Grundlagen der Elektrizität: Ladung, Strom & Schaltungen

Elektrische Ladung und Atome

Alle Körper bestehen aus Atomen. Atome wiederum setzen sich aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen. Protonen und Elektronen besitzen eine fundamentale Eigenschaft, die wir als elektrische Ladung bezeichnen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ.

Elektrischer Strom

Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern (meist Elektronen) durch ein leitendes Material, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium.

Elektrische Generatoren

Ein elektrischer Generator ist ein Gerät, das eine elektrische Spannung erzeugt und aufrechterhält. Diese Spannung ist die treibende Kraft für den elektrischen Strom.

Elektrische Stromkreise

Elektrische Stromkreise bestehen aus einem Generator (Spannungsquelle) und verschiedenen elektrischen Bauelementen, die durch leitende Drähte miteinander verbunden sind.

Komponenten eines Stromkreises

• Generator: Die Spannungsquelle (z. B. Batterie, Netzgerät).
• Leiter: Drähte, die die Komponenten verbinden und den Stromfluss ermöglichen.
• Verbraucher (Rezeptoren): Bauelemente, die elektrische Energie in andere Energieformen umwandeln (z. B. Lampen, Motoren, Widerstände).
• Schaltelemente: Elemente zur Steuerung des Stromflusses (z. B. Schalter).

Stromfluss und Energieumwandlung

Generatoren haben einen positiven und einen negativen Pol. Nach der technischen Stromrichtung fließt der Strom vom positiven Pol durch den äußeren Stromkreis zum negativen Pol. Auf seinem Weg durch den Stromkreis durchfließt der Strom die verschiedenen Verbraucher. Diese wandeln die elektrische Energie um: Widerstände erzeugen Wärme, Lampen erzeugen Licht und Wärme, Motoren erzeugen Bewegung usw. Damit ein elektrischer Strom fließen kann, muss der Stromkreis geschlossen sein.

Methoden der Stromerzeugung

Es gibt verschiedene Wege, elektrische Energie zu erzeugen:

• Durch chemische Reaktionen: Wenn zwei unterschiedliche Metalle in eine leitende Lösung (Elektrolyt) getaucht werden, entsteht durch chemische Reaktionen eine Spannung (z. B. in Batterien).
• Durch Bewegung (Induktion): Durch elektromagnetische Induktion in Generatoren, bei der Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld eine Spannung induziert wird.
• Durch Druck (Piezoelektrizität): Wenn bestimmte Materialien komprimiert oder gedehnt werden, erzeugen sie eine elektrische Spannung.
• Durch Licht (Photovoltaik): Bestimmte Materialien setzen Elektronen frei, wenn Licht auf sie trifft, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird (z. B. Solarzellen).

Grundlegende elektrische Größen

Spannung (Potentialdifferenz)

Die elektrische Spannung (U) ist die Energie, die benötigt wird, um elektrische Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen. Sie ist die Ursache für den elektrischen Strom und wird in Volt (V) gemessen.

Stromstärke (Intensität)

Die elektrische Stromstärke (I) ist definiert als die Menge der elektrischen Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Sie wird in Ampere (A) gemessen.

Elektrischer Widerstand

Der elektrische Widerstand (R) beschreibt, wie stark ein Material den Fluss des elektrischen Stroms behindert. Er wird in Ohm (Ω) gemessen und kann mit einem Ohmmeter bestimmt werden.

Das Ohmsche Gesetz

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand in vielen elektrischen Leitern bei konstanter Temperatur:

U = R * I oder I = U / R

Es besagt, dass die Stromstärke direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand ist.