikalische Definition ist Ladung pro Zeit. Ist auch logisch, denn um die selbe Menge Ladung in kürzerer Zeit zu transportieren, braucht es einen größeren Strom ("mehr fließende Elektronen auf einmal")

Spannung ist die Energie/ der "Druck" mit dem die Ladungsträger durch den Leiter bewegt werden.

Beim Strom ist es noch recht einfach, sich das mittels Modell vorzustellen. Bei der Spannung ist nach meiner Erfahrung jedes Modell nur in Teilen korrekt, d.h. es eignet sich nicht um alle Zusammenhänge zu erklären. Vermutlich ist das auch ein Teilaspekt deines Verstädnisproblems. Ich bin daher dazu übergegangen, mir kein Modell für Spannung mehr zu nutze zu machen, da es mich immer mehr gehindert hat, als zu helfen. Über die (in Formeln) ausgedrückten Zusammenhänge zu Strom (über das ohmsche Gesetz) und zu elektrischen Feldern lässt sich vieles besser nachvollziehen. Spannung als "Druck" zu betrachten ist daher auch nur begrenzt richtig.
Jeder Ort hat ein Potenzial (Einheit: Volt), wobei du "Potenzial" nicht mit "Anzahl Ladungsträger" gleichsetzen darfst! Die Spannung ist dann eine Hilfsgröße für die Differenz zwischen zwei Potenzialen.
Die Spannung hängt außerdem sehr eng mit der elektrischen Feldstärke zusammen.

Im Bezug auf was? Widerstand, Leistung? Gleichstrom, Wechselstrom? Reihe, parallel?

Der mathematische Zusammenhang zwischen Strom und Spannung geht über den Widerstand, also das ohmsche Gesetz. Das gilt immer und überall und ist elementar für das Verstädnis.

Elektrische Spannung entsteht durch die Trennung von + und - Ladungsträgern.

Auch, aber nicht nur. Und genau hier zeigt sich, dass diese (und andere) Modellvorstellungen der Spannung uns das Verständnis massiv erschweren.

Spannung kann durch Ladungstrennung enstehen (Bernstein+Wolle, Gewitter).
Spannung kann durch chemische Prozesse entstehen (galvanische Zelle).
Spannung kann durch magnetische Induktion entstehen (Generator, Transformator).

Im Fall der galvanischen Zelle gibt es (nicht zwingend) einen "Ladungsüberschuss" und "Ladungsmangel" sondern es ist das Bestreben der Stoffe zu einer chemische Reaktion, die eine Potenzialdifferenz verursacht.
Im Fall der Induktion gibt es gar keine ungleichen Ladungsmengen. Das magnetische Feld möchte aber Ladungsträger bewegen (so wie bewegte Ladungsträger ein Feld erschaffen). Bewegte Ladungsträger sind dann ein Strom, und erst mit einem Widerstand können wir über eine Spannung sprechen.

Es ist also nicht richtig, Potenziale als ungleiche Ladungsmengen aufzufassen. Und daher wird auch bei deiner Reihenschaltung aus zwei Batterien kein Strom zwischen den verbundenem Plus- und Minuspol fließen, es sei den, du schließt den Stromkreis. Das geht auch durch die kirchhoffschen Gesetze gar nicht anders.

Naja, im Grundsatz ja.

Mal ganz frech gefragt: Wo außerhalb des "Grundsatzes" hakt es denn?

Also grob gerechnet stelle ich fest dass zwischen den Pluspolen die Spannung 6,14 - 1,24 = 4,9 verläuft/ abfällt.
Warum das so ist, hat bei mir noch nich klick gemacht.

Du kannst dir hier mit Kirchhoff ganz einfach ausrechnen, dass das die Potenzaildifferenz zwischen den Pluspolen ist. In diesem Fall hast du angenommen, das deine Minuspole auf 0V liegen, hast sie also zu deinem Bezugspotenzial gemacht, denn von 0V zu rechnen sehr einfach ist. Da sie verbunden sind, müssen sie das gleiche Potenzial haben.

