GRUNDLAGEN zum Thema "STROM" I. STROMKREIS 1. Ladung

GRUNDLAGEN zum Thema "STROM"
I. STROMKREIS
1. Ladung, Strom und Spannung
In einer „Taschenlampe“ bilden die Batterie , das Glühlämpchen, die
Kabelverbindungen und der Schalter einen Stromkreis. Ist der Schalter
geschlossen, so fließt elektrischer Strom, die Lampe leuchtet. Dabei
bewegen sich Elektronen durch den Draht. Um die Vorgänge beschreiben zu
können, muß man elektrische Größen einführen und ihre Beziehungen
zueinander kennenlernen.
Elektrische Ladung
Atome bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle. Im Kern befinden
sich Neutronen und Protonen, in der Hülle Elektronen.
Elektronen und Protonen tragen Ladungen, die gleich groß aber entgegengesetzt sind. Der Betrag dieser Ladung heißt Elementarladung e.
Beispiele für die Ladungen einiger Teilchen:
Teilchen
Ladung
Elektron
-e
Proton
+e
Neutron
0
α-Teilchen (He-Kern) 2e
C-Kern
6e
O-Kern
8e
U-Kern
92e
Für Ladungen gilt folgendes Gesetz:
Gesetz von der Erhaltung der Ladung
In einem abgeschlossenem System bleibt die Summe der elektrischen
Ladung stets gleich.
Lange Zeit nahm man an, daß Ladungen nur als ganzzahlige Vielfache der
Elementarladung auftreten. Die Ladungsgröße von elementarsten Teilchen
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(Quarks) wurde als (bzw. ) der Elementarladung bestimmt - allerdings
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können Quarks nicht einzeln beobachtet werden, sondern bilden zusammen
Elementarteilchen mit ganzzahligen Ladungen bzw. mit Ladung Null
(Neutronen)
Die elektrische Ladung tritt meßbar nur in ganzzahligen Vielfachen der
Elementarladung auf.
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Die elektrische Ladung tritt gequantelt auf. Diese Quantelung der Ladung
macht sich vor allem im atomaren Bereich bemerkbar. In der Elektronik und
im Alltag treten so große Ladungsmengen auf, daß die Ladungen
kontinuierlich erscheinen.
Elektrische Stromstärke
Bewegen sich elektrische Ladungen, so spricht man von elektrischem Strom.
Fließen in jeder Sekunde gleich viele Ladungen in gleicher Richtung durch
einen elektrischen Leiter, so spricht man von einem stationären elektrischen
Strom oder von Gleichstrom. In diesem Fall ist die durch den Leiter fließende
Ladungsmenge ∆Q zur verstrichenen Zeit ∆t direkt proportional:
∆Q=I⋅∆t
Der Proportionalitätsfaktor ist die elektrische Stromstärke I. Für sie ergibt
sich:
Elektrische Stromstärke
∆Q
I=
∆t
I
Elektrische Stromstärke
∆Q Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt
∆t
dazu benötigte Zeit
Im internationalen Maßsystem (SI) ist die elektrische Stromstärke als
Basisgröße festgelegt:
Die Einheit der elektrischen Stromstärke I heißt
1Ampere=1A
Einheit: [I]=1A (Basisgröße des SI
Die Größe der elektrischen Stromstärke wird mit Strommeßgeräten
(Amperemeter) bestimmt.
Mit Hilfe der Einheit für die elektrische Stromstärke wird die Einheit für die
Ladung festgelegt:
Die Ladungsmenge, die in einer Sekunde bei einer Stromstärke von einem
Ampere durch den Leiter fließt, heißt
1 Coulomb=1C
Einheit: [Q]=1C=1As
Für die Elementarladung e gilt: e = 1,6 ⋅ 10 -19 C
Elektrische Spannung
Im Stromkreis der eingeschalteten Taschenlampe verrichtet die Batterie
Arbeit an den fließenden Elektronen. Die Arbeit, die zum Verschieben einer
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Ladungsmenge von 1C von einem Pol der Batterie (allg. vom Punkt A) zum
anderen Pol der Batterie (allg. zum Punkt B) notwendig ist, heißt elektrische
Spannung (zwischen den Punkten A und B) Die Arbeit pro 1C
Ladungsmenge erhält man, wenn man die Arbeit W beim Verschieben einer
Ladung Q durch die Ladung Q dividiert:
Elektrische Spannung
W
U=
Q
U
Elektrische Spannung
W
Arbeit
Q
Ladung
J
Einheit: [U]=1 =1V (Volt)
C
Die Größe der elektrischen Spannung wird mit Spannungsmeßgeräten
(Voltmeter) bestimmt.
