Glossar: Grundbegriffe der Elekrizität elektrische Ladung Q

Glossar: Grundbegriffe der Elekrizität
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elektrische Ladung Q
Eigenschaft von Ladungsträgern oder elektrisch geladenen Körpern: Ladung
ist an Materie gekoppelt. Einheit der Ladung: [Q] = As = C (1 AmpèreSekunde = 1 Coulomb)
Ladungsvorzeichen
Da elektrisch geladene Teilchen sich abstossen oder anziehen können, muss
die Ladung vorzeichenbehaftet sein: geladene Körper mit gleichem
Ladungsvorzeichen stossen sich ab, solche mit unterschiedlichem ziehen
sich an. Ladung kann also positiv oder negativ sein. Positive und negative
Ladung kann sich gegenseitig aufheben: Materie erscheint elektrisch
ungeladen (neutral), weil sie aus gleich viel positiven (Protonen) wie
negativen Ladungsträgern (Elektronen) besteht. Werden von einem
elektrisch neutralen Objekt negativ geladene Ladungsträger entnommen, so
erscheint das Objekt positiv geladen. Zum Beispiel: Werden von einem
Metall Elektronen entnommen, so nimmt die Ladung des Metalls zu.
Ladungsträger
Elementarpartikel wie Elektronen (negativ geladen) und Protonen (positiv
geladen), Ionen (ionisierte Atome oder Moleküle, Anion: negativ geladen,
Kation: positiv geladen)
Elementarladung
e
Strom
Kleinste in der Natur vorkommende Ladungseinheit, e = 1.602