Grundlagen der Elektrizität: Atome und Stromkreise

Grundlagen der Elektrizität

Das Atom

Das Atom ist die Grundeinheit, aus der Materie besteht. Es besteht aus einem Kern mit Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. Elektronen haben eine negative Ladung, während Protonen positiv geladen sind. Neutronen sind neutral. Diese Teilchen bestimmen die Eigenschaften der Materie.

Elektrische Ladung und Strom

Die Ladung ist eine Eigenschaft von Körpern, die für elektrische Phänomene verantwortlich ist. Man nennt die gerichtete Bewegung kontinuierlicher Elektronen Strom.

Leitfähigkeit

• Leitfähige Materialien (Leiter) erlauben den Durchgang des elektrischen Stroms.
• Dämmstoffe (Isolatoren) erlauben den Durchgang von elektrischem Strom nicht.

Der Elektrische Stromkreis

Bestandteile eines Stromkreises

Eine Schaltung besteht aus einer Reihe von miteinander verbundenen Elementen, durch welche ein elektrischer Strom fließt.

Energiequelle

Ein Generator ist ein Gerät, das die notwendige Energie liefert, um Elektronen zu bewegen. Dies können Batterien, Generatoren, Lichtmaschinen, Solar-Photovoltaik-Zellen oder Wasserstoff-Zellen sein. Er besitzt zwei Pole, einen positiven und einen negativen. Die Verbindungspole werden üblicherweise mit Leitern aus Kupfer oder Aluminium verbunden.

Verbraucher und Steuerung

• Elektrische Rezeptoren wandeln elektrische Energie in eine andere nutzbare Energieform um.
• Elemente der Steuerung und Schutz-Geräte ermöglichen die direkte Steuerung und das Manövrieren oder das Unterbrechen des Durchgangs von elektrischem Strom.
• Schutzeinrichtungen unterbrechen den Stromfluss, wenn dieser zu hoch wird.

Darstellung von Stromkreisen

Ein Diagramm einer elektrischen Schaltung ist eine grafische Darstellung in Symbolen, die die Elemente verwendet, die die Schaltung bilden.

Verbindungsarten

Die Elemente einer Schaltung können auf zwei Arten verbunden werden:

1. Serie: Eines unter dem anderen, sodass der Ausgang eines Elements der Eingang des nächsten ist.
2. Parallel: Jedes Element ist parallel geschaltet, sodass alle Elemente die gleichen Ein- und Ausgänge haben (gleiche Spannung anliegen haben).

Wirkungen des Elektrischen Stroms

Die elektrischen Ströme verursachen verschiedene Effekte in den Elementen, indem sie elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln. Wir können beobachten:

Wärme

Wenn Elektronen mit den Atomen des Materials, durch das sie fließen, zusammenstoßen, wird Energie in Wärme umgewandelt. Elemente, die häufig zur Wärmeerzeugung verwendet werden, werden als Widerstände bezeichnet.

Licht

Wenn Körper durch einen elektrischen Strom erhitzt werden und ihre Temperatur stark ansteigt, beginnen sie, Licht auszusenden. Dieses Phänomen nennt man Weißglut.

Bewegung

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Bewegung wird durch Motoren durchgeführt.

Elektrische Kenngrößen

Die Belastung

Die Belastung ist die Höhe des Stromverbrauchs in einem Körper.

Grundlegende elektrische Größen

• Spannung oder Potentialdifferenz: Beschreibt die Differenz zwischen zwei Punkten einer Schaltung, bezeichnet mit dem Buchstaben V, und wird in Volt (V) gemessen.
• Stromstärke: Die Menge an Elektronen, die einen bestimmten Punkt der Schaltung pro Sekunde durchläuft, bezeichnet mit dem Buchstaben I, und wird in Ampere (A) gemessen.
• Der Widerstand: Ist der Widerstand, den die Elemente dem Durchgang von elektrischem Strom entgegensetzen, bezeichnet mit dem Buchstaben R, und wird in Ohm ($\Omega$) gemessen.

Messinstrumente

• Voltmeter: Misst die elektrische Spannung. Es hat verschiedene Skalen in Volt oder Millivolt.
• Amperemeter (auch als Tester bekannt): Dient zur Durchführung elektrischer Messungen verschiedener Größen in verschiedenen Messbereichen. Es misst die Stromstärke. Es muss der geeignete Maßstab gewählt werden, um die Stromstärke in Ampere oder Tausenden von Ampere messen zu können.