Grundlagen der Elektrizität: Spannung, Strom, Widerstand & Leistung

Grundlagen der Elektrizität: Ein umfassender Überblick

Elektrische Ladung und statische Elektrizität

Die Grundeinheit der elektrischen Ladung im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Coulomb (C). Durch Reibung zwischen verschiedenen Objekten oder die Bewegung von Flüssigkeiten können sich Ladungen auf der Oberfläche von Isolatoren oder auch auf leitenden Materialien ansammeln. Bei Isolatoren können sich diese Ladungen jedoch nicht frei bewegen, wie es bei elektrischen Strömen der Fall ist. Dieses Phänomen wird als statische Elektrizität bezeichnet.

Aufbau eines Stromkreises und Stromrichtung

Eine elektrische Schaltung besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen:

• Einem Generator (Energiequelle)
• Einem Verbraucher (Empfänger, z.B. Lampe)
• Leitern (z.B. Kabel)
• Steuer- oder Schaltgeräten (z.B. Schalter)

Die konventionelle Stromrichtung wird von Plus nach Minus definiert. In Wirklichkeit besteht der Strom jedoch aus Elektronen, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Der Joule-Effekt: Wärmeentwicklung im Stromkreis

Die Bewegung von Ladungen durch ein leitendes Material ist nicht widerstandslos. Dabei wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dieses Phänomen ist als Joule-Effekt bekannt.

Anwendungen: Glühlampen, Batterien und Akkus

Glühlampen enthalten einen metallischen Glühfaden aus Wolfram, der sich stark aufheizt, wenn er von elektrischem Strom durchflossen wird, und dabei Licht abgibt. Batterien und Akkus speichern elektrische Energie durch chemische Reaktionen, die beim Entladen Strom erzeugen und beim Laden (bei Akkus) umgekehrt ablaufen.

Spannung (U): Die treibende Kraft im Stromkreis

Die Spannung (oder elektromotorische Kraft) eines Generators, der Strom liefert, ist die treibende Kraft, die die Ladungen durch den elektrischen Stromkreis bewegt. Die SI-Einheit der Spannung ist das Volt (V).

Stromstärke (I): Ladungsfluss pro Zeiteinheit

Die Intensität (oder Stromstärke) des elektrischen Stroms ist definiert als die Menge an elektrischer Ladung, die pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt des Leiters fließt. Die elektrische Stromstärke wird mit einem Amperemeter gemessen und in Ampere (A) angegeben. Die Stromstärke hängt sowohl von der Spannung als auch von der Menge und Art der Verbraucher sowie deren Verschaltung ab.

Elektrische Leistung (P): Energieumsatz pro Zeit

Da die Spannung des Generators die Energie bereitstellt, die die Ladungen durch den Stromkreis transportieren, wird die Anzahl der zirkulierenden Ladungen pro Zeiteinheit als elektrische Leistung bezeichnet. Sie wird im Internationalen Einheitensystem in Watt (W) gemessen.

Die elektrische Leistung berechnet sich wie folgt:

P = U · I
(Leistung = Spannung · Stromstärke)

Die meisten elektrischen Geräte haben ihre Leistung angegeben.

Berechnung des Energieverbrauchs

Da die elektrische Leistung angibt, wie viel Energie ein Gerät pro Sekunde verbraucht, kann der Gesamtenergieverbrauch über einen bestimmten Zeitraum berechnet werden, indem die Leistung mit der Betriebszeit multipliziert wird:

E = P · t
(Energie = Leistung · Zeit)

Elektrischer Widerstand (R) und Ohmsches Gesetz

Der Widerstand (R) eines Verbrauchers wird in Ohm (Ω) gemessen und ist nicht unbedingt unter allen Bedingungen gleich. Er beschreibt, wie stark ein Material den Stromfluss behindert.

Die Beziehung zwischen Widerstand, Spannung und Stromstärke ist als Ohmsches Gesetz bekannt:

R = U / I
(Widerstand = Spannung / Stromstärke)

Der Widerstand kann mit einem Instrument, dem Ohmmeter, gemessen werden.

Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen

Sicherungen und Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomaten), die in vielen elektrischen Anlagen vorhanden sind, dienen als wichtige Schutzmaßnahmen. Sie verhindern Schäden durch Kurzschlüsse oder Überlastungen im Stromkreis.