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Forum: Offtopic Was ist Spannung


Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Kann mir jemand erklären, was genau Spannung darstellt? Zwei 
Elementarladungen, eines positiv, das andere negativ geladen, bilden in 
Raum ein E-Feld. In diesem Feld ist eine bestimmte Energiemenge 
gespeichert. Nach der Gleichung

W=0,5*Q*U

kann man die Energiemenge mit der Spannung verändern. Die Spannung 
verändert also den Raum zwischen den zwei Elementarladungen in meinem 
Beispiel.

Kann man Spannung als eine Eigenschaft des Raumes ansehen? So wie die 
Masse den Raum krümmt und ihn damit verändert, so krümmt auch die 
Spannung den Raum zwischen zwei Ladungsträgern, wodurch ein Potential 
entsteht, ähnlich dem Gravitationspotential?

Autor: Elektrolurch (Gast)
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In Physikbücher mal reingeschaut?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Maxim W. (maxim)

>kann man die Energiemenge mit der Spannung verändern.

Ja.

> Die Spannung
>verändert also den Raum zwischen den zwei Elementarladungen in meinem
>Beispiel.

Nein.

>Kann man Spannung als eine Eigenschaft des Raumes ansehen?

Nein. Einfach die Formel umstellen. Es ist Energie/Ladung, also Energie 
pro Elektron.

> So wie die
>Masse den Raum krümmt und ihn damit verändert, so krümmt auch die
>Spannung den Raum zwischen zwei Ladungsträgern, wodurch ein Potential
>entsteht, ähnlich dem Gravitationspotential?

Zuviel StarGate geschaut. ;-)

Wenn man sich einen Kondensator als Wasserfass vorstellt, dann ist das 
Volumen die Ladungsmenge. Die Spannung ist dann die Höhe des 
Wasserspiegels im Fass.

MFG
Falk

Autor: Bastler (Gast)
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Moin,
Nein, die Spannung ist das Weg-Integral entlag des elektrischen Feldes.
Je länger ein Elektron dem Feld ausgesetzt ist, desto größer wird sein 
Impuls (proportional zur Geschwindigkeit). Das Weg-Integral entlang des 
elektrischen Feldes wird als Spannung bezeichnet.

Bastler

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Falk Brunner wrote:
> Zuviel StarGate geschaut. ;-)

Bisher keine einzige Folge.

> Wenn man sich einen Kondensator als Wasserfass vorstellt, dann ist das
> Volumen die Ladungsmenge. Die Spannung ist dann die Höhe des
> Wasserspiegels im Fass.

Und wenn nun ein Ion aus dem E-Feld Energie aufnimmt und beschleunigt 
wird, bleibt die Ladung im Kondensator gleich, die Spannung sinkt aber. 
Entsprechend deinem Beispiel würde das Volumen gleich bleiben, aber der 
Wasserspiegel sinken. Ja wie jetzt? Volumen und Wasserspiegel sind 
direkt voneinander abhängig. Da kann etwas nicht stimmen ...

Würde man die Spannung nicht als Wasserspiegel sondern als die auf das 
Wasser einwirkende Gravitationskraft auffassen, würde der Vergleich 
wieder stimmen. Weil das beschleunigte Ion dem E-Feld Energie entzogen 
hat, verringert sich in dem Modell die Gravitationskraft, also die 
Raumkrümmung. Das Wasser im Fass wird nicht weniger (die Anzahl der 
Elementarladungen im Kondensator bleibt konstant), aber die Arbeit, die 
es verrichten kann, sinkt, weil die Potentielle Energie des Wassers mit 
der Gravitationskraft abnimmt.

Das ist halt meine Vorstellung der Spannung. Vielleicht hat jemand ein 
einfacheres Modell.

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Bastler wrote:
> Moin,
> Nein, die Spannung ist das Weg-Integral entlag des elektrischen Feldes.
> Je länger ein Elektron dem Feld ausgesetzt ist, desto größer wird sein
> Impuls (proportional zur Geschwindigkeit). Das Weg-Integral entlang des
> elektrischen Feldes wird als Spannung bezeichnet.
>
> Bastler

Jo, das ist eine mathematische Betrachtung. Damit kann man wunderbar 
hantieren. Aber das hilft nur bedingt, wenn man sich ein Bild von 
verschiedenen physikalischen Größen und deren Wechselwirkung machen 
will.

