Grundlagen der Elektrizität: Atom, Strom, Schaltungen & Ohmsches Gesetz

Das Atom: Aufbau und Bestandteile

Das Atom ist die kleinste Einheit der Materie und besteht aus einem **Atomkern** sowie einer **Elektronenhülle**. Der Atomkern enthält **Protonen** (positiv geladen) und **Neutronen** (ungeladen), während die **Elektronen** (negativ geladen) den Kern umkreisen.

Elektrische Ladung

Die **elektrische Ladung** ist eine fundamentale Eigenschaft von Materie, die für elektrische Phänomene verantwortlich ist. Körper mit gleicher Ladung stoßen sich ab, während sich Körper mit entgegengesetzter Ladung anziehen.

Statische Elektrizität

**Statische Elektrizität** entsteht, wenn elektrische Ladungen auf einem Material in Ruhe verbleiben und sich nicht bewegen können.

Elektrischer Strom

**Elektrischer Strom** ist die gerichtete Bewegung von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern).

Leitermaterialien

**Leitermaterialien** sind Stoffe, die den Durchgang von elektrischem Strom ermöglichen.

Isolationsmaterialien

**Isolationsmaterialien** sind Stoffe, die den Durchgang von elektrischem Strom nicht zulassen.

Elektrischer Schaltkreis

Ein **elektrischer Schaltkreis** ist eine Anordnung von miteinander verbundenen Elementen, durch die elektrischer Strom fließen kann. Er besteht typischerweise aus:

• einem **Generator** (Energiequelle)
• **Leitern** (Kabel)
• einem **Schalter** zum Öffnen und Schließen des Stromkreises
• sowie **Verbrauchern** (Empfängern), die die elektrische Energie umwandeln.

Generatoren und Energieumwandlung

Ein **Generator** erzeugt und liefert elektrische Energie. Beispiele hierfür sind:

• **Batterien oder Akkus:** Erzeugen Gleichstrom durch chemische Reaktionen.
• **Generatoren oder Lichtmaschinen:** Wandeln Bewegungsenergie in elektrische Energie um.
• **Solarzellen:** Nutzen die Energie der Sonne zur Stromerzeugung.
• **Wasserstoff-Brennstoffzellen:** Gewinnen Energie aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

**Leiter** transportieren die elektrische Energie. **Verbraucher** (Empfänger) wandeln die elektrische Energie in andere Energieformen um, wie zum Beispiel:

• Wärme (z.B. Heizung)
• Licht (z.B. Glühbirne)
• Bewegung (z.B. Elektromotor)

Steuer- und Schutzelemente

**Steuerelemente** (z.B. Schalter, Relais) dienen dazu, den Stromfluss zu unterbrechen oder umzuleiten.

**Schutzvorrichtungen** (z.B. Sicherungen, Fehlerstromschutzschalter) verhindern Schäden an der elektrischen Installation oder Verletzungen von Personen.

Die elektrische Ladung (Q)

Die **elektrische Ladung** (Formelzeichen **Q**) ist die Menge an Elektrizität, die in einem Körper gespeichert ist. Ihre Einheit ist das **Coulomb (C)**.

Die elektrische Spannung (U)

Die **elektrische Spannung** (Formelzeichen **U**) ist die Energie, die ein Generator pro Ladungseinheit bereitstellt, um die Ladung in Bewegung zu versetzen. Ihre Einheit ist das **Volt (V)**.

Die Stromstärke (I)

Die **elektrische Stromstärke** (Formelzeichen **I**) gibt die Anzahl der Elektronen an, die pro Sekunde einen bestimmten Punkt in einem Stromkreis passieren. Ihre Einheit ist das **Ampere (A)**.

Der elektrische Widerstand (R)

Der **elektrische Widerstand** (Formelzeichen **R**) ist der Widerstand, den die Elemente eines Schaltkreises dem Durchgang von elektrischem Strom entgegensetzen. Seine Einheit ist das **Ohm (Ω)**.

Messgeräte für elektrische Größen

Zur Messung elektrischer Größen werden verschiedene Instrumente verwendet:

Voltmeter

Ein **Voltmeter** misst die elektrische Spannung und wird parallel zum zu messenden Bauteil (z.B. Generator oder Verbraucher) geschaltet.

Multimeter (Polymeter)

Ein **Multimeter** (auch Polymeter genannt) ist ein vielseitiges Messgerät zur Messung verschiedener elektrischer Größen wie Spannung, Stromstärke und Widerstand in unterschiedlichen Messbereichen.

Amperemeter

Ein **Amperemeter** misst die elektrische Stromstärke und wird in Reihe mit dem Bauteil geschaltet, dessen Stromstärke gemessen werden soll.

Das Ohmsche Gesetz

Das **Ohmsche Gesetz** beschreibt die fundamentale Beziehung zwischen Spannung (**U**), Stromstärke (**I**) und Widerstand (**R**) in einem elektrischen Stromkreis. Es wird ausgedrückt durch die Formel:

U = I × R

Daraus ergeben sich auch die Umstellungen:

• I = U / R
• R = U / I

Spannung und Stromstärke sind bei konstantem Widerstand direkt proportional zueinander. Das bedeutet, wenn die Spannung verdoppelt wird, verdoppelt sich auch die Stromstärke, und wenn die Spannung reduziert wird, reduziert sich auch die Stromstärke (vorausgesetzt, der Widerstand bleibt gleich).