Grundlagen der Elektrizität und elektrische Stromkreise

Grundlagen der Elektrizität

Strom

Strom ist eine Form der Bewegung von Elektronen. Materie besteht aus Molekülen. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Protonen haben Masse und eine positive elektrische Ladung, während Neutronen keine elektrische Ladung besitzen.

Elektrische Ladung

Ein Körper ist negativ geladen, wenn er einen Überschuss an Elektronen hat. Er ist positiv geladen, wenn er einen Mangel an Elektronen hat. Ein Körper ist neutral, wenn die Anzahl der Elektronen der Anzahl der Protonen entspricht. Die elektrische Ladung eines Körpers ist der Überschuss oder Mangel an Elektronen und wird in Coulomb (C) gemessen.

1 Elektron (e) = 1,6 x 10^-19 C

1 C = 6,24 x 10¹⁸ e

Spannung (V)

Die Spannung (V), auch Potenzialdifferenz genannt, ist die Differenz der Energie pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten. Sie wird in Volt (V) gemessen.

Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand ist der Widerstand, den ein Leiter dem Durchgang von Elektronen entgegensetzt.

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist die Bewegung elektrischer Ladung durch einen Leiter. Leiter enthalten eine große Menge freier Elektronen.

Voraussetzungen für elektrischen Strom:

• Freie Elektronen: Je mehr freie Elektronen vorhanden sind, desto mehr Strom fließt.
• Potenzialdifferenz: Diese zieht die Elektronen an und stößt sie ab, wodurch sie sich bewegen.

Arten von Strom:

1. Gleichstrom (DC): Zum Beispiel von Batterien.
2. Wechselstrom (AC): Zum Beispiel von Lichtmaschinen (Generatoren).

Stromstärke (I)

Die Stromstärke (I) ist die Menge der elektrischen Ladung, die einen Querschnitt eines Leiters pro Zeiteinheit durchquert. Sie wird in Ampere (A) gemessen.

Elemente eines elektrischen Stromkreises

Elektrische Generatoren

Generatoren sind Geräte, die elektrische Energie erzeugen.

Lichtmaschinen:

Lichtmaschinen sind Wechselstromgeneratoren, die mechanische Energie in Wechselstromenergie umwandeln.

Dynamos:

Dynamos erzeugen Gleichstrom und wandeln mechanische Energie in Gleichstrom um.

Batterien:

Batterien erzeugen durch eine chemische Reaktion Gleichstromenergie.

Photovoltaik-Zellen:

Photovoltaik-Zellen sind Halbleiter, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln.

Anschluss von Generatoren

Generatoren können miteinander verbunden werden, um unterschiedliche Spannungen und Kapazitäten zu erreichen. Sie können auf zwei Arten verbunden werden:

Reihenschaltung:

Bei einer Reihenschaltung werden die Generatoren hintereinander geschaltet, wobei die entgegengesetzten Pole miteinander verbunden werden. Die Gesamtspannung erhöht sich, während der Strom gleich bleibt. Fällt ein Generator aus, fließt kein Strom mehr durch den gesamten Stromkreis.

Parallelschaltung:

Bei einer Parallelschaltung werden die Generatoren mit den gleichen Polen miteinander verbunden. Die Gesamtstromstärke erhöht sich, während die Spannung gleich bleibt. Wenn die Spannungen der parallel geschalteten Batterien nicht gleich sind, kann ein Kurzschluss auftreten.

Elektrische Empfänger

Elektrische Empfänger sind Geräte, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln.

Motoren

Motoren sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln.

Gleichstrommotoren (DC):

Diese Motoren verwenden Gleichstrom.

Wechselstrommotoren (AC):

Diese Motoren benötigen Wechselstromenergie.

Lampen

Lampen sind Geräte, die elektrische Energie in Licht umwandeln.

LED (Light Emitting Diode)

Eine Diode ist ein Bauelement, das Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Eine LED wandelt elektrische Energie in Licht um. Die Polarität (Anode/Kathode) ist wichtig für die Funktion.

Summer

Summer wandeln elektrische Energie in Schall um (bei Gleichstrom).

Lautsprecher

Lautsprecher wandeln elektrische Energie in Schall um (bei Wechselstrom).

Widerstände

Widerstände reduzieren den Stromfluss in einem Stromkreis.

Elektromagnete

Elektromagnete wandeln elektrische Energie in ein Magnetfeld um, das mechanische Arbeit verrichten kann.

Bedienelemente

Schalter

Schalter dienen zum Öffnen oder Schließen eines elektrischen Stromkreises.

Taster

Ein Taster ist ein temporärer Schalter, der den Stromkreis nur so lange öffnet oder schließt, wie er betätigt wird.

Kippschalter

Ein Kippschalter ermöglicht es, den Strompfad durch Umlegen eines Hebels zu ändern.

Kreuzschalter

Kreuzschalter sind Schalter, die es ermöglichen, denselben Empfänger von zwei oder mehr Stellen aus zu steuern.

Umpolschalter

Ein Umpolschalter wird verwendet, um die Drehrichtung eines Motors umzukehren.

Anschluss von Steuerelementen

Wenn mehrere Schalter in Reihe geschaltet sind, fließt der Strom nur, wenn alle Schalter geschlossen sind. Ist einer oder mehrere geöffnet, fließt kein Strom durch den Stromkreis.

Schutzelemente

Schutzelemente dienen dazu, Geräte und Stromkreise vor Überlastung zu schützen.

Sicherungen

Sicherungen sind Schutzelemente, die in Reihe in einen Stromkreis geschaltet werden, um ihn vor übermäßigem Stromverbrauch zu schützen.

Kurzschluss

Ein Kurzschluss tritt auf, wenn ein Stromkreis ohne einen Verbraucher geschlossen wird, wodurch ein sehr hoher Strom fließt. Die Elektronen stoßen auf keinen nennenswerten Widerstand, was zu einer Überhitzung und Beschädigung des Leiters oder der Stromquelle führen kann.