Autor: Bastler (Gast)
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Moin,
wenn du dir eine genaue Vorstellung von den Wirkungen untereinander 
machen willst, dann musst du noch tiefer ansetzen und beim D-Feld 
anfangen. (Denn das E-Feld ist von dem Materialparameter Epsilon-r und 
der Naturkonstante Epsilon-Null abhängig). Dann geht es über die 
Maxwellschen Gleichungen weiter zum Magnetismus.
Wenn du alles miteinander in Einklang bringen willst, führt leider kein 
Weg an dem guten Mann vorbei.

Ich finde deine Betrachtung mit der Raumkrümmung sehr viel 
mathematischer als meine. Zumal Raumkrümmung und Zeitdiletation erst ab 
gewissen Geschwindigkeiten und Massen ein Rolle spielen.

Ansonsten beleiben wir beim Wasserglas:
"Und wenn nun ein Ion aus dem E-Feld Energie aufnimmt und beschleunigt
wird, bleibt die Ladung im Kondensator gleich," Nein, wenn es an dem 
anderen Ende des Kondensators angekommen ist, wird es dort einen Teil 
der Ladung neutralisierung und damit das E-Feld schwächen. Der Pegel ist 
also gefallen.

Autor: Bastler (Gast)
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Das sollte natürlich "Zeitdilatation" heißen...

Autor: URI (Gast)
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wenn man versucht etwas anschaulich zu erklären dann ist es unumgäglich 
dass die beschreibung nicht 100pro korrekt ist. gut aber dafür hat man 
das ding zumindest ansatzweise verstanden und kann damit weiter 
arbeiten.
Deswegen hier meine Anschauung bzgl Spannung:

Wir wissen ja das es gilt U=R*I
Stell dir vor die Spannung wäre eine Strasse, der Strom wären die 
Menschen auf dieser Strasse und die Widerstände würden irgendwelche 
hindernisse auf dieser Strasse darstellen. D.h. je größer die Strasse 
(U) desto mehr Menschen (I) und/oder mehr Hindernisse (R) haben Platz. 
Angennomen die Strasse(U) hätte eine konstante größe gggg dann müsste 
entweder weniger emnschen(I) oder weniger Hindernisse (R) sein damit 
sich auf der Strasse überhaupt Bewegung der Menschen stattfindet.

So das ist meine Version dazu und warte spannend(U) ;-) auf die kritik 
der klein karrierten usern.

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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ich finde die analogien zum heizungskreislauf vielleicht intuitiver. 
hier entspricht die spannung der temperaturverteilung, der strom dem 
durchfluss und der widerstand dem strömungswiderstand. die energie, die 
ein bauteil im stromkreis "verbrät" ist ja spannungsabfall mal strom, 
analog zum heizkreislauf ist die energieabgabe am heizungskörper der 
temperaturabfall mal der volumenstrom. auch die oben angesprochene 
beschreibung, dass spannung mit energie pro teilchen zu sehen ist, 
passt. die temperatur kann auch als eigenschaft eines raumes angesehen 
werden. wenn nun ein masseteilchen durch diesen raum bewegt wird, nimmt 
es energie auf, oder gibt sie ab, wie der weg zwischen anfang und ende 
gewählt wird, ist egal, es zählen nur anfangs- und endpunkt, wie bei der 
spannungsmessung

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Mein Modell für die Zusammnhänge ist das eines Fallrohres
in einem Wasser-Speicherkraftwerk.

Aus dem Speichersee fliesst Wasser durch ein Rohr runter
auf die Turbine.

Das Rohr entspricht einem bestimmten Widerstand, die Fallhöhe
ist die Spannung und die Wassermenge, die abhängig von Rohr-
Durchmesser durchkommt, ist die Stromstärke.

Wenn ich eine große Fallhöhe habe aber einen winzigen Querschnitt
(200 Meter langer Strohhalm) dann wird die Turbine nur vor sich
hin gähnen. Analog hab ich zwar eine enorme Spannung aber nur
einen winzigen Strom, so dass, P = U*I, die elektr. Leistung
nicht ausreicht den Verbraucher anzutreiben. Auf der anderen
Seite bringt mit ein enormer Querschnitt (riesige Strommenge)
aber eine winzige Fallhöhe (keine Spannung) auch nichts, weil
sich das Wasser durch die geringe Fallhöhe nicht bewegt und daher
die Turbine ebenfalls nicht antreibt.

Je enger das Rohr ist, desto geringer ist die Wassermenge die
durchkommt. Je weiter das Rohr, desto mehr Wasser schafft es.