Da sich eine Spannung als Potenzialdifferenz errechnen lässt ( U = P1 - P2 ), hast du physikalisch betrachtet eigentlich folgendes gerechnet:

(6,14V - 0V) - (1,24V - 0V) = 4,9V

Hättest du die Spannung am Pluspol jetzt nicht auf deinen Minuspol bezogen, sondern auf einen beliebiges anderes Potenzial, nennen wir es "Pusemuckel", dann hätte dein Minuspol bei z.B. 120V gegenüber Pusemuckel gelegen und da du zwischen deinen Minus- und Pluspolen 6,14V bzw 1,24V hast, hätte deine Rechnung so ausgesehen,w as zum selben Ergebnis führt:

(126,14V - 120V) - (121,24V - 120V) = 4,9V

Hier wäre jetzt Pusemuckel 0V und deine Minuspole 120V gewesen. Die Rechnung ist die selbe.
Du hast es dir allerdings einfacher gemacht, indem du den Minuspol als 0V betrachtet hast. Das zeigt dir, dass es keine absoluten Spannungen als Maß für Ladungstrennung gibt, sondern das Spannungen immer relativ zu einem Bezugspotenzial sind. Es ist scheißegal, wo dieses Bezugspotenzial ist. Man kann es sich aber einfach machen, und einen zentralen Ort in seiner Schaltung (hier deine Minuspole) als 0V und damit als Bezugspotenzial ansehen. Dort wo du diese "Referenz" wählst, ist Masse.

Und nun aufpassen: Diese "Masse" darf man nicht durcheinander bringen mit den vielen anderen Orten, die als "Masse" bezeichnet werden, z.B. mit dem Schutzleiter oder einer Abschirmung, oder dem Gehäuse. Es ist in manchen technischen Anwendungen allerdings sinnvoll, zwischen der gewählten Schaltungsmasse und einem Gehäuse oder Schirm eine Verbindung herzustellen.

Fassen wir zusammen:

- Ein Potenzial beschreibt nicht die Anzahl getrennter Ladungsträger
- Eine Spannung kann man zwischen beliebigen gewählten Potenzialen als deren Differenz beschreiben
- Spannung muss nicht durch Ladungstrennung entstehen
- Spannung kann sich auch aus einem Stromfluss und einem Widerstand, durch den dieser Strom fliesst, erklären
- Spannung ist nicht als Anzahl getrennter Ladungsträger vollständig erklärbar
- In der technischen Anwendung wählen wir häufig den Minuspol als Bezugspotenzial, sodass dort 0V sind.
- Man nennt diesen Bezugspunkt dann häufig "Masse"

Magst du an allen Stellen, an denen es jetzt hakt, bitte mit einem Zitat nachfragen? Hat dir meine Antwort geholfen?

Also ich hätte jetzt naiver Weise gesagt dass an dem Pluspol der 9V Batterie ja mehr positive Ladungsträger sind als am Pluspol der 1,5 AA Batterie. Demnach fließen die +Ladungsträger vom 9V Pluspol zum 1,5V Pluspol. Relativ gesehen ist ja der Pluspol der 1,5 AA Batterie negativer als der des 9V Blocks.
....aber irgendwie werd ich das Gefühl nich los dass ich mir gleich ne ordentliche Denkfehlerschelle einfange.

Deine Vorstellung von mehr Ladungsträgern stimmt hier nicht, da es sich um eine chemische Reaktion handelt. Die Spannung ist hier beim 9V-Block höher, weil entweder andere Reaktionspartner reagieren bzw. im konkreten Fall, weil sechs 1,5V Zellen in Reihe geschaltet wurden.

Schliesst du einen Widerstand an, fließen die Ladungsträger nicht von einem Pol zum anderen, sondern immer durch den gesamten Stromkreis, also auch durch die Batterie und die Verbindung zwischen den Minuspolen.

Deine relative Betrachtung zwischen den beiden Pluspolen gefällt mir sehr, weil sie genau das Prinzip "Spannung gleich Potenzialdifferenz" wiederspiegelt.

Eine "Denkfehlerschelle" habe ich leider nicht für dich, ich will dir ja nicht wehtun, sondern ein besseres Verstädnis erreichen

 

[vegan]

Elektrische Spannung entsteht durch die Trennung von + und - Ladungsträgern.

Auch, aber nicht nur. Und genau hier zeigt sich, dass diese (und andere) Modellvorstellungen der Spannung uns das Verständnis massiv erschweren.

Spannung kann durch Ladungstrennung enstehen (Bernstein+Wolle, Gewitter).

Check

Spannung kann durch chemische Prozesse entstehen (galvanische Zelle)...
...Im Fall der galvanischen Zelle gibt es (nicht zwingend) einen "Ladungsüberschuss" und "Ladungsmangel" sondern es ist das Bestreben der Stoffe zu einer chemische Reaktion, die eine Potenzialdifferenz verursacht.