Beispiele für verschiedene Spannungswerte:
Spannungswerte
Größenordnung in V
Körper
10 −3
Batterie
1
Elektronik
10
Autoelektrik
10
Haushalt
10 2
Fernseher
10 4
Hochspannungsleitungen 10 5
Bemerkung:
1.) Eine Spannung kann ähnlich wie die potentielle Energie nur zwischen 2
Punkten angegeben werden, also beispielsweise als Spannung zwischen
zwei Polen einer Batterie oder als Spannung zwischen einer
Hochspannungsleitung und der Erde u.ä.
2.) In atomaren Bereichen treten Energien von sehr kleiner Größenordnung
auf. Daher verwendet man häufig die Energieeinheit eV (Elektronenvolt), um
kleine Energiemengen besser angeben zu können:
1eV ist jene Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von
1V erhält:
1eV=1,6⋅ 10 −19 J
Stromarbeit und Stromleistung
Die Elektronen wechselwirken bei ihrer Bewegung durch den ständig mit den
Gitteratomen und geben einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Dadurch
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wird die thermische Bewegung der Gitteratome heftiger, der Leiter wird
erwärmt (Joulesche Wärme).
In Verbrauchern wird die Energie in andere Energieformen umgesetzt (z.B.
mechanische Energie bei einem Elektromotor)
Die Arbeit, die der elektrische Strom verrichten kann, entspricht der Energie,
die in den einzelnen Ladungsträgern „gespeichert“ ist. Demzufolge gilt:
W=U⋅∆Q
W .......... Arbeit
U ........... Spannung (Energie pro Ladungseinheit)
∆Q ........ Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt
Die Ladungsmenge ∆Q ergibt sich daraus, wie lange ein Strom mit der
Stärke I durch den Leiter fließt:
∆Q=I⋅∆t
Damit ergibt sich:
Stromarbeit
W=U⋅I⋅∆t
W.......Stromarbeit
U........elektrische Spannung
I .........elektrische Stromstärke
∆t .......Dauer des Stromflusses
Einheit: [W]=[U]⋅[I]⋅[t]=1V⋅1A⋅1s=1J (Joule)
Für die elektrische Leistung folgt wegen Leistung =
Arbeit
:
Zeit
Stromleistung
P=U⋅I
P........Stromleistung
U........Spannung
I .........Stromstärke
Einheit: [P]=1V⋅1A=1W (Watt)
(Vorsicht! Verwechsle nicht Arbeit W mit der Einheit Watt W.)
II Elektrischer Widerstand
Das Ohmsche "Gesetz"
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Georg Simon Ohm (1787-1854) fand 1826 einen Zusammenhang zwischen
Stromstärke und Spannung.
Die Elektronen werden bei ihrer Wanderung durch den Leiter durch Stöße
gegen die Gitteratome ständig abgebremst. Diese Behinderung wirkt der
Bewegung der Energie entgegen. Daher tritt bei jeder Spannung eine ganz
bestimmte Stromstärke auf:
U
I= bzw. U=R⋅I
R
Die Größe R heißt elektrischer Widerstand.
Das Ohmsche Gesetz (besser: Regel)
Die Stromstärke I in einem Leiter ist der Spannung U
zwischen den Leiterenden direkt proportional.
Die Stromstärke I in einem Leiter ist dem Widerstand
R indirekt proportional.
U
I=
R
I ....... Stromstärke
U...... Spannung
R...... Widerstand
[U]
Einheit: [R]=1
=1 V =1Ω (Ohm)
[I]
A
Bemerkung:
1.) Der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters ist gegeben durch:
l
R= ρ ⋅
A
R Widerstand
l Länge des Leiters
A Querschnittsfläche des Leiters
ρ spezifischer Widerstand (abhängig von Temperatur und Material)
2.) Der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R wird als Leitwert G
bezeichnet:
G=
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, [G]=1S (Siemens)
R
Für die elektrische Leistung ergibt sich dann:
Stromleistung
P=U.I
P=I2.R
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P=
U2
R
Der Spannungsabfall
Versuch:
Eine Wasserschale wird mit Wasser gefüllt. Darin wird etwas Kochsalz
gelöst, damit das Wasser elektrischen Strom leitet. An den beiden Enden
der Wasserschale werden zwei Metallplatten ins Wasser getaucht, an
denen eine Spannung von 12V angelegt.
Mißt man die Spannungen, die zwischen einer Metallplatte und
verschiedenen Entfernungen von ihr auftreten, dann stellt man folgendes
fest:
Die Spannung ist um so größer, je größer die Entfernung von der Metallplatte
ist. Diese Eigenschaft bezeichnet man als Spannungsabfall.
