Sa, 03.03.07, 14:22
Schon ein älteres Thema hier, aber eines meiner Lieblingsthemen: Analogien zur Elektrizitätslehre!
Aus den Definitionen elektrischer und hydraulischer Leistung
P_el=U*I und P_hyd=p*(dV/dt)
ergeben sich die Zusamenhänge zwischen elektrischem Stromkreis und Wasserleitungen so,
dass die elektrische Spannung U (Differenz zweier elektrischer Potentiale) einem Wasserdruck p entspricht.
Zu beachten ist, dass es sich um eine hydrSTATISCHE DruckDIFFERENZ handelt. Sehr ähnlich der elekreische Potential-Definition folgt diese im Beispiel "hochgelegener Wassertank" aus:
delta_p=p1-p2=rho*g*h rho=Dichte, g=Erdbeschleunigung, h=Höhe des Wasserspiegels zu einem Referenzpunkt.
Hydraulik: Druckdifferenz ergibt sich aus der geleisteten Arbeit, die nötig ist, um das Wasser auf die Höhe h zu transportieren.
Elektrik: Spannung ergibt sich aus der geleisteten Arbeit, die nötig ist, um eien Ladung Q im elektrischen Feld zu bewegen.
Die Stromstärke I entspricht einem Volumenstrom des fließenden Wassers.
So weit so gut.
Wenn elektrisch eLadungsträger eine Leitung durchfließen regen sie die Atomrümpfe im Gitternetz des Leiters zu Schwingungen an. Dies entspricht einer Umwandlung in Wärmeenergie. Die Analogie zum Wasserkreislauf wäre in diesem Fall also eine Umwandlung der kinetischen Energie des fließenden Wassers in eine andere Energie, die dem System nicht mehr als zur Verfügung steht, hauptsächlich ebenfalls Wärmeenergie aus Reibung zwischen Wasser und Rohrleitung.
Ich empfinde die Analogie zwischen Elektrik und Hydraulik als sehr schwierig, weil die Realtionen zwischen Ladungsträgern und Wasservolumen bzw. zwischen den physikalischen Gründen der Reibungsentstehung sehr schwer zu veranschaulichen ist. Ausserdem kommt in der Hydraulik noch die Tatsache hinzu, das zwischen laminarer und turbulenter Strömung unterschieden wird, aber das ist ein anderes Thema.
Vereinfacht wird in der Physik meistens der Leitungswiderstand vernachlässigt oder durch einen einzelnen Vorwiderstand eingefügt. Für die Übertragung in die Hydraulik bedeutet dies, dass das Fließverhalten des Wassers mit der Euler-Gleichung beschrieben wird, die den Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit und Druckdifferenz herstellt ohen Reibung und Viskosität zu beachten.
Wenn man also den Vergleich zum Wasser ziehen will, dann bitte so:
- Die LED entspricht einem Wasserrad, dass die hydrodynamische Leistung, also die kinetische Energie des Wassers über die Zeit, in Lichtenergie umwandelt. Das Wasser fließt dabei aus einer Höhe x im freien Fall auf die Schaufeln des Wasserrads, das sich auf der Höhe y befindet.
- Der Widerstand muss die restliche Höhe y "verbraten", d.h. er entspricht einem Wasserfall der Höhe y, der nichts, aber auch garnichts tut, außer den Felsen oder das Rohr durch das er fließt und den Fels oder das Becken in das er stürzt durch seinen dynamischen Druck und Reibung zu erwärmen.
- Ist der Wasserfall nicht hoch genug (sprich der Widerstand zu klein) wird automatisch die Höhendifferenz x-y, aus der sich das Wasser auf die Schaufeln des Wasserrades stürzt, größer und das Wasserrad wird zerstört, wenn es an seine Leistungsgrenze stößt, weil seine Schaufeln abbrechen oder die Lagerung versagt oder oder oder...
Beim LED brennt in diesem Fall (zuviele Ladungsträger, die sich in jeder Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt pressen wollen) vermutlich einfach die Leitung durch oder irgendetwas in den Halbleiterübergangszonen passiert, das die Funktion zerstört. So gut kenne ich mich mit LEDs nicht aus.
P.S.: Den Physiklehrer würde ich übrigens mal in Stockholm vorschlagen. So einfach kann man die Energieprobleme der Welt lösen.
P.P.S.: Für diejenigen, die glauben, dass ohne Widerstand kein Strom fließt sei auf KEINEN FALL das Experiment empfohlen, die zwei Pole einer Steckdose mit einem widerstandsarmen Leiter oder, wenn gerade griffbereit, einem widerstandfreien Supraleiter zu verbinden. Sowas nennt man Kurzschluß und endet im besten Fall mit dem Rausfliegen der Haussicherung, im Schlimmsten mit bösen Verbrennungen an Kind und Kegel oder dem Tod.
Der Zusammenhang U=R*I ist natürlich richtig. Der richtige Schluss für die Stromstärke folgt aus
lim(I)=U/R für R gegen 0. Dann wird I nämlich unendlich groß (theoretisch zumindest).
Ein Gruß vom Klugwisser und *Haufen*, der hofft den Interessierten und geschundenen Schülern unfähiger Pyhsiklehrer weitergeholfen zu haben
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