Aber wie alle Modelle, hinkt es natürlich etwas.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Karl heinz Buchegger wrote:
> Mein Modell für die Zusammnhänge ist das eines Fallrohres
> in einem Wasser-Speicherkraftwerk.
>
> Aus dem Speichersee fliesst Wasser durch ein Rohr runter
> auf die Turbine.
>
> Das Rohr entspricht einem bestimmten Widerstand, die Fallhöhe
> ist die Spannung und die Wassermenge, die abhängig von Rohr-
> Durchmesser durchkommt, ist die Stromstärke.
Und wenn man "Fallhöhe" durch "Wasserdruck" ersetzt, kann man mit einem 
Hydrauliksystem praktisch alle Vorgänge im Stromkreis (zumindest im 
Gleichstromkreis, bei Wechselgrößen wird's knifflig) erklären.

Die Spannungsquelle kann z.B. eine Pumpe sein (reale Spannungsquelle 
z.B. eine Kreiselpumpe, die einen druckabhängigen Volumenstrom liefert, 
also quasi Spannungsquelle mit Innenwiderstand). Widerstand ist durch 
den Leitungsquerschnitt gegeben. Auch Induktivitäten lassen sich 
erklären, schließlich wissen viele (v.a. Feuerwehrleute), was passieren 
kann, wenn man einen größeren Volumenstrom in einer längeren Leitung 
schlagartig abzubremsen versucht... Kapazitäten lassen sich durch 
Druckbehälter modellieren.

Das Schöne am Modell mit dem Hydrauliksystem ist, dass es eigentlich 
jedem einleuchtet, der ein kleines bisschen technisches Verständnis hat. 
Das Beispiel mit dem Wasserkraftwerk passt da sehr gut rein als 
"Sonderfall" des allgemeinen Hydrauliksystems.

> Aber wie alle Modelle, hinkt es natürlich etwas.
Ist aber in meiner Erfahrung eines der besten. Richtig hinken tut es 
erst dann, wenn man sich mit Wechselgrößen befassen will (was zumindest 
bei der Modellierung von Kapazitäten mit real existierenden Anordnungen 
zu gewissen Problemen führt).

Autor: Stephan Hochberger (Gast)
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Ich nehme auch gerne das Wasser-/Hydraulikmodell.
Induktivitäten sind bei mir ein Wasserrad (Pumpe und Turbine) mit 
Schwungmasse. Ist finde ich einfacher als mit Massenträgheit zu 
arbeiten.

Auch die Reflexion eines Signals bei falschem Abschlusswiderstand lässt 
sich mit Wasser in nem Kanal ganz anschaulich machen.

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Interessant, dass jeder sich ein anschauliches Modell aus der 
"sichtbaren" Welt im Kopf erstellt.

>> Ansonsten beleiben wir beim Wasserglas:
>> "Und wenn nun ein Ion aus dem E-Feld Energie aufnimmt und beschleunigt
>> wird, bleibt die Ladung im Kondensator gleich,"
> Nein, wenn es an dem
> anderen Ende des Kondensators angekommen ist, wird es dort einen Teil
> der Ladung neutralisierung und damit das E-Feld schwächen. Der Pegel ist
> also gefallen.

Das Ion muss natürlich nicht unbedingt auf die Kondensatorplatte 
prasseln. Beim Ionenantrieb werden Xenon-Ionen im E-Feld beschleunigt 
und durch ein Gitter aus dem Kondensator durchgelassen. Danach werden 
sie wieder mit Elektronen neutralisiert. Trotzdem entnimmt das Xenon-Ion 
dem E-Feld Energie, obwohl die Ladung gleich bleibt. Sie wird durch 
nichts übertragen, wenn man annimmt, dass die Kondensatorplatten einmal 
geladen und dann von der Stromquelle getrennt wurden.

Das war für mich das werwirrende, dass trotz gleich bleibender Ladung 
die Energie eines E-Feldes variieren kann. Sie ist dann direkt 
proportional zur Spannung.

Autor: Bastler (Gast)
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Moin,
"Beim Ionenantrieb werden Xenon-Ionen im E-Feld beschleunigt
und durch ein Gitter aus dem Kondensator durchgelassen."
Und hinter diesem Gitter mit wieder mit einem Elektron neutralisiert.
Andernfalls wäre der Gesamtimpuls des Treibwerkes null.
Die Ladung im Kondensator nimmt ab, wenn sie nicht durch Energiezufuhr 
aufrecht gehalten wird.

Meine Anschauung ist der Eifelturm:
Die Spitze hat ein Potential; die Spannung ist das Integral über die 
Höhe = Geschwindigkeit mit der man auf dem Boden ankommt, wenn man 
runterspring.