Der Spannungsteiler
Versuch:
Legt man an einen Schiebewiderstand eine Spannung von 10V an, und mißt
man die auftretenden Spannungen beim Verschieben des
Schleifkontaktes, dann bleibt die Summe der einzelnen Spannungen stets
gleich der angelegten Spannung von 10V.
Da man durch geeignetes Verschieben des Schleifkontaktes eine beliebige
Unterteilung der Gesamtspannung in zwei Einzelspannungen erreichen
kann, bezeichnet man eine derartige Anordnung Spannungsteiler
(Potentiometer).
Die Schaltung kann auch als Reihenschaltung (Serienschaltung) zweier
Widerstände verstanden werden. Für die beiden Spannungen U1 und U2 ,
die an den beiden Widerständen R1 und R2 abfallen, gilt stets: U = U1 + U2
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Widerstand eines drahtförmigen Leiters
Der Widerstand eines drahtförmigen Leiters hängt bei konstanter Temperatur
von der Länge l, von der Querschnittsfläche A und dem Material ab.
Es gilt:
l
R = ρ⋅
A
ρ bezeichnet man als spezifischen Widerstand. Der spezifische Widerstand
hängt vom Material und von der Temperatur ab (d.h. bei unterschiedlichen
Temperaturen hat der spezifische Widerstand unterschiedliche Werte).
Die Batterie und ihr Innenwiderstand
Eine Batterie besteht aus:
Zink
einem Elektrolyten (Ammoniumchlorid NH4 Cl )
Kohle
Zink löst sich von selbst in der „Elektrolytflüssigkeit“ auf. Die Zinkatome
lassen Elektronen im Zinkmantel zurück und treten als positive Ionen in die
Lösung ein.
Das bedeutet: Der Zinkmantel hat mehr negative Ladungen als der
Kohlestab (d.h. es besteht ein Ladungsunterschied), zwischen dem
Zinkmantel und dem Kohlestab besteht eine elektrische Spannung.
Elektronen können nun über einen äußeren elektrischen Leiter abfließen.
Im Zinkmantel gehen neue Zinkatome in Lösung (damit wird der Zinkmantel
mit der Zeit zerstört). Die Elektronen, die im Kohlestab (von außen herum)
ankommen, ziehen in der Lösung Zinkionen an sich.
Das bedeutet: Es fließen insgesamt zwei Ströme:
• Elektronenstrom: durch einen äußeren Leiter (äußerer Widerstand)
• Zinkionenstrom: im Inneren (durch einen inneren Leiter (innerer
Widerstand))
Bei Stromfluß in einem Stromkreis muß auch im Inneren der
Spannungsquelle Strom fließen. Dabei macht sich auch im Inneren ein
Widerstand gegen den Ladungsfluß bemerkbar. Diesen Widerstand
bezeichnet man als Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle.
Man kann sich deshalb eine reale Spannungsquelle zusammengesetzt
denken aus einer idealen Spannungsquelle (ohne Innenwiderstand) mit der
Quellenspannung (Urspannung, Leerlaufspannung U0 ), die mit dem
Innenwiderstand Ri in Serie (Reihe) geschaltet ist.
Fließt kein Strom (unbelastete Quelle), dann ist die Spannung an den
Anschlüssen der Spannungsquelle, die sogenannte Klemmenspannung UKl
gleich der Urspannung U0 .
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Fließt ein Strom der Stärke I (belastete Quelle), dann tritt am
Innenwiderstand die Spannung Ui = Ri ⋅ I auf, um die die Klemmenspannung
sinkt. es gilt: UKl = U0 − Ri ⋅ I .
In einem Stromkreis mit äußeren Widerstand R liegen der Innenwiderstand Ri
U0
und der äußere Widerstand R in Serie. Für die Stromstärke I gilt: I =
Ri + R
Der äußere Widerstand R setzt sich zusammen aus den
Gerätewiderständen, Vorwiderständen und Leitungswiderständen. Die
Leitungswiderstände sind meist vernachlässigbar klein.
Bemerkung:
Leerlauf:
unbelastete Spannungsquelle
Kurzschluß: Die Klemmen der Spannungsquelle werden direkt miteinander
U
verbunden. Es fließt der größtmögliche Strom (Kurzschlußstrom) mit I = 0 .