Eine galvanische Zelle ist doch auch eine Ladungstrennung wenn (auf chemischem Weg) auf der einen Seite ein anderes Ladungsniveu erzeugt wird als auf der anderen. Durch die verschiedenen Metalle und Elektrolyte werden, an den beiden Polen, verschiedene chemische Reaktionen ausgelöst die, an jedem Pol, eine unterschiedliche Menge an Elektronen frei setzt und somit ein unterschiedliches Ladungsniveu erzeugt. Das ist doch Ladungstrennung. Zwar auf chemischen Weg aber trotz dem Ladungstrennung.

Spannung kann durch magnetische Induktion entstehen (Generator, Transformator)...
...Im Fall der Induktion gibt es gar keine ungleichen Ladungsmengen. Das magnetische Feld möchte aber Ladungsträger bewegen (so wie bewegte Ladungsträger ein Feld erschaffen). Bewegte Ladungsträger sind dann ein Strom, und erst mit einem Widerstand können wir über eine Spannung sprechen.

Also ich habe es so gelernt dass bei elektromagnetischer Induktion (elektrischer Leiter in einem Magnetfeld) durch die Bewegung des Leiters im Magnetfeld, die Lorentzkraft die Elektronen auf die eine Seite des Leiters bewegt, während die festen Protonen auf der anderen Seite verbleiben, is ja klar, sie sind nicht beweglich. Das ist doch auch Ladungstrennung.

Es ist also nicht richtig, Potenziale als ungleiche Ladungsmengen aufzufassen.

Also anhand der letzten drei Punkte die ich aufgeführt hab würde ich mich schon sehr dafür einsetzen dass Spannung eigentlich immer mit einer Ladungstrennung einher geht. Es sei denn du hast noch andere Beispiele, die meinen Denkfehler verdeutlichen....

Mal ganz frech gefragt: Wo außerhalb des "Grundsatzes" hakt es denn?

Also im Verständnis hakt es nicht wirklich, ich wusste nur nicht wie tief du das Thema behandeln willst und hättest du eine komplette mathematische Herleitung der Formeln für die Kirchhoff'schen Gesteze erwartet, hätte ich passen müssen. Deshalb habe ich rein präventiv meine Antwort mit "im Grundsatz" relativiert. Davon abgesehen, wie gesagt, ist mir die Kernaussage sehr wohl klar.

Du kannst dir hier mit Kirchhoff ganz einfach ausrechnen, dass das die Potenzaildifferenz zwischen den Pluspolen ist. In diesem Fall hast du angenommen, das deine Minuspole auf 0V liegen, hast sie also zu deinem Bezugspotenzial gemacht...

Ich hab hier absolut gar nichts angenommen und auch nichts unternommen um irgendwas oder irgendwen zu meinem Bezugspotential zu machen, ich habe lediglich mein Voltmeter an die beiden Pole gehalten und den Wert abgelesen.

Da sie verbunden sind, müssen sie das gleiche Potenzial haben.

Jetzt wird's interessant, denn hier liegt ein essentieller Teil meiner eigentlichen Frage: Warum? In dem Moment wo ich die beiden verbinde, woher wissen die dass sie jetzt das gleiche Potential haben?

 

[.Jens]

Eine galvanische Zelle ist doch auch eine Ladungstrennung wenn (auf chemischem Weg) auf der einen Seite ein anderes Ladungsniveu erzeugt wird als auf der anderen. Durch die verschiedenen Metalle und Elektrolyte werden, an den beiden Polen, verschiedene chemische Reaktionen ausgelöst die, an jedem Pol, eine unterschiedliche Menge an Elektronen frei setzt und somit ein unterschiedliches Ladungsniveu erzeugt. Das ist doch Ladungstrennung. Zwar auf chemischen Weg aber trotz dem Ladungstrennung.

Nein, eben nicht. Eine Ladungstrennung passiert da erstmal nicht. Es gibt nur ein unterscheidlich starkes Bestreben der verschiedenen Stoffe, Ladungsträger aufzunehmen oder abzugeben - Ladungsträger werden da aber nicht getrennt. Erst, wenn der Stromkreis geschlossen wird, drückt sich dieses unterschiedliche Bestreben (elektrochemische Potenzialdifferenz) in einem Strom aus. Dabei werden Ladungsträger *bewegt*, aber nicht getrennt.

