Elektromagnetismus - Elektr. Energie

Compendio „Atom- & Kernphysik, Elektromagnetismus“ –
Teile C & D: Elektr. Energie & Stromkreise
Zusammenfassung
1) Die elektrische Spannung U:
Um eine Feder mechnisch zu spannen muss man Arbeit W verrichten, es wird Energie
benötigt. Um Ladungen Q in einem elektrischen Feld zu verschieben ist auch Arbeit
(„elektrische Spannarbeit“) nötig. Man definiert:
W
W = Q ⋅U ⇔ U =
mit [U] = 1 J/C = 1 Volt = 1 V
Q
Diese Arbeit steckt als potentielle Energie in der Ladung (Arbeit hineinstecken) oder
wird frei als kinetische Energie (E-Feld verrichtet Arbeit).
Was ist die Spannung ? → „Der elektrische Druckunterschied zwischen zwei Punkten
(elektr. Druck wächst mit der Feldstärke E und der Distanz zwischen den Punkten)“
2) Der elektrische Stromkreis:
V
+
-
A
Elektrischer Stromkreis mit Spannungsquelle (Batterie),
Verbraucher R, Ampèremeter A, Voltmeter V und Schalter.
Ein elektrischer Strom (bewegte Ladungen) fliesst nur in ei-
R
nem geschlossenen Stromkreis.
In Metallen besteht der Strom im Wandern von „freien“ Elektronen (vom Minuspol der
Batterie über den Stromkreis zum Pluspol). Eine Spannungsquelle („Elektronenpumpe“)
ist der Auslöser für den Stromfluss. Vor der Entdeckung der Elektronen legte man die
Stromrichtung willkürlich vom Pluspol zu deren Minuspol fest: → konventionelle oder
technische Stromrichtung (physikalisch korrekt wäre umgekehrt)
3) Die Stromstärke I:
Mit der Stromstärke bezeichnet man die Ladungsmenge Q, die pro Zeiteinheit t durch
einen Leiterquerschnitt fliesst:
Stromstärke I =
Ladung Q
Q
⇒ I=
Zeit t
t
I =
C
= 1 Ampère = 1 A
s
Wirkungen des elektrischen Stromes:
- Wärme: Elektronen „reiben“ im Metall → Glühbirne, Schmelzsicherung, Kochplatte
- chemische: Materialtransport in leitenden Flüssigkeiten → Elektrolyse (Verkupferung)
- magnetische: Strom erzeugt ein Magnetfeld (siehe später) → Kompassablenkung
4) Spannungsmessgerät, Strommessgerät:
Mit dem Ampèremeter misst man die Stromstärke („Ladung pro Zeit zählen“). Das
Ampèremeter wird direkt in den Stromkreis eingefügt (siehe oben).
Mit dem Voltmeter misst man die Spannung („elektrische Druckdifferenz“) zwischen
zwei Punkten. Das Voltmeter wird „ausserhalb“ am Stromkreis angebracht.
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5) Das Ohm'sche Gesetz und das „URI-Gesetz“:
Das Ohm'sche Gesetz besagt, dass sich die Stromstärke I proportional zur Spannung
U („Stärke der elektrischen Pumpe“) verhält: I U → Dieses Gesetz gilt jedoch nur mit
Einschränkungen [i) Nur für bestimmte Leitermaterialien. ii) Oder, falls die Temperatur
des leitenden Materiales konstant bleibt (gilt angenähert nur für kleine Stromstärken)]
Ganz allgemein gilt jedoch das „URI-Gesetz“:
Spannung U = Widerstand R ⋅ Stromstärke I → U = R ⋅ I [R ] = V
A
= 1 Ohm = 1 Ω
Der Widerstand R ist temperaturabhängig. Bei Metallen nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur zu, bei Halbleitern nimmt er ab.
6) Der Widerstand R (engl. resistance):
Der Widerstand eines Metalldrahtes hängt von seinen geometrischen Abmessungen
und vom Material ab. Es gilt:
l
R = ρ⋅
mit: - l: Drahtlänge
A
- A: Drahtquerschnittsfläche
- ρ: spezifischer Widerstand (Materialkonstante, temperaturabhängig), gute elektr. Leiter haben einen kleinen spez. Widerstand
7) Serie- / Parallelschaltung von Batterien:
Bei der Serieschaltung werden die Batterien hintereinander ge+
R
+
-
schaltet (Plus- auf Minuspol). Die Spannungen addieren sich dabei (→ „stärkere Elektronenpumpe“).
Anwendung: "Normalfall" bei Bedarf von mehr Leistung
Bei der Parallelschaltung werden die Batterien „nebeneinander“
+
+
-
-
R
angeordnet (gleiche Pole miteinander verbunden). Die Spannung
bleibt unverändert. Jede Batterie wird jedoch weniger beansprucht. Anwendung: Notstromgruppe
8) Die elektrische Leistung P (engl. power):
Aus der Mechanik wird die Leistung definiert als verrichtete Arbeit W pro Zeiteinheit t.
Das an eine Spannung U angeschlossene und von einem Strom I durchflossene elektrische Gerät, verbraucht/liefert die Leistung:
Leistung P =
Arbeit W
W Q ⋅U
⇒ P=
=
= I⋅U
Zeit t
t
t
Mit dem „URI-Gesetz“ folgt:
P = U ⋅ I = R ⋅ I2 =
U2
R
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