Ri
Elektrischer Strom im Alltag
Man spricht von Gleichstrom (direct current, D.C.), wenn die
Strömungsrichtung der Elektronen (Ladungsträger) gleichbleibt. Bei
Wechselstrom (alternating current A.C.) ändert sich die Strömungsrichtung
der Elektronen ständig. Obwohl Wechselstrom andere Eigenschaften als
Gleichstrom aufweist, gelten dennoch grundsätzliche Gemeinsamkeiten.
So gilt etwa das Ohmsche "Gesetz" U = R ⋅ I gleichermaßen für Gleichstrom
und Wechselstrom, die Formel für Stromleistung ( P = U ⋅ I ) ist für Gleichstrom
und Wechselstrom ähnlich und die Kirchhoffschen Regeln sind auf
Gleichstrom- und Wechselstromkreise anwendbar.
Gefahren beim Umgang mit elektrischem Strom
Im Alltag begegnet man Gleichstrom beispielsweise bei der elektrischen
Modelleisenbahn oder auch im Computer (Prozessor, Halbleiter, usw.).
Wegen der geringen Spannung und wegen der geringen Stromstärke
besteht keine Gefahr bei Berührung. Leitungen hier sind häufig nicht isoliert.
Für die elektrische Anlage eines Autos liefert die Batterie eine
Gleichspannung von 12 Volt. Diese Spannung ist grundsätzlich ungefährlich.
In einigen Stromkreisen bzw. Kabeln (z.B. Starterkabel) treten aber hohe
Stromstärken auf. Bei einem Kurzschluß ist die Erwärmung solcher Leiter so
stark, daß ein Kabelbrand entstehen kann.
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Das Verbrauchernetz in Europa ist i. a. ein Wechselstromnetz mit der
Wechselspannung U=230V bzw. U=400V. Diese Spannungen sind
lebensgefährlich!
Zum Beispiel werden allein in Österreich jährlich etwa 300 Stromunfälle
gemeldet, davon verlaufen rund 10% tödlich. Ein Drittel der Unfälle entfällt
auf das Berühren von Hochspannungsleitungen (Arbeiten auf
Waggondächern im Bereich der Oberleitung in Bahnanlagen, unachtsames
Tragen von Metalleitern in der Nähe von Hochspannungsleitungen,
Hebekräne von LKW usw.). Im Haushalt passieren sehr viele tödliche
Stromunfälle im Badezimmer: ein elektrisches Gerät (Heizlüfter, Radio,
Haarfön, usw.) fällt in das Wasser und setzt den Badenden der Spannung
aus.
Eine weitere Unfallursache stellen unsachgemäße Reparaturen von
Elektrogeräten dar.
Trockene menschliche Haut weist einen Widerstand von etwa 10 5 Ω auf
(bei einer Kontaktfläche von einigen mm 2 ). Dieser Widerstand sinkt bei
Feuchtigkeit drastisch ( < 10 3 Ω ); außerdem kommt es bei der Berührung
eines spannungstragenden Teiles meist zu Verbrennungen und zur
Zerstörung der Haut, wodurch der Widerstand der Haut weiter sinkt. Bei
geringen Stromstärken (unter 1mA) ist lediglich ein elektrischer Schlag
spürbar. Ab einer Stromstärke von etwa 10mA kommt es zu
Schmerzempfindungen und Muskelkontraktionen. („Mensch wird
zurückgeschleudert“, „Mensch kann sich nicht mehr lösen“ usw.). Höhere
Stromstärken (ab etwa 80mA) verursachen Atmungslähmungen und
Rythmusstörungen der Herztätigkeit (Herzkammerflimmern; da der
Blutkreislauf nicht aufrechterhalten bleibt, stirbt der Mensch wegen der
fehlenden Sauerstoffversorgung des Gehirnes).
Hohe Stromstärken (über 1A) blockieren das Nervensystem und sind
ebenfalls tödlich.
Jede Erste Hilfe bei Stromunfällen muß mit dem Abschalten der Spannung
beginnen. Ist das nicht möglich, dann kann der Verletzte nur mit Hilfe von
guten Isolatoren (z.B. trockenes Seil, trockene Holzteile,
Gummihandschuhe, usw.) aus dem Gefahrenbereich gebracht werden.
Ärztliche Hilfe anfordern! Als weitere Erste Hilfe Maßnahmen können je
nach Unfallsituation Atemspende und Herzmassage nötig sein.
Besondere Gefahren bestehen im Bereich von Freileitungen,
insbesondere bei Hochspannungsleitungen. Dabei kann es bereits ohne
Berührung zu einem Funkenüberschlag von der Freileitung zu der den Boden
berührenden Person kommen. Besondere Gefahren bestehen bei Arbeiten
im Bereich der elektrischen Anlagen im Bahngelände.
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