Stromdichte und Elektromotorische Kraft (EMK) erklärt

Stromdichte

Die elektrische Stromdichte ist eine vektorielle Größe, die die Stromstärke pro Flächeneinheit definiert. Mathematisch stehen Strom und Stromdichte in folgendem Zusammenhang:

• I ist der Strom in Ampere (A).
• j ist die Stromdichte in A/m².
• S ist die betrachtete Fläche in m².

Isolierte Punktladungen

Die Stromdichte lässt sich für Ladungsträger (Elektronen, Löcher, Ionen in einem Elektrolyten) wie folgt beschreiben:

Dabei gilt:

• n_i ist die Konzentration des Trägers i.
• q_i ist die elektrische Ladung des Trägers i.
• v_i ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der Träger i im Volumen.

Elektromotorische Kraft (EMK)

Die elektromotorische Kraft (EMK) ist die Fähigkeit, eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten eines offenen Stromkreises zu erzeugen oder einen elektrischen Strom in einem geschlossenen Kreislauf aufrechtzuerhalten. Sie ist ein charakteristisches Merkmal eines jeden Generators. Im Allgemeinen lässt sie sich durch die Existenz eines elektrischen Feldes erklären, dessen Integral die EMK des Generators definiert.

Sie ist definiert als die Arbeit, die der Generator verrichten muss, um eine positive Ladung innerhalb des Gerätes vom negativen zum positiven Pol zu transportieren.

Dies ist notwendig, da Ladungen im externen Stromkreis vom positiven zum negativen Pol fließen. Um den Kreislauf zu schließen, muss Energie (mechanisch, chemisch etc.) aufgewendet werden, um die Ladung gegen das Potentialgefälle zu bewegen. Die EMK wird in Volt gemessen.

Zusammenhang mit dem Innenwiderstand

Die Potentialdifferenz V zwischen den Anschlüssen und der Innenwiderstand r des Generators stehen in folgendem Zusammenhang: E = V + I · r. Hierbei ist I · r der Spannungsabfall, der durch den ohmschen Widerstand im Inneren des Generators entsteht. Die EMK eines Generators entspricht der Potentialdifferenz im Leerlauf.

Induktionsgesetz

Die elektromotorische Kraft der Induktion in einem geschlossenen Kreislauf ist gleich der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch die Fläche (Faraday-Gesetz):

Das negative Vorzeichen (Lenzsche Regel) zeigt, dass die Richtung der induzierten EMK der Ursache ihrer Entstehung entgegenwirkt.