In einfachen Worten ist die Spannung ein Maß für die Energie pro Ladungseinheit, die zwei Punkten in einem elektrischen Feld zugeordnet ist. Aber warum ist mit zwei Punkten eine Energie verbunden?
Um dies zu beantworten, müssen wir uns ein elektrisches Feld und seine Auswirkung auf eine Testladung vorstellen.
Wir können uns ein elektrisches Feld vorstellen, indem wir jedem Punkt im Raum einen winzigen Pfeil zuordnen. Jeder Pfeil im elektrischen Feld repräsentiert die Kraft, die eine Ladungseinheit fühlen würde, wenn sie an diesem bestimmten Punkt platziert würde.
Da sich ähnliche Ladungen abstoßen, zeigen die Pfeile von einer positiven Ladung weg (da sie unsere Testladung abstößt):
Während sich die Testladung durch das elektrische Feld bewegt, wird sie herumgeschoben und gewinnt oder verliert Energie. Wenn es sich in die gleiche Richtung wie die kleinen Pfeile auf dem Feld bewegt, wird am Partikel gearbeitet und es gewinnt Energie. Wenn es sich entgegengesetzt zum Feld bewegt, verliert es stattdessen Energie.
Stellen Sie sich vor, Sie drücken eine Schaukel, wenn sie sich bereits von Ihnen entfernt, und drücken dieselbe Schaukel, wenn sie auf Sie zukommt. Im ersten Fall wird es in Richtung der Bewegungsrichtung ausgerichtet und beschleunigt. Im zweiten Fall wird es entgegen der Bewegungsrichtung gedrückt und verlangsamt es. In gewisser Weise müssen Sie alle Beiträge der kleinen Pfeile entlang des gesamten Pfades addieren, um die Endenergie der Schwung- / Testladung zu berechnen.
Dieses Hinzufügen von Pfeilen wird als Linienintegral bezeichnet und beinhaltet die Berechnung an jedem Punkt , um wie viel der Verschiebungsvektor und das Feld in dieselbe Richtung zeigen.
Eine 10-V-Batterie erzeugt ein elektrisches Feld, sodass das Hinzufügen aller kleinen Pfeile von der positiven zur negativen Seite zu einem Netz von 10 Joule für jede Einheitsladung führt, die den Stromkreis umgibt.
Das elektrische Feld sieht für einen Draht mit überall gleichmäßigem elektrischen Widerstand so aus:
Wenn es keinen Widerstand gäbe, würde unsere Testladung bei jedem Zyklus idealerweise 10 Joule an jeder Schleife gewinnen und für immer beschleunigen, aber in Wirklichkeit wird die Energie mit zunehmendem Strom immer mehr in Form von Wärme abgeführt.
Die Testladung kann auch an etwas anderem arbeiten: Bei LEDs wird diese elektrische Energie in leuchtende Form umgewandelt, in Motoren, in mechanischer Form usw.
Ein wichtiges Detail ist, dass es mehrere Pfade von einem Punkt zu einem anderen geben kann. Warum sollte die Energiedifferenz nicht vom jeweiligen Pfad zwischen den beiden Punkten abhängen?
In Abwesenheit externer Kräfte und Felder ist das elektrische Feld konservativ, was bedeutet, dass die Potentialdifferenz unabhängig vom Pfad dieselbe Zahl ergibt.
Um zu sehen, warum dies zutrifft, stellen Sie sich vor, dass entlang des oberen Pfades (X) ein Potential von 15 V von A nach B und entlang des unteren Pfades (Y) von 5 V von A nach B vorhanden ist:
Wenn dann unsere Testladung zuerst von A nach B durch X und dann in entgegengesetzter Richtung durch Y rückwärts geht, führt das elektrische Feld ein Netzwerk von 10 Joule aus: 15 Joule "nach unten" durch das Feld und 5 Joule "nach oben". (Hinweis: Hier verwende ich "abwärts" und "aufwärts" als Analogie zum Klettern oder Absteigen eines Gravitationsfeldes.)
Aber da die Ladung wieder an dem Ort ist, an dem sie vorher war, haben wir 10 Joule kostenlos erhalten! Dies verstößt gegen das Gesetz der Energieerhaltung, es sei denn, diese Energie wird von einem anderen Ort bezogen. Wenn nichts diese Energie liefert, haben alle Pfade das gleiche Potenzial.
Die Erklärung zu den Analogien:
Wie elektrische Felder schieben auch Gravitationsfelder Dinge herum. Genau wie in elektromagnetischen Feldern funktioniert das Feld, wenn Sie ein Gravitationsfeld hinuntergehen, und Sie gewinnen Energie. Diese Energie kann auch für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden, indem Sie an etwas anderem arbeiten.
In Flüssigkeiten ist das fragliche Kraftfeld die Druckdifferenz, die Partikel in Richtung der Druckreduzierung beschleunigt (da ein Kraftungleichgewicht in diese Richtung zeigt)