Also ich habe es so gelernt dass bei elektromagnetischer Induktion (elektrischer Leiter in einem Magnetfeld) durch die Bewegung des Leiters im Magnetfeld, die Lorentzkraft die Elektronen auf die eine Seite des Leiters bewegt, während die festen Protonen auf der anderen Seite verbleiben, is ja klar, sie sind nicht beweglich. Das ist doch auch Ladungstrennung.

Auch hier nicht. Es wird eine Kraft auf die Ladungsträger ausgeübt - die können sich aber auch erst bewegen, wenn ein Stromkreis geschlossen wird (und in dem Momemnt werden sie nicht mehr "getrennt", weil ständig die Differenz ausgeglichen wird - Strom fließt. Wenn überhaupt, bewegen sich ohne geschlossenen Stromkreis die Elektronen um einen infinitesimal kleinen "Weg", der die Kraft vermittelt. Das ist aber gedanklich nicht gleichzusetzen mit Ladungstrennung wie im Kondensator oder bei Katzenfell und Glas

Jetzt wird's interessant, denn hier liegt ein essentieller Teil meiner eigentlichen Frage: Warum? In dem Moment wo ich die beiden verbinde, woher wissen die dass sie jetzt das gleiche Potential haben?

Das "wissen" sie, weil sie mit einem Leiter verbunden sind. Sofern vorher in irgendeinem sinnvollen Bezugssystem eine Potentialdifferenz bestanden hat, gleichen sich durch "infinitesimale" Bewegungen der Ladungsträger die Potentiale aus.

Das ist gedanklich so, wie ein starrer Stab, der auf dem Boden steht. Sobald der Stab oben belastet wird, ist diese Belastung in Form von Druck auch sofort und ohne jede Bewegung des Stabes am unteren Ende messbar. Woher "weiss" das untere Ende, dass oben jemand drückt? Da sind auf subatomaren Massstäben minimale Auslenkungen der Gitteratome des Stabmaterials aus der Ruhelage beteiligt, die riesige Kräfte übertragen können, solange, bis der Boden gleich stark dagegendrückt. Im makroskopischen Sinne bewegt sich da nichts. Das ist bei den Ladungsträgern im Leiter ähnlich: eine winzige Auslenkung aus der Ruhelage hat sofort riesige Felder zur Folge, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und dafür sorgen, dass sich die Elektronen minimal anders anordnen, bis alle Kräfte und Felder wieder im Gleichgewicht sind. Dazu muss aber nicht ein einziges Elektron wirklich eine messbare Strecke zurücklegen.

Erst, wenn an beiden Seiten unterschiedlich stark gedrückt wird, wird sich der Stab bewegen ("Strom"). Vorher sorgt nur eine infinitesimale Änderung der Atomabstände dafür, dass beide Enden des Stabes von dem Druck ("Spannung") auf der jeweils anderen Seite "wissen".

Ein ähnliches Verhalten auf sichtbaren Maßstäben kann man hier beobachten: https://de.m.wikipedia.org/wiki/Kugelstoßpendel . Obwohl die mittleren Kugeln sicht nicht bewegen, wird der Impuls übertragen...

 

[jw-lighting]

[...] Zwar auf chemischen Weg aber trotz dem Ladungstrennung.

[...] Das ist doch auch Ladungstrennung.

Natürlich trennt sich dort irgendwo ein Elektron von seinem Kern, aber es findet ein sofortiger Ausgleich statt, wie .Jens schon sehr gut erklärt hat.

Also anhand der letzten drei Punkte die ich aufgeführt hab würde ich mich schon sehr dafür einsetzen dass Spannung eigentlich immer mit einer Ladungstrennung einher geht.

Spannung hat immer mit Ladungen zu tuen, ja. Und selbst wenn man alle drei genannten Fälle als "Ladungstrennung" (wenn auch nur kurzzeitig) benennen möchte: Hier haben wir genau, was ich oben schrieb: diese Modellvorstellung hilft dir beim Verständnis nicht.
Daher wird dich dein Einsatz, Spannung immer als Ladungstrennung in Form von Überschuss/Mangel an Ladungsträgerteilchen zu betrachten, immer daran hindern, deine Fragestellung für dich zufriedenstellend beantworten zu können. Dieses Modell ist nicht geeignet, die physikalische Realität im Bezug auf Spannung in allen Teilen zu erklären!
Hier ist vielleicht auch erstmal ein "schlucken", das es halt so ist, notwendig. Manches erklärt sich über ein tieferes Verstädnis im nachhinein dann erst genauer.

