1.7 Elektrischer Strom

1.7
Elektrischer Strom
1.7.1 Die Batterie
Luigi Galvani
(1737-1798)
Il Conte Alessandro Giuseppe Antonia Anastasio Volta
(1745-1827)
(Giancoli)
(Giancoli)
1.7.2 Stromfluss
Bewegung freier Elektronen in Metallen:
1. ungeordnete Bewegung
2. Driftbewegung bei Potenzialdifferenz
(Giancoli)
1.7.3 Der elektrische Widerstand R
R
Das Ohm´sche Gesetz
Georg Simon Ohm
(1789-1854)
I
Wovon hängt der elektrische Widerstand ab?
a) von Länge und Querschnitt
U
I
b) von der Temperatur
U
I
c) von Spannung und Strom: die „Kennlinie“
U
1.7.4 Energie und Leistung
Umwandlung elektrischer Energie in
- Wärme
- Licht, Wärmestrahlung
- kinetische Energie, potenzielle Energie (mechanisch)
- Magnetfelder, elektromagnetische Wellen
- akustische Schwingungen
- chemische Energie
Beispiele
Heizkörper P=2300 W
Sicherung 16 A
Mensch 1000 Ω
Gewitterblitz 200 MV 20 kA 0.001 s
(Giancoli)
1.7.5 Stromkreise, elektrische Schaltungen
(Giancoli)
1.7.5 Stromkreise, elektrische Schaltungen
(Giancoli)
1.7.5 Stromkreise, elektrische Schaltungen
Parallelschaltung und Reihenschaltung von Widerständen
1.7.5 Stromkreise, elektrische Schaltungen
Kirchhoff`´sche Gesetze
Knotenregel: die Summe aller Ströme in einem Knoten ist Null
Maschenregel: die Summe aller Spannungen entlang einer Masche ist Null
1.7.5 Stromkreise, elektrische Schaltungen
Spannung (Widerstand)
Widerstände und Kondensatoren
Spannung (Kondensator)
Zeit
Zeit
1.7.6 Gleich- und Wechselstrom
Spickzettel Elektr. Strom
(ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
Bewegung von Elektronen in Leitern:
ungeordnete Bewegung: bis zu 1000 km/s
Elektronendrift (= Strom): ca. 0.1 mm/s
Ladung pro Zeiteinheit
[ A ] = [C/s ]
Ohmsches Gesetz: I = U
U
U = R⋅I
R=
R
I
⎡V⎤
Einheit des el. Widerstands: [Ω ] = ⎢ ⎥
⎣A⎦
Widerstand hängt ab von
(a) Länge l und Querschnitt A des Leiters
l
ρ: spez. Widerstand
R=ρ
z.B. Kupfer 1.7 ⋅10−8 Ωm
A
(b) Temperatur
Δρ
a: Temperaturkoeffizient
= α ⋅ ΔT
ρ
z.B. Kupfer 4.3 ⋅10−3 K -1
(c) Spannung und Strom (Kennlinie), vgl.
idealer Widerstand, Glühlampe, Diode
Leistung
P =U ⋅I = R⋅I2 =
Energie
= Leistung x Zeit
U2
R
[ V ⋅ A ] = [ W ] = ⎡⎢
[ W ⋅ s] = [ J ]
J⎤
⎣ s ⎥⎦
⎡⎣3.6 ⋅106 Ws ⎤⎦ = [ kWh ]
Galvanisches Element, Batterie:
elektrische Energie aus chemischer Energie
Stromkreise
Widerstände parallel
und in Reihe geschaltet
1
RGesamt
=
1
1
1
+
+ +…
R1 R2 R3
RGesamt = R1 + R2 + R3 + …
Kondensator mit Widerstand in Reihe, Aufladen:
U Widerstand = U 0e
−
t
RC
t
−
⎛
⎞
U Kondensator = U 0 ⎜1 − e RC ⎟
⎝
⎠
Kirchhoffsche Regeln:
Knotenregel: Summe aller Ströme ist null
Maschenregel: Summe aller Spannungen ist null
Wechselspannung und Wechselstrom
U = U 0 sin ωt
I = I 0 sin ωt
(ω = 2π f )
⎡1 ⎤
f : Frequenz ⎢ ⎥ = [ Hz ]
⎣s ⎦
P = U ⋅ I = R ⋅ I 02 sin 2 ωt
mittlere Leistung
z.B. Steckdose: f = 50 Hz
1
1
1
U 0 = 340 V
2
2 1
P = I 02 R = I eff
R = U 02 = U eff
2
2
R
R
U
U eff = 0 = 230 V
2
Leistung