Grundlagen der Elektrizität und Stromkreise

Elektrische Grundgrößen

Elektrische Ladung (Q)

Menge an Elektronen oder Protonen, die eine Substanz besitzt. Einheit: Coulomb (C).

Was ist Elektrizität?

Elektrizität ist der kontinuierliche Fluss oder die Bewegung von Elektronen durch ein Material.

Elektrischer Strom (I)

Ladung pro Zeiteinheit.

Formel: I = Q / t

• I: Stromstärke (Intensität). Einheit: Ampere (A).
• Richtung: Konventionell von Plus nach Minus, physikalisch (Elektronenfluss) von Minus nach Plus.

Elektromotorische Kraft (EMK)

Die EMK ist die Potentialdifferenz zwischen den Polen einer Spannungsquelle (z.B. Generator, Batterie) im Leerlauf.

Elektrischer Widerstand (R)

Maß für die Schwierigkeit, mit der elektrischer Strom ein Material durchfließt. Einheit: Ohm (Ω).

Leiter

Materialien, die elektrischen Strom gut leiten. Beispiele: Alle Metalle (Silber, Kupfer, Aluminium).

Isolatoren

Materialien, die elektrischen Strom schlecht oder gar nicht leiten. Beispiele: Kunststoff, Gummi, Glas, trockenes Holz.

Elektrische Leistung (P)

Produkt aus Stromstärke und Spannung.

Formel: P = I × U

• P: Leistung. Einheit: Watt (W).
• I: Stromstärke. Einheit: Ampere (A).

Elektrische Energie (E)

Einheit: Joule (J).

Umrechnung: 1 Kilowattstunde (kWh) = 1000 W × 3600 s = 3.600.000 Ws = 3.600.000 J = 3,6 × 10⁶ J.

Ohmsches Gesetz

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand in einem Stromkreis.

• Formel: U = I × R
• Umstellung nach I: I = U / R
• Umstellung nach R: R = U / I

Stromarten

Gleichstrom (DC)

Strom, der immer in die gleiche Richtung fließt. (Abkürzung oft auch DC oder CC)

Quellen für Gleichstrom: Autobatterien, Batterien, Solarzellen.

Wechselstrom (AC)

Strom, dessen Richtung sich in regelmäßigen Zeitintervallen ändert. (Abkürzung oft auch AC oder CA)

Quellen für Wechselstrom: Generatoren (z.B. im Kraftwerk), Steckdose im Stromnetz.

Der elektrische Stromkreis

Ein Stromkreis ist ein geschlossener Weg, auf dem elektrischer Strom fließen kann.

Bestandteile

1. Spannungsquelle (Generator, Dynamo, Zelle, Akku)
2. Verbraucher (Widerstand, Radio, Fernseher, Lampe)
3. Schaltelement (Schalter, Taster)
4. Schutzelement (Sicherung)
5. Verbindungsleitungen (Leiter)

Schaltungsarten

Reihenschaltung

Bei einer Reihenschaltung werden alle Bauteile nacheinander vom gleichen Strom durchflossen.

Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung liegen alle Bauteile an der gleichen Spannung.

Der Gesamtwiderstand mehrerer parallel geschalteter Widerstände ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.

Sind zwei oder mehr gleich große Widerstände parallel geschaltet, so ist der Gesamtwiderstand gleich dem Wert eines Einzelwiderstands geteilt durch die Anzahl der Widerstände.

Für zwei parallel geschaltete Widerstände ist der Gesamtwiderstand gleich dem Produkt der beiden Widerstände geteilt durch die Summe der beiden Widerstände (R_gesamt = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)).

Beispielaufgaben

Aufgabe 1

Ein elektrischer Widerstand von 350 Ω wird von einem Strom von 0,2 A durchflossen. Berechnen Sie die Spannung, die Leistung und die verbrauchte Energie in 8 Tagen und 4 Stunden (in kWh und J).

Gegeben:

• R = 350 Ω
• I = 0,2 A

Gesucht: U, P, E

Lösung:

1. Spannung (U):
   U = I × R = 0,2 A × 350 Ω = 70 V
2. Leistung (P):
   P = I × U = 0,2 A × 70 V = 14 W
3. Energie (E):
   Zeit t = 8 Tage + 4 Stunden = (8 × 24 + 4) Stunden = (192 + 4) Stunden = 196 Stunden.
   E = P × t = 14 W × 196 h = 2744 Wh = 2,744 kWh.
4. Umrechnung nach Joule:
   E = 2,744 kWh = 2,744 × 3.600.000 J = 9.878.400 J.

Aufgabe 2

Berechnen Sie den elektrischen Widerstand eines Geräts mit 144 W Leistung, das an eine Spannung von 12 V angeschlossen ist.

Gegeben:

• U = 12 V
• P = 144 W

Gesucht: R

Lösung:

1. Stromstärke (I) über die Leistung:
   P = U × I => I = P / U = 144 W / 12 V = 12 A
2. Widerstand (R) über das Ohmsche Gesetz:
   R = U / I = 12 V / 12 A = 1 Ω