Halte bitte nicht zu sehr an deinem jetzigen Wissen fest. Nicht alles davon ist richtig und daher ist es wichtig, dass du auch andere Fakten und Erklärungen annimmst, auch wenn sie in Konflikt zu dir Bekanntem stehen oder sich dir nicht sofort erklären.

ich wusste nur nicht wie tief du das Thema behandeln willst und hättest du eine komplette mathematische Herleitung der Formeln für die Kirchhoff'schen Gesteze erwartet, hätte ich passen müssen.

Das war nicht gewollt und ist auch nicht notwendig.

Ich hab hier absolut gar nichts angenommen und auch nichts unternommen um irgendwas oder irgendwen zu meinem Bezugspotential zu machen, ich habe lediglich mein Voltmeter an die beiden Pole gehalten und den Wert abgelesen.

Es wäre in diesem Fall gut gewesen, du hättest versucht, dir das Ergebnis auf dem theoretischen Wege ohne experimentieren zu erarbeiten.

Die beschriebenen Annahmen hast du gemacht. Wenn auch nicht bewusst und willentlich. Wie gesagt machen die meisten Techniker diese Annahmen, weil es sich so einfacher rechnen lässt.
Wenn du dich darauf einlässt und versuchst nachzuvollziehen, was du dort ohne es zu wissen angenommen hast, bin ich sicher, dass du auch die Antwort auf deine Frage finden wirst!

In dem Moment wo ich die beiden verbinde, woher wissen die dass sie jetzt das gleiche Potential haben?

In dem Moment in dem du sie verbindest hast du eine leitende Verbindung zwischen Ihnen geschaffen, deren Widerstand im vereinfachten Fall null Ohm, auf jeden Fall aber sehr gering ist.
Egal welcher Strom fliesst, wird dir das ohmsche Gesetz nach U = R * I bei R = 0 Ohm auch immer U = 0V liefern, oder? Es gibt also keine Potenzialdifferenz (keine Spannung). Und wo keine Potenzialdifferenz ist, kann man vereinfacht sagen, es ist das gleiche Potenzial.

 

[.Jens]

Hier vielleicht nochmal eine gedankliche Hilfestellung in Form der "Wasser-Analogie" dazu stelle dir deine Batterie als einen Behälter (z.B. Coladose) vor, bei dem ein Kolben das Volumen in zwei Teile trennt, der mittels einer vorgespannten Feder dafür sorgt, dass das Wasser nach unten gedrückt wird.

Bild A wäre die volle Batterie (Feder ist gespannt und will den Kolben nach unten drücken), Bild B wäre die leere Batterie (Feder ist entspannt, keine Kraft mehr auf den Kolben).
Erster wichtiger Punkt: In der vollen wie auch in der leeren Batterie ist gleich viel Wasser ("Ladungsträger")!

So, und nun müssen wir uns auf ein paar begriffliche Analogien einigen:

* Der Druck an irgendeinem Ort entspricht dem Potential.
* Die Druckdifferenz zwischen zwei beliebigen Stellen entspricht einer Spannung (hier kann man das sogar als "Spannung der Feder" fast wörtlich nehmen)
* Strom ist klar, das ist, wenn irgendwo Wasser fließt.
* "oben" an der Dose soll "+" sein und "unten" = "-". Das ist nur eine Schreibweise, erstmal.

Als erstes überlegen wir uns, welcher Druck oben und unten in den beiden Kammern herrscht, wenn die Batterie voll ist: die Antwort ist - wir wissen es nicht. Das hängt von der Umgebung der Batterie ab. Über das "Potential" können wir also nichts sagen - wir wissen aber, dass der Druck in der unteren Kammer immer höher ist als im oberen (unten herrscht sowas wie "Überdruck" und oben "Unterdruck" - jeweils gegenüber einem Referenzdruck(!) - merkst du was?). Die Druckdifferenz zwischen der oberen und unteren Kammer ist immer gleich, nämlich Kraft der Feder durch Fläche des Kolbens. Die "Spannung" können wir also angeben. Ist es nur eine kleine, schwache Feder, wäre das z.B. eine 1.5V-Batterie, eine stark vorgespannte, kräftige Feder wäre eher eine 9V-Batterie.

