A. Die elektrische Ladung

A. Die elektrische Ladung
In jedem neutralen Körper gleicht die positive Ladung der Atomkerne die negative
Ladung der Elektronenhüllen gerade aus. Führt man Elektronen zu, so wird der
Körper negativ geladen. Entfernt man Elektronen, so wird der Körper positiv geladen.
Die Kraft zwischen zwei punktförmigen, geladenen Körpern ist durch das
Coulomb’sche Gesetz gegeben:
Coulomb’sches Gesetz:

Die Kraft F zwischen zwei punktförmigen Ladungen Q1 und Q2 hat den Betrag:
Q1 ⋅ Q2
1
F=
4 πε 0
r2
2
 ε = 8,85 ⋅ 1012 C 
 0
Nm2 
r  Abstand der beiden Ladungen
Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab.
Ungleichnamige Ladungen ziehen einander an.
Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C). Es gilt: 1 C = 1 As.
Satz von der ungestörten Überlagerung:
Elektrische Kräfte beeinflussen sich gegenseitig nicht, sondern überlagern sich ungestört.
Man berechnet die resultierende Kraft mithilfe eines Kräfteparallelogramms.
Zur Beschreibung dieser Kräfte führte Faraday den Feldbegriff ein.
T
H
C
Definition:


 F
Die elektrische Feldstärke E in einem Punkt P ist gegeben durch: E = .
q

F  die auf eine kleine, positive Testladung q wirkende Kraft.
A
R
O
I
S
N
V
Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist 1 N/C = 1 V/m.
Das elektrische Feld ist die Gesamtheit der Feldstärkevektoren in einem Raumbereich.
T
H
C
Elektrische Felder stellt man durch Feldlinien dar.

Die Richtung der Feldlinien gibt die Richtung von E an.

Die Dichte der Feldlinien misst den Betrag von E .
I
S
N
Im elektrostatischen Feld hängt die zur Verschiebung einer Ladung notwendige Arbeit nicht vom
Verlauf des Weges, sondern nur von seinem Anfangs- und Endpunkt ab. Diese Tatsache erlaubt es,
die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten zu definieren.
A
R
O
V
Definition:
Die elektrische Spannung U zwischen zwei Punkten gibt die Arbeit an, die zur Verschiebung der
Einheitsladung zwischen diesen Punkten erforderlich ist.
Die Einheit der Spannung ist das Volt (V).
Es gilt: 1 V = 1 J/C = 1 W/A.
Die potenzielle Energie zweier Ladungen Q und q beträgt:
Ep =
r

1 Q⋅q
4 πε 0 r
Abstand der beiden Ladungen
Die potenzielle Energie gleichnamiger Ladungen ist positiv.
Die potenzielle Energie ungleichnamiger Ladungen ist negativ.
B. Der elektrische Strom
Fließende elektrische Ladung bezeichnet man als elektrischen Strom. Weil ein Draht
der fließenden Ladung einen Widerstand entgegensetzt, kann ein Strom im Allgemeinen nur fließen, wenn eine Spannungsquelle (Batterie) eingeschaltet ist.
Die technische Stromrichtung verläuft vom Pluspol zum Minuspol. Sie ist der Elektronenbewegung entgegengerichtet.
Die elektrische Stromstärke I ist gegeben durch:
Q
I=
t
Q  die Ladungsmenge, die in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fließt.
Die Einheit der Stromstärke ist das Ampere (A). Es gilt: 1 A = 1 C/s.
Spannung, Stromstärke und Widerstand verbindet das Ohm’sche Gesetz.
Ohm’sches Gesetz:
Die Stromstärke I in einem Leiter ist proportional zur angelegten Spannung U:
I=
U
R
Die material- und temperaturabhängige Größe R heißt Ohm’scher Widerstand des Leiters.
Die Einheit des Widerstands ist 1 Ω = 1 V/A.
An Verzweigungen gelten die Kirchhoff’schen Gesetze.
1. Kirchhoff’sches Gesetz:
T
H
C
Die Gesamtstromstärke ist bei einer Verzweigung gleich der Summe der Einzelstromstärken.
2. Kirchhoff’sches Gesetz:
A
R
O
I
S
N
Zwischen zwei Verzweigungspunkten liegt an allen Widerständen die gleiche Spannung.
Mithilfe dieser Gesetze lässt sich der Gesamtwiderstand einer Verzweigung berechnen.
Es gelten folgende Regeln:
V
Serienschaltung:
Bei Serienschaltung ist der Gesamtwiderstand gegeben durch: R = R1 + R2 + R3 +…
à Er ist größer als jeder Einzelwiderstand.
Parallelschaltung:
Bei Parallelschaltung ist der Gesamtwiderstand gegeben durch:
1 1
1
1
=
+
+
+ ...
R R1 R2 R3
à Er ist kleiner als jeder Einzelwiderstand.
Für Arbeit und Leistung des Gleichstroms gilt:
Arbeit und Leistung des Gleichstroms:
Eine Gleichspannungsquelle der Quellenspannung U, die während der Zeit t den Strom I liefert, gibt
an die Umgebung die elektrische Energie Eel ab:
Eel = I ⋅ U ⋅ t
Ihre Leistung beträgt daher:
P=
Eel
=I⋅U
t
Die Klemmspannung UKL ist wegen des inneren Widerstands R1 stets kleiner als die Quellenspannung U.
Es gilt nämlich:
UKL = U − I ⋅ R1
und
I=
U
R1 + R