Bastler

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Bastler wrote:
> Moin,
> "Beim Ionenantrieb werden Xenon-Ionen im E-Feld beschleunigt
> und durch ein Gitter aus dem Kondensator durchgelassen."
> Und hinter diesem Gitter mit wieder mit einem Elektron neutralisiert.
> Andernfalls wäre der Gesamtimpuls des Treibwerkes null.
> Die Ladung im Kondensator nimmt ab, wenn sie nicht durch Energiezufuhr
> aufrecht gehalten wird.

Wie kann die Ladung abnehmen wenn die Elementarladungen zwischen den 
Kondensatorplatten nicht ausgetauscht werden können?

Autor: Bastler (Gast)
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Werden sie doch: Zuerst muss die pos. Platte ein Elektron aufnehmen, um 
das Xenon positiv zu ionisieren. Das Ion fliegt dann in Richtung des 
neg. geladenen Neutralisators (der die neg. Platte bildet) und wird dort 
von einem Elektron neutralisiert, ohne dabei seinen Impuls abzugeben.
Ohne einen solchen Neutralisator (also mit bsp. einer Lochscheibe) wird 
das Ion zwar für einen Moment die neg. Platte passieren können, dann 
aber durch das äussere Feld wieder angezogen werden und schließlich doch 
auf der neg. Platte aufschlagen und sich da sein Elektron wieder 
holen*). Damit wäre der Gesamtimpuls des Triebwerks aber null und 
deshalb bracht man den speziellen Neutralisator, damit das ungeladene 
Xenonatom (im Flug neutralisiert) weiterfliegen kann.
Somit hat der Kondensator an der pos. Seite ein Elektron aufgenommen und 
an der neg. Seite eines abgegeben.
Wenn keine Spannungsquelle zum kompensieren da ist, hat sich der 
Kondensator entladen.

*) Das wird passieren, es ist nur die Frage, wie weit sich das Ion von 
der neg. Seite entfernen wird, ehe es umkehrt und zurückfliegt.

Das ist jetzt wenig anschaulich, aber es gibt leider nicht für jede 
Frage eine einfache Erklärung!

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Das Gas wird VOR dem Eintritt in das beschleunigende E-Feld ionisiert 
und NACH diesem wieder neutralisiert.
http://www.nasa.gov/centers/glenn/about/history/ip...
http://sbir.gsfc.nasa.gov/SBIR/successes/images/7-020pic.jpg

Autor: Bastler (Gast)
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Dann haben wir aneinander vorbei geredet: Ich habe deine Frage so 
verstanden, dass sich ein Ion von der positiven Platte löst und durch 
ein Loch in der neg. Platte für immer verschwindet. Das geht nicht.

Ein Ion durch ein bestehendes Feld hindurchzuschießen bewirkt eine 
Verzerrung des Feldes im Kondensator (solange sich das Ion darin 
befindet), aber keine Änderung seiner Energie. Nachdem das Ion den 
Kondensator verlassen hat, wird es auch nicht rückwärts angezogen, da 
der Kondensator nach aussen hin ladungsneutral ist und kein Feld 
abstrahlt.
War es das, was du gemeint hast?

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Bastler wrote:
> Dann haben wir aneinander vorbei geredet: Ich habe deine Frage so
> verstanden, dass sich ein Ion von der positiven Platte löst und durch
> ein Loch in der neg. Platte für immer verschwindet. Das geht nicht.
>
> Ein Ion durch ein bestehendes Feld hindurchzuschießen bewirkt eine
> Verzerrung des Feldes im Kondensator (solange sich das Ion darin
> befindet), aber keine Änderung seiner Energie. Nachdem das Ion den
> Kondensator verlassen hat, wird es auch nicht rückwärts angezogen, da
> der Kondensator nach aussen hin ladungsneutral ist und kein Feld
> abstrahlt.
> War es das, was du gemeint hast?

Yep, und jetzt stellt sich mir die Frage, wie die Energie des 
Kondensator abfällt, wenn keine Ladungen fließen.

