Grundlagen der Elektrizität und des Magnetismus

Der elektrische Strom und elektrische Größen

• Grundlegende Größen

  • Spannung (V): Die Spannung beschreibt die Potentialdifferenz bzw. den Energieunterschied zwischen zwei Punkten.
  • Widerstand (R): Der Widerstand beschreibt den Widerstand eines Materials gegen den Fluss elektrischer Ladung.
  • Stromstärke (I): Die Stromstärke drückt die Menge der elektrischen Ladung aus, die pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt.

• Leistung und Energie

  • Elektrische Leistung (P): Die elektrische Leistung beschreibt die Energie, die ein Verbraucher pro Sekunde umsetzt.
  • Elektrische Energie (E): Die elektrische Energie wird für Verbraucher als das Produkt aus der zugeführten Spannung, der Stromstärke und der Zeit, in der das Gerät arbeitet, berechnet.

Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC)

Gleichstrom (DC)

Gleichstrom (DC): Der Strom fließt immer in dieselbe Richtung (von Plus nach Minus). Die Spannung und die Stromstärke sind konstant.

Wechselstrom (AC)

Wechselstrom (AC): Elektronen ändern ihre Fließrichtung periodisch (mit einer konstanten Frequenz). Die Frequenz der Wechselspannung ist abhängig von der Drehzahl der Generatoren. Die sinusförmige Spannung und der Strom schwanken entsprechend dieser Form. Die Wechselspannung kann Hunderte von Volt und die Stromstärke Werte von mehreren Ampere erreichen. Der angegebene Spannungswert ist meist der Effektivwert, der die gleiche Leistung wie eine gleichbleibende Gleichspannung erzeugen würde.

Messung elektrischer Größen

Elektrische Messgeräte

• Amperemeter: Misst die Stromstärke an jedem Punkt der Schaltung.
• Voltmeter: Misst den Spannungswert zwischen zwei Punkten einer Schaltung.
• Ohmmeter: Misst den Wert des elektrischen Widerstandes in Ohm (Ω).
• Wattmeter: Misst die elektrische Leistung, die von einer Maschine oder einem Gerät verbraucht wird.

Das Multimeter (oder Vielfachmessgerät) ist geeignet, um verschiedene elektrische Größen zu messen.

Messverfahren mit dem Multimeter

Messung der Stromstärke

• Verbinden Sie das rote Kabel mit der A-Buchse und das schwarze Kabel mit der COM-Buchse.
• Der Wahlschalter wird auf die Position A (Ampere) gestellt.
• Das Multimeter wird in Reihe (Serienschaltung) in den Stromkreis geschaltet.

Spannungsmessung

• Verbinden Sie das rote Kabel mit der V-Buchse und das schwarze Kabel mit der COM-Buchse.
• Der Wahlschalter wird auf die Position V (Volt) gestellt.
• Schließen Sie das Multimeter parallel zum Verbraucher an.

Widerstandsmessung

• Verbinden Sie das rote Kabel mit der V/Ω-Buchse und das schwarze Kabel mit der COM-Buchse.
• Der Wahlschalter wird auf die Position Ω (Ohm) gestellt.
• Verbinden Sie die Messspitzen mit den Enden des zu messenden Elements.

Magnetismus und Anwendungen

Arten von Magneten

• Natürliche Magnete: Materialien, die von Natur aus magnetisch sind (z. B. bestimmte Eisenerze).
• Künstliche Magnete: Materialien, die durch verschiedene Verfahren magnetische Eigenschaften erhalten.

Die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes

Je größer die Stromstärke, die durch einen Leiter fließt, desto größer ist die erzeugte magnetische Wirkung. Ein Elektromagnet ist ein künstlicher, temporärer Magnet, der durch das Anlegen von elektrischem Strom an einen Leiter erzeugt wird. Ein Elektromagnet besteht typischerweise aus einem Leiter, der um einen weichen Eisenkern gewickelt ist.

Stromerzeuger

• Dynamo: Ein Gleichstrom-Generator (DC-Generator).
• Lichtmaschine: Ein Wechselstrom-Generator (AC-Generator).

Der Elektromotor

Ein einfacher Motor umfasst:

• Rotor: Der Rotor (beweglicher Teil) besteht aus einem Satz von einer oder mehreren Kupferspulen, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Er ist auf der Drehachse des Motors montiert.
• Kollektor: Der Kollektor (Kommutator) ist ein Satz halbzylindrischer Lamellen.
• Stator: Der Stator (fester Teil) befindet sich um den Rotor herum. Er besteht aus einem Magneten, der am Gehäuse befestigt ist. Er enthält Kontakte, die Bürsten genannt werden, welche den Strom vom Akku oder der Batterie zum Kollektor leiten.

Der Rotor wird auf der Drehachse zwischen den Polen des Stator-Magneten platziert. Wenn Strom angelegt wird, bildet die Spule des Rotors einen Elektromagneten. Gleiche Pole (Elektromagnet und Stator-Magnet) stoßen sich ab, während ungleiche Pole sich anziehen. Dies bewirkt, dass sich die Spule dreht, bis die Pole des Elektromagneten und des Stator-Magneten ausgerichtet sind.