Grundlagen der Elektrizität: Spannung, Widerstand und Schaltungen

Grundlagen der Elektrizität und Stromkreise

Wichtige elektrische Grundbegriffe

Spannung (V) und Elektromotorische Kraft (EMK)

Spannung: Die Energie, mit der ein Generator Elektronen durch einen Stromkreis schieben kann, ist die Spannung oder elektromotorische Kraft (EMK).

Elektrische Stromstärke (I)

Elektrische Stromstärke: Die Stromstärke (I) ist die Anzahl der elektrischen Ladungen, die pro Zeiteinheit durch den Stromkreis fließen. Sie wird in Ampere (A) gemessen.

Elektrischer Widerstand (R)

Widerstand: Der elektrische Widerstand ist die Eigenschaft von Materialien, den Stromfluss zu erschweren. Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (Ω).

Elektrische Leistung (P)

Die Leistung: Die elektrische Leistung (P) beschreibt die Geschwindigkeit, mit der ein elektrischer Empfänger seine Funktion erfüllt. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Spannung und der Stromstärke, mit der die Schaltung versorgt wird. Die Leistung wird in Watt (W) gemessen, wobei auch Kilowatt (kW) verwendet werden (1 kW entspricht 1000 W). Leistung ist die Fähigkeit eines Empfängers, seine Aufgaben besser und/oder schneller zu erfüllen.

Das Ohm'sche Gesetz

Das Ohm'sche Gesetz besagt: Die Stromstärke (I) des elektrischen Stroms, der durch einen Stromkreis fließt, ist direkt proportional zur angelegten Spannung (V) und umgekehrt proportional zum Widerstand (R). Formel: I = V / R.

Arten von Stromkreisen

Reihenschaltung (Serienschaltung)

• Die Stromstärke (I) ist im gesamten Stromkreis gleich.
• Die Gesamtspannung ist gleich der Summe der Teilspannungen (V_gesamt = V1 + V2 + ...). Die Teilspannung V1 berechnet sich als V1 = I × R1.
• Der Gesamtwiderstand ist die Summe aller Einzelwiderstände (R_gesamt = R1 + R2 + ...).

Parallelschaltung (Nebenschaltung)

• Die Spannung (V) ist in allen Zweigen der Schaltung gleich.
• Die Stromstärke variiert je nach Widerstand in jedem Zweig. Die Teilstromstärke I1 berechnet sich als I1 = V / R1.

Berechnung des Gesamtwiderstands (R_gesamt) in Parallelschaltungen

• N = 2 Widerstände: R_gesamt = (R1 × R2) / (R1 + R2)
• N > 2 Widerstände: 1/R_gesamt = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn

Messung elektrischer Größen

Es gibt spezielle Geräte zur Messung elektrischer Größen in einem Stromkreis:

• Voltmeter: zur Messung der Spannung.
• Amperemeter: zur Messung der Stromstärke.
• Ohmmeter: zur Messung des Widerstands.
• Wattmeter: zur Messung der Leistung.

Die Messgeräte können analog oder digital sein.

Auswirkungen des elektrischen Stroms

Der Joule-Effekt

Der Joule-Effekt beschreibt die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Anwendungen sind unter anderem Glühlampen und Sicherungen.

Kurzschluss und Schutzmaßnahmen

Die Glühlampe

Bei der Glühlampe wird elektrische Energie in Licht umgewandelt. Der Glühfaden wird auf Temperaturen zwischen 2000 °C und 3000 °C erhitzt und produziert das Phänomen der Glut, wodurch intensive Lichtstrahlung als Folge der hohen Temperaturen ausgesendet wird.

Kurzschluss

Ein Kurzschluss ist ein Störfall in einem elektrischen Schaltkreis, bei dem der elektrische Strom direkt von einem Generatorpol zum anderen Pol fließt, ohne einen Verbraucher zu durchlaufen. Dies führt zu einer sehr hohen Stromstärke und einer großen Freisetzung von Wärme, die gefährlich sein kann.

Die Sicherung

Die Sicherung ist eines der ältesten und am häufigsten verwendeten Schutzelemente in elektrischen Schaltungen und basiert auf dem Joule-Effekt. Die Sicherung erkennt den Temperaturanstieg, schmilzt und unterbricht dadurch den Stromkreis, stoppt den Stromfluss und verhindert Folgeschäden.

Elektromagnetismus

Elektromagnetische Grundlagen

Der Elektromagnetismus ist die Wissenschaft, die die Beziehung zwischen elektrischem Strom und magnetischen Feldern untersucht.

Der Elektromagnet

Ein Elektromagnet ist ein künstlicher, temporärer Magnet, der nur dann als Magnet wirkt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt. Er besteht typischerweise aus einer Spule (Kupferwicklung) und einem Eisenkern.