Autor: Bastler (Gast)
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Meine Theorie:
Der Kondesator selbst nimmt weder Energie auf noch gibt er welche ab. 
Das Elektron hat im elektrischen Feld eine potentielle Energie, ähnlich 
einem Stein auf einem  Turm. Diese potentielle Energie wird im elektr. 
Feld in kinetische Energie umgewandelt (der Stein fällt runter). 
Analogie: Die Erde nimmt weder Energie auf noch gibt sie welche ab, wenn 
wir irgendwo raufklettern und runterspringen. Aber anstatt wie der Stein 
auf dem Boden aufzuschlagen, kann das Ion den Kondesator verlassen, so 
dass dieser keine Kraft mehr auf es ausübt. Um das Elektron wieder 
zurückzubringen müsste dieselbe Energie wieder aufgewendet werden. 
Energieerhaltung ist also erfüllt.
Zurück zum Antrieb:
Wenn jetzt noch der Neutralisator ins Spiel kommt, hat das Xenon kein 
Intersse mehr daran zur Sonde zurückzukehren und fliegt weiter.

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Du könntest teilweise recht haben. Wahrscheinlich wird die eigentliche 
Arbeit beim Ionisieren verrichtet. Ab dem Punkt der Ionisation hat das 
positive Ion ein Potential gegenüber dem Minuspol des Kondensators. Die 
frei gewordenen Ionen müssen auf die negativ geladene Platte gepumpt 
werden. Hoffentlich ist meine Idee verständlich.

Ich habe noch eine Skizze erstellt. Vielleicht wird das dadurch 
deutlicher. Theoretisch müsste das dann ohne das positive Gitter 
funktionieren. Ich vermute, dass es zur Bündelung des E-Feldes dient, 
sodass möglichst alle Ionen - unabhängig vom Ort, wo sie ionisiert 
wurden - das volle Potential durchlaufen.

Autor: Bastler (Gast)
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Nein, das ist nicht richtig.
Ob du Xenon ionisierst und das Ion dann auf 1km/sec beschleunigst oder 
auf 10km/sec hat keine Auswirkung auf den Vorgang der Ionisation selbst. 
Die Energie zum ionisieren eines Stoffes ist keine Funktion eines 
äusseren elektrischen Feldes, sondern eine Konstante.

>>Ab dem Punkt der Ionisation hat das positive Ion ein Potential gegenüber >>dem 
Minuspol des Kondensators.
Solange sich das positive Ion links der positiven Platte befindet, hat 
es keine potentielle Energie, da der Kondensator nach aussen hin 
ladungsneutral ist und das Feld zum Beschleunigen nur in seinem inneren 
existiert.

Autor: Maxim S. (maxim) Benutzerseite
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Auf der positiven Platte liegt eine Spannung von etwa 1000V an. Das 
bedeutet, dass die Konzentration der Ionen in der Ionisierungskammer so 
hoch sein muss, dass sie dieses Potential überwinden müssen um in das 
beschleunigende E-Feld zu kommen. Erreicht die Spannung in der 
Ionisierungskammer 1000V, gleichen sich die Abstoßenden Kräfte zwischen 
den Ionen und dem positiven Gitter aus und die Ionen können durch das 
Gitter diffundieren. Ab da befinden sie sich in einem Potential von 
1000V + dem Potential vom negativ geladenen Gitter.

Autor: Bastler (Gast)
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>>Auf der positiven Platte liegt eine Spannung von etwa 1000V an.
Im Verhälnis zur negativen Platte! Nicht aber zum Ionisator, das kann 
man auch machen, ist aber nicht sinnvoll. s.u.

Angenommen, Beschleunigungskondensator und Teilchenerzeuger sind 
galvanisch getrennt und es existiert kein Feld zwischen ihnen, dann gilt 
mein Beitrag
von 24.02.2008 11:55. Es werden nur Teilchen beschleunigt, die zufällig 
in das Feld im Innenraum kommen. Sie werden links der Anode nicht 
abgestoßen (da kein Feld im Aussenraum existiert).

Wenn doch eine Spannungsquelle zwischen Beschleunigungskondensator und 
Teilchenerzeuger vorhanden ist:
=> http://pen.physik.uni-kl.de/medien/oscillo/images/...
Ob wir jetzt Elektronen oder Ionen betrachten ist für den Vorgang der 
Beschleunigung egal, solange die Spannungen die richtige Polarität 
haben.
Deine Kondensatorplatten werden vom Wehneltzylinder und der Andode 
gebildet. Der Teilchenerzeuger ist hier die Kathode.

>>Erreicht die Spannung in der Ionisierungskammer 1000V, gleichen sich die 
>>Abstoßenden Kräfte zwischen den Ionen und dem positiven Gitter aus und die Ionen 
>>können durch das Gitter diffundieren.

Die Spannung zwischen Teilchenerzeuger und Wehneltzylinder ist 
einstellbar und betragsmäßig stets kleiner als die zwischen W.zylinder 
und Anode, sonst funktioniert das nicht.

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