Grundlagen der Elektrizität und des Magnetismus

Strom

Der elektrische Strom ist eine geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen durch ein Material. Die Ladungen, die einen elektrischen Strom tragen, besitzen elektrische Energie. Diese Energie kann in andere Energieformen umgewandelt werden, wie Licht, Wärme oder Bewegung. Je mehr Ladungen durch ein Material fließen, desto stärker ist der Strom.

Leiter und Isolatoren

Nicht alle Materialien leiten Strom gleich gut. Es gibt zwei Arten von Materialien:

• Leiter: Materialien, die elektrischen Strom gut leiten, werden als Leiter bezeichnet. In ihnen können sich elektrische Ladungen leicht bewegen. Kupfer, Silber und im Allgemeinen alle Metalle sind gute Leiter des elektrischen Stroms.
• Isolatoren: Materialien, die den Strom nicht leiten, werden Isolatoren genannt. In diesen können sich elektrische Ladungen nicht bewegen. Beispiele hierfür sind Holz, Kunststoff, Gummi oder Glas.

Die Wirkungen des elektrischen Stroms

Wärmewirkung: Wenn elektrischer Strom durch ein Kabel fließt, erwärmt sich dieses. Dies geschieht beispielsweise in einem Toaster oder einem Bügeleisen.

Lichtwirkung: Elektrischer Strom kann Licht erzeugen, wie in einer Glühbirne oder auf Fernsehbildschirmen.

Akustische Wirkung (Sound-Effekt): Elektrischer Strom wird in Lautsprechern in Schall umgewandelt, wie bei einem Fernseher.

Magnetische Wirkung: Ein stromdurchflossenes Kabel verhält sich wie ein Magnet und kann daher andere Magnete anziehen oder abstoßen. Dieses Prinzip wird bei Elektromagneten genutzt.

Mechanische Wirkung: In Elektromotoren wird elektrischer Strom verwendet, um Drehbewegungen zu erzeugen. Die Motoren bestehen oft aus einem Magneten und einem Stück Leitungsdraht, der um eine Welle gewickelt ist. Es gibt viele elektrische Geräte, die diese Wirkung nutzen: Ventilatoren, Mixer, Bohrer und verschiedene Spielzeuge.

Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung von elektrischen Ladungen durch ein leitfähiges Material. Er kann verwendet werden, um Bewegung zu erzeugen oder Wärme, Licht und Ton zu generieren.

Elektrische Ladungen

Elektrische Ladungen in Objekten

Alle elektrischen Phänomene treten aufgrund der Existenz von elektrischen Ladungen auf Körpern auf. Diese Ladungen sind auch für den Betrieb von elektronischen Geräten verantwortlich. Elektrische Ladungen gibt es auf allen Objekten, wie in Ihrem eigenen Körper oder den Sternen. Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen: positive und negative elektrische Ladungen.

Wie laden sich Körper auf?

Alle Objekte um uns herum haben normalerweise die gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen und sind daher elektrisch neutral.

• Wenn ein Körper negative Ladungen (Elektronen) verliert, hat er mehr positive als negative Ladungen und ist somit positiv geladen.
• Wenn ein Körper negative Ladungen (Elektronen) gewinnt, hat er mehr negative als positive Ladungen und ist somit negativ geladen.

Kräfte zwischen elektrischen Ladungen

Geladene Körper üben Kräfte auf andere geladene Körper aus. Diese Kräfte können anziehend oder abstoßend sein und wirken über eine Distanz:

• Elektrische Ladungen gleicher Art stoßen sich ab. Das heißt, zwei positiv geladene Objekte stoßen sich ab, ebenso wie zwei negativ geladene Objekte.
• Elektrische Ladungen unterschiedlicher Art ziehen sich an. Ein negativ geladenes Objekt und ein positiv geladenes Objekt ziehen sich an.

Alle Materie enthält elektrische Ladungen, die positiv oder negativ sein können. Elektrische Ladungen können von einem Objekt auf ein anderes übergehen.