Als nächstes mache dir bitte klar, dass selbst dann, wenn man die Dose an einer Seite öffnet oder mit einer Leitung verbindet (Bild C), sich der Kolben nicht bewegt. Evtl. kommt aus der Öffnung ein winziges Tröpfchen Wasser, aber sofort kommt das alles wieder zum Stillstand, weil der Kolben das Wasser in der oberen Kammer nicht "auseinanderziehen" kann.

Erst wenn wir wie in Bild D auch oben eine Leitung anschließen, durch die Wasser in den oberen Teil fließen kann, dann wird sich der Kolben bewegen und das Wasser unten rausdrücken und oben neues Wasser ansaugen.

Wenn das bis dahin soweit klar ist, können wir das nächste Gedankenexperiment machen. (nächster Beitrag)
--- Beiträge wurden zusammengefasst ---
So.

Jetzt stellen wir uns mal die Batterie aus Bild C vor. Wenn wir wie im Bild einfach nur ein Loch machen (keine Wasserleitung zu irgendeinem anderen Bauteil), dann ist in der unteren Kammer der Druck genauso hoch wie in der Umgebung - an Luft also der Luftdruck, den uns das Wetter nunmal beschert (ca. 1 bar). Erst jetzt können wir also über das "Potential" etwas sagen. Die Druckdifferenz zwischen oben und unten bleibt aber gleich!

Wenn also die Feder mit dem Kolben eine Druckdifferenz von z.B. 0.15 bar erzeugt, dann herrschen jetzt oben 0.85 bar, weil unten der Druck durch die Verbindung nach außen auf 1 bar festgelegt ist (der Druck gleicht sich ja durch das Loch aus - aber es ist dazu nicht nötig, dass Wasser fließt!). In einer idealen "Dose" (also unendlich harte Wände und Wasser, das sich nicht im geringsten komprimieren lässt) fließt gar kein Wasser. In einer realen Dose, z.B. aus Edelstahl und mit realem Wasser, was sich minimal zusammendrücken lässt, kommt wie gesagt ein winziges Tröpfchen raus.

Jetzt tauchen wir mit der Dose in ein 10m tiefes Schwimmbecken. 10m Wassersäule entsprechen ca. 1 bar. Das heißt, jetzt ist der Druck in der unteren Kammer 2 bar, in der oberen wegen der Feder und dem Kolben 1.85 bar. Auch beim Tauchen geht kein Wasser in die Dose - nur der Druck steigt.

Hätten wir das Loch nicht unten, sondern oben gemacht, wäre der Druck oben bei 2 bar und unten bei 2.15 bar - wie gesagt, die Druckdifferenz bleibt immer gleich. Und jetzt wissen wir auch, was in diesem Beispiel "Masse" ist: der "Umgebungsdruck" des Wassers ist unser Bezugspotential. Wir könnten auch irgendeinen anderen Druck (z.B. Vakuumdruck = 0 bar) als Referenz nehmen - aber zur technischen "Masse" wird es erst, wenn dort, wo unser Referenzdruck herrschen soll, sehr viel Wasser ist - in dem Fall unser Schwimmbecken.

Was passiert, wenn man jetzt die "Pole" zweier solcher "Wasserbatterien" miteinander verbindet ohne den anderen Pol zu "öffnen" (also mit einer Leitung zu verbinden), das kann man sich jetzt mal überlegen...

 

[.Jens]

Auf Hinweis von @jw-lighting möchte ich nochmal anmerken, dass dieses Beispiel sich nicht 1:1 auf die Situation im elektrischen Fall übertragen lässt. Die Verhältnisse sind jedoch sehr ähnlich - wer das Wasser-Beispiel versteht, der versteht auch die Situation bei der elektrischen Entsprechung, auch wenn die Details sich unterscheiden.

Das Beispiel dient der Veranschaulichung in der Hoffnung, einen gedanklichen "Knoten" zu lösen. Ich habe es versucht, möglichst exakt auf die Fragestellung auszurichten, auch wenn Wasser und Strom verschiedene Dinge sind...

 

[vegan]

Spannung hat immer mit Ladungen zu tuen, ja. Und selbst wenn man alle drei genannten Fälle als "Ladungstrennung" (wenn auch nur kurzzeitig) benennen möchte: Hier haben wir genau, was ich oben schrieb: diese Modellvorstellung hilft dir beim Verständnis nicht.
Daher wird dich dein Einsatz, Spannung immer als Ladungstrennung in Form von Überschuss/Mangel an Ladungsträgerteilchen zu betrachten, immer daran hindern, deine Fragestellung für dich zufriedenstellend beantworten zu können. Dieses Modell ist nicht geeignet, die physikalische Realität im Bezug auf Spannung in allen Teilen zu erklären!
Hier ist vielleicht auch erstmal ein "schlucken", das es halt so ist, notwendig. Manches erklärt sich über ein tieferes Verstädnis im nachhinein dann erst genauer.

Halte bitte nicht zu sehr an deinem jetzigen Wissen fest. Nicht alles davon ist richtig und daher ist es wichtig, dass du auch andere Fakten und Erklärungen annimmst, auch wenn sie in Konflikt zu dir Bekanntem stehen oder sich dir nicht sofort erklären.

Es ist aber, vielleicht verständlicher Weise, ziehmlich schwer wenn man von seinen bisherigen Vorstellungen loslassen soll ohne einen gleich- oder höherwertigeren Ersatz zu bekommen.
Da mir ja von meiner Vorstellung von Ladungstrennung so nachdrücklich abgeraten wird möchte ich nochmal kurz zwei Quellen anfügen, die meinen Standpunkt maßgeblich prägen:
1. Wikipedia:

Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Energie nötig ist, um eine elektrische Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen...

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Spannung

Elektrisches Feld
Das elektrische Feld ist ein physikalisches Feld, das durch die Coulombkraft auf elektrische Ladungen wirkt...
Elektrische Felder werden hervorgerufen von elektrischen Ladungen und durch zeitliche Änderungen magnetischer Felder...

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrisches_Feld

2. Elektronik Kompendium:

Elektrische Spannung U
Die elektrische Spannung U gibt den Unterschied der Ladungen zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Diesen Unterschied der Elektronenmenge nennt man elektrische Spannung. Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, kommt es zu einer Entladung. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom...

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201101.htm

Elektrisches Feld (E-Feld)
Der Raum zwischen zwei ungleich geladenen Objekten wird elektrisches Feld genannt. In diesem Raum wird durch eine elektrische Ladung eine Kraft auf eine andere Ladung ausgeübt...

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205141.htm

Unter diesen Vorraussetzungen ist es recht schwer von meinem Model der Ladungstrennung loszulassen, wenn man mir nichts anderes handfestes zum nachdenken gibt

In dem Moment in dem du sie verbindest hast du eine leitende Verbindung zwischen Ihnen geschaffen, deren Widerstand im vereinfachten Fall null Ohm, auf jeden Fall aber sehr gering ist.
Egal welcher Strom fliesst, wird dir das ohmsche Gesetz nach U = R * I bei R = 0 Ohm auch immer U = 0V liefern, oder? Es gibt also keine Potenzialdifferenz (keine Spannung). Und wo keine Potenzialdifferenz ist, kann man vereinfacht sagen, es ist das gleiche Potenzial.

Das ist in der Tat ein sehr interessanter Standpunkt aber es stellt "nur" den mathematischen Zusammenhang dar. Es erklärt leider immer noch nicht was da auf physikalischer Ebene passiert.
Ich weiß ich soll's nich aber ich beziehe mich doch noch mal auf die Definitionen von Wikipedia und dem Elektronik Kompendium, deren Definitionen einfach mal nach Ladungstrennung schreien.
Nochmal kurz zur Erinnerung:

Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen...

Ich nehme jetzt also zwei Batterien. Eine Batterie macht ja nicht anderes als durch chemische Reaktionen von verschiedenen Metallen und Elektrolyten am Pluspol und am Minuspol verschieden viele Elektronen frei zu setzen. Selbst wenn zwei Batterien vom gleichen Hersteller sind und sogar am selben Tag gefertigt wurden wird es unmöglich sein die chemischen Reaktionen der Pole so exakt ablaufen zu lassen dass sie Batterieübergreifend gleich sind. Demnach muss ich doch davon aus gehen, dass die zwei Minuspole der beiden Batterien, mal mehr mal weniger, unterschiedlich geladen sind. Wenn ich die jetzt verbinde muss doch da irgendeine Form des Ausgleiches passieren. Die Elektronen bewegen sich zum positiveren Pol, es fließt Strom, oder? Die können doch nicht einfach so schwupps das gleiche Potential haben....oder wie, oder was?

...Wir könnten auch irgendeinen anderen Druck (z.B. Vakuumdruck = 0 bar) als Referenz nehmen - aber zur technischen "Masse" wird es erst, wenn dort, wo unser Referenzdruck herrschen soll, sehr viel Wasser ist - in dem Fall unser Schwimmbecken.

Wenn ich jetzt eine Schaltung planen würde, woher weiß ich denn wie groß mein "Schwimmbecken" sein muss? Ich denke mal ein 300 Watt Röhrenverstärker brauch ein größeres "Schwimmbecken" als eine 9V Effektmine, oder? Wie berechnet man sowas?

 

[.Jens]

Ich weiß ich soll's nich aber ich beziehe mich doch noch mal auf die Definitionen von Wikipedia und dem Elektronik Kompendium, deren Definitionen einfach mal nach Ladungstrennung schreien.

...die aber auch leider nicht ganz richtig bzw. vollständig sind, oder die einfach nicht die gleiche "Ladungstrennung" meinen, die du im Kopf hast.

Natürlich haben Spannungen immer etwas mit Ladungen zu tun. Aber so einfach, wie man sich das anschaulich am Plattenkondensator klarmachen kann, ist es in der Realität nicht, insbesondere Elektrochemie (Batterie) ist deutlich komplizierter. Streng genommen ist ein "Pluspol" kein Ort mit Elektronenmangel, sondern ein Ort, an den Elektronen lieber wandern als an einen Minuspol. Wenn irgendwo Elektronenmangel herrscht, dann ist das ein Pluspol gegenüber einem Ort mit Elektronenüberschuss - der Umkehrschluss, dass jeder Pluspol einen Elektronenmangel aufweist, stimmt aber nicht.
Es kann auch ein Ort sein, der ein anderes Elektrochemisches Potential hat, oder ein Ort, von dem Elektronen (wie beim Generator) "weggezogen" werden. Ein Generator, der nirgendwo angeschlossen ist, hat am Minuspol keinen Elektronenüberschuss, die Elektronen werden aber dort "herausgedrückt" - wenn sie denn können.

Wenn man in dem Wasserbeispiel "Ladungstrennung" mit "Höhenunterschied" gleichsetzt, wird es vielleicht klarer: Die Schulbucherklärung, was "Druck" ist, mag die sein: Wasser aus einem höherliegenden Gefäß (antiker Spülkasten) "will" in ein niedriger gelegenes fließen. Ok, das ist also Druck. Nur, wie das Beispiel mit der Feder und dem Kolben zeigt: Druck (Spannung) kann man auch anders aufbauen - und mit der Batterie hast du dir das komplizierteste Beispiel augesucht, weil Elektrochemie wirklich sehr komplex ist.

Wenn ich jetzt eine Schaltung planen würde, woher weiß ich denn wie groß mein "Schwimmbecken" sein muss? Ich denke mal ein 300 Watt Röhrenverstärker brauch ein größeres "Schwimmbecken" als eine 9V Effektmine, oder?

Richtig!

Wie berechnet man sowas?

Das kommt drauf an. Zum einen auf die zu erwartenden Ströme und Spannungen, auf den Aufbau der Schaltung (ist der eigentliche Signalweg hochohmig oder niederohmig) und nicht zuletzt darauf, welche Ansprüche man an den Störabstand stellt, also daran, um wieviel das Massepotential bei Belastung schwanken darf. Ein hochempfindliches Messgerät, was kleinste Schwankungen messen soll, wird man da sehr üppig mit Masseflächen ausstatten, ein 5€-Schätzeisen mit weniger. Bei Endstufen ist das auch so - das ist auch der Grund, warum hochwertige Verstärker in klassischer analoger Bauweise solche "Eisenschweine" sind - da ist einfach die gesamte Spannungsversorgung, die ja als Referenz dienen soll, sehr großzügig dimensioniert.
Wie das konkret berechnet wird, würde hier den Rahmen sprengen - das ist vergleichbar mit der Frage "Wieviel Beton brauche ich für ein Fundament?". Auch da kommt es drauf an, ob es sich um ein Gartenhaus, einen Wolkenkratzer oder ein Windrad handelt (also Untergrund, Gebäudegewicht, Windlast, Anforderungen an zu tolerierende Vibrationen...)