Grundlagen der Elektrizität und Elektrotechnik

Bedeutung des elektrischen Stroms

Strom ist ein sehr wichtiger Bestandteil in der Entwicklung des modernen Lebens. Dank ihm können wir Annehmlichkeiten wie Licht, Fernsehen und Musik genießen sowie elektrische Geräte verwenden. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass ohne Strom fast alles stillsteht.

Zu beachten ist, dass Strom eine natürliche Interaktion ist, die ihren Ursprung in den Elementarteilchen hat, welche die Atome bilden. Das Wort Strom leitet sich vom griechischen Wort elektron (Bernstein) ab.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist eine innere Eigenschaft der Elementarteilchen, ebenso wie die Masse. Es gibt negativ geladene Elektronen und Protonen mit einer positiven Ladung (+).

Elektrisierung von Körpern

Wenn ein Phänomen dazu führt, dass Atome, die einen Körper bilden, Elektronen verlieren oder gewinnen, wird der Körper elektrifiziert.

Neutraler Körper

Körper sind in der Regel neutral, weil ihre positiven und negativen elektrischen Ladungen ausgewogen sind. Das liegt daran, dass die Atome, welche die Körper bilden, in der Regel die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen haben.

Methoden der Elektrisierung

• Elektrisierung durch Reibung: Dies beinhaltet das Reiben von zwei verschiedenen Materialien miteinander, wie Wolle und Glas, Kunststoff oder Seide. In diesem Fall gibt es einen Elektronentransfer zwischen einem Körper und einem anderen. Der Körper, der Elektronen verliert, wird positiv (+) geladen, und derjenige, der Elektronen gewinnt, wird negativ (-) geladen.
• Elektrisierung durch Kontakt: Hierbei berührt ein neutraler Körper einen anderen, bereits elektrifizierten Körper. Dabei findet ein Elektronentransfer statt.
• Elektrisierung durch Induktion: Tritt auf, wenn sich ein geladener Körper einem neutralen Körper nähert, ohne ihn zu berühren. Der neutrale Körper wird zunächst polarisiert (Trennung der negativen und positiven Ladungen). Wenn er dann mit der Erde oder anderen Materialien verbunden wird, ermöglicht dies die Bewegung von Elektronen, was zu einem Überschuss oder Defizit im Körper führt.

Anziehung und Abstoßung von Ladungen

Mitte des 18. Jahrhunderts zeigte der amerikanische Physiker Benjamin Franklin, dass sich zwei gleiche elektrische Ladungen abstoßen und zwei elektrische Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen anziehen.

Die Einheit Coulomb (C)

Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb. Ein Coulomb entspricht der Gesamtladung von 6,25 x 10¹⁸ Elektronen.

Polarisation

Sie besteht in einer Neuordnung der elektrischen Ladungen innerhalb eines Körpers.

Statische Elektrizität

Die elektrische Ladung geht von einem Körper zum anderen über, bleibt aber nicht im Umlauf. Eine alltägliche Demonstration der statischen Elektrizität sind Funken, die man bei Kleidung (vor allem Kunststoffen) in der Dunkelheit beobachten kann.

Elektrischer Stromfluss

Dies entspricht der Bewegung der elektrischen Ladung von einem Punkt zum anderen durch einen Leiter. Der elektrische Strom ermöglicht den Betrieb von Elektrogeräten.

Elektrische Stromstärke

Dies entspricht der Menge der Ladung, die einen Querschnitt eines Leiters pro Zeiteinheit durchläuft. Die mathematische Beziehung lautet:

I = Q / t

Wobei:

• I = elektrische Stromstärke
• Q = elektrische Ladung (C)
• t = Zeit (s)

Ampere (A) ist die Einheit der elektrischen Stromstärke (C/s). Oft werden Teile dieser Einheit verwendet, wie das Milliampere (1 mA = 10^-3 A) und das Mikroampere (1 µA = 10^-6 A).

Arten von Strom

• Nullstrom: In einem Leiter ist der elektrische Strom gleich Null, wenn zwar eine Bewegung von Elektronen (Ladung) stattfindet, der Nettofluss aber Null ist. Das bedeutet, einige Elektronen bewegen sich in einem Querschnitt von einem Ort zum anderen und andere in die entgegengesetzte Richtung.
• Gleichstrom (Continuous Current): Wenn der Netto-Umlauf von Elektronen stetig in eine Richtung erfolgt.
• Wechselstrom (Alternating Current): Wenn die Verkehrsrichtung abwechselnd wechselt.

Fließrichtung des Stroms

Die technische Stromrichtung entspricht der entgegengesetzten Richtung zur Bewegung der Elektronen. Im Falle von Batteriezellen und Akkumulatoren bewegen sich die Elektronen vom Minuspol (-) zum Pluspol (+), während der elektrische Strom dann als in die entgegengesetzte Richtung fließend definiert wird.

Elektrische Spannung

Spannung kann als die Fähigkeit einer elektrischen Ladung verstanden werden, sich in der Gegenwart einer elektrischen Kraft zu bewegen. Spannung ist Energie pro Ladung. In unseren Häusern finden wir üblicherweise eine effektive Wechselspannung von 220V, im Gegensatz zu anderen Ländern, in denen die Spannung 110V beträgt. Die Spannung wird auch als elektrische Potentialdifferenz bezeichnet.

Potentialdifferenz

Dies kann man verstehen, wenn man einen Wasserfall betrachtet. Der Höhenunterschied zwischen dem oberen Rand des Wasserfalls und dem Boden sorgt dafür, dass das Wasser von oben nach unten fließt. Etwas Ähnliches passiert beim elektrischen Strom: Wenn zwei Punkte unterschiedliche Ladungsvorzeichen, Positionen oder Größen haben, entsteht eine elektrische Spannung zwischen ihnen. Dies veranlasst die elektrischen Ladungen, sich von einem Punkt zum anderen zu bewegen, um das Potenzial auszugleichen.

Die Einheit Volt (V)

Das Gerät zur Messung der Spannung hat das Symbol V. Eine Spannung von 1 Volt bedeutet, dass eine Ladung von 1 Coulomb zwischen zwei Punkten zu bewegen eine Energie von 1 Joule erfordert.

Alessandro Volta (1745–1827)

Die Maßeinheit der Spannung (Volt) ist nach dem italienischen Physiker benannt, der im Jahr 1800 auch die Batterie erfand.

Elektrischer Widerstand

Wenn wir den Fluss von elektrischen Ladungen mit Wasser in einer Leitung vergleichen, können wir den elektrischen Widerstand des Drahtes als ein Hindernis in der Rohrleitung verstehen, das den Wasserfluss behindert.

Faktoren beim elektrischen Widerstand

Der Widerstand hängt ab von:

• Dem Material des Leiters
• Der Länge des Leiters
• Der Querschnittsfläche des Leiters
• Der Temperatur

Die Maßeinheit ist das Ohm und wird mit dem griechischen Buchstaben Ω (Omega) symbolisiert. Vielfache sind kOhm und Megohm; Teile sind Milliohm.

Resistivität (Spezifischer Widerstand)

Jedes Material hat einen spezifischen Widerstand gegen den Fluss der elektrischen Ladung, der von seiner atomaren Struktur und der Temperatur abhängt.

Isolationsmaterialien und Leiter

Auf atomarer Ebene ist in Isoliermaterialien die Bindung der Elektronen sehr stark, was den Fluss der Elektronen behindert. Bei leitenden Materialien hingegen ist die Schwingung der Atome minimal, und die freien Elektronen können sich leicht durch sie hindurchbewegen und elektrische Ladungen transportieren.