Elektrische Stromkreise

Komponenten eines Stromkreises

Ein elektrischer Stromkreis besteht aus mehreren miteinander verbundenen Elementen, durch die elektrischer Strom fließt. Dazu gehören:

• Generator (Stromquelle): Erzeugt den elektrischen Strom. Er hat zwei Pole oder Anschlüsse (Terminals). An einem Pol treten die Ladungen aus, am anderen treten sie ein.
• Leitungen (Drähte): Transportieren den elektrischen Strom.
• Verbraucher: Wandeln elektrische Energie um, z.B. Lampen (in Licht und Wärme), Motoren (in Bewegung).
• Schalter: Steuern den Stromfluss, d.h., sie unterbrechen oder schließen den Stromkreis.

Generatoren (Stromquellen)

Arten von Generatoren (Stromquellen):

• Batterien: Sind die einfachsten Generatoren. In ihnen erzeugen chemische Reaktionen einen elektrischen Strom.
• Akkumulatoren (Akkus): Funktionieren ähnlich wie Batterien, können aber wieder aufgeladen werden, wenn sie verbraucht sind.
• Solarzellen (Photovoltaikzellen): Nutzen Sonnenlicht und wandeln es direkt in elektrischen Strom um.
• Lichtmaschinen und Dynamos: Erzeugen elektrische Energie durch die Drehbewegung einer Maschine.

Das elektrische Netz

Wenn ein Gerät an das elektrische Netz angeschlossen und der Schalter betätigt wird, beginnt elektrischer Strom zu fließen und das Gerät arbeitet. Eine Steckdose hat üblicherweise zwei Öffnungen (Löcher). Aus einer Öffnung treten die elektrischen Ladungen aus und in die andere treten sie ein. Die Steckdose ist an das öffentliche Stromnetz angeschlossen.

Elektrische Stromkreise bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Elementen, durch die elektrischer Strom fließt. Damit Strom durch einen Kreis fließen kann, muss dieser geschlossen sein.

Magnete und Magnetismus

Magnete

Ein Magnet ist ein Objekt, das in der Lage ist, andere Objekte aus Eisen und bestimmten Metallen anzuziehen. Diese Eigenschaft wird Magnetismus genannt. Es gibt Mineralien wie Magnetit, die von Natur aus magnetisch sind. Mit diesen Mineralien können natürliche Magnete hergestellt werden. Fast alle Magnete, die wir benutzen, sind künstliche Magnete. Metallgegenstände, die von einem Magneten angezogen werden, können sich vorübergehend selbst wie ein Magnet verhalten.

Kräfte zwischen Magneten

Alle Magnete haben zwei Bereiche, die als magnetische Pole bezeichnet werden: den Nordpol und den Südpol. Wenn wir zwei Magnete annähern, können sie sich anziehen oder abstoßen:

• Ungleichnamige Pole ziehen sich an (z.B. Nordpol und Südpol).
• Gleichnamige Pole stoßen sich ab (z.B. Nordpol und Nordpol oder Südpol und Südpol).

Erdmagnetismus

Die Erde verhält sich wie ein riesiger Magnet. Die magnetischen Pole der Erde liegen in der Nähe des geografischen Nord- und Südpols. Dies wird für die Navigation mit einem Kompass genutzt.

Der Elektromagnet

Ein Elektromagnet ist ein Bauteil, das wie ein Magnet wirkt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt, und seine magnetische Wirkung verliert, wenn der Strom abgeschaltet wird.

Anwendungen des Magnetismus

Magnete und Elektromagnete haben vielfältige Anwendungen:

• Im Alltag: Türschlösser, Lautsprecher, Mikrofone, in Motoren.
• Industrie: Zum Heben von Lasten (z.B. Schrott), in Hochgeschwindigkeitszügen (Magnetschwebebahnen), zum Entfernen von Metallobjekten aus Abfällen oder in Sortieranlagen.
• Datenspeicherung (Magnetische Medien): Kassetten, Videobänder, Computer-Festplatten und Speicherkarten für Handys oder Digitalkameras speichern Informationen magnetisch.
• Magnetstreifen: Schwarze Streifen auf Kreditkarten, Kundenkarten oder Tickets speichern ebenfalls Informationen.

Magnete sind Objekte, die einige Gegenstände aus Metall anziehen können. Sie können auch andere Magnete anziehen oder abstoßen. Die Erde selbst wirkt wie ein riesiger Magnet.