Grundlagen der Elektrizität: Elektronen, Strom & Schaltungen

Was ist ein Elektron?

Ein Elektron ist ein elementares oder subatomares Teilchen vom fermionischen Typ.

Elektronen und Stromleitung

Ein Elektron ist negativ geladen. Wenn sich Elektronen bewegen, leiten sie elektrischen Strom.

Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom ist der Fluss von Ladung pro Zeiteinheit (pro Sekunde), der durch ein Material fließt.

Arten von elektrischem Strom

Gleichstrom (DC)

Die Elektronen fließen immer in die gleiche Richtung.

Wechselstrom (AC)

Die Elektronen ändern ihre Flussrichtung typischerweise 50 Mal pro Sekunde.

Das Ohmsche Gesetz

• R = Widerstand, gemessen in Ohm (Ω). Formel: R = U / I
• I = Stromstärke (Intensität), gemessen in Ampere (A). Formel: I = U / R
• U = Spannung (Potentialdifferenz), gemessen in Volt (V). Formel: U = R × I

Was ist ein elektrischer Stromkreis?

Ein elektrischer Stromkreis ist der Weg, auf dem Elektronen fließen.

Grundlegende Bestandteile eines Stromkreises:

• Ein Leiter (z.B. Draht)
• Ein Verbraucher (z.B. Lampe, Summer)
• Eine Energiequelle (z.B. Generator, Batterie)

Komponenten eines elektrischen Stromkreises

Generatoren / Energiequellen:

• Batterien, Akkumulatoren

Verbraucher:

• Relais, Glühbirnen, Motoren, Lautsprecher

Bedienelemente:

• Schalter, Taster

Schutzelemente:

• Sicherungen, Schutzwiderstände

Messinstrumente:

• Amperemeter, Voltmeter

Elektrische Größen und ihre Einheiten

Spannung (U)

Auch als Potentialdifferenz bezeichnet, gemessen in Volt (V).

Stromstärke (I)

Gemessen in Ampere (A). Sie beschreibt die Menge an Ladung, die pro Sekunde durch einen Leiter fließt.

1 Ampere (A) = 1 Coulomb / Sekunde

Widerstand (R)

Der Widerstand ist der Widerstand, den ein Material dem elektrischen Stromfluss entgegensetzt, gemessen in Ohm (Ω).

Reihenschaltung

Zwei oder mehr Komponenten sind in Reihe geschaltet, wenn der Ausgang des einen Elements der Eingang des nächsten ist.

• Der Strom ist in allen Elementen gleich.
• Die Gesamtspannung ist die Summe der Spannungen über jedem Element.
• Gesamtwiderstand: R_gesamt = R₁ + R₂ + R₃ + ...

Parallelschaltung

Die Komponenten sind so angeordnet, dass sie alle den gleichen Anfangs- und Endpunkt teilen.

• Die Potentialdifferenz (Spannung) ist über allen Elementen gleich.
• Gesamtspannung: U_gesamt = U₁ = U₂ = U₃ = ...
• Gesamtstrom: I_gesamt = I₁ + I₂ + I₃ + ...

Gemischte Schaltung

Eine gemischte Schaltung ist eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltungen.

Elektrische Leistung und Energie

Elektrische Leistung (P) beschreibt die Fähigkeit eines Verbrauchers, Energie in einer bestimmten Zeit umzuwandeln.

Leistungsformel:

P = U × I

Energieverbrauch:

Gemessen in Kilowattstunden (kWh).

• 1 kWh = 3.600.000 Joule (J) = 3600 kJ
• Das Joule ist die SI-Einheit der Energie. Kalorien sind eine andere Einheit für Energie, wobei 1 Kalorie ≈ 4,184 Joule.
• Wenn die Leistung (P) eines Verbrauchers bekannt ist, lässt sich die elektrische Energie (E) leicht berechnen.
• Energieformel: E = P × t
• E = Energie, gemessen in Joule (J)
• P = Leistung, gemessen in Watt (W) oder Kilowatt (kW)
• t = Zeit, gemessen in Sekunden (s) für Joule oder Stunden (h) für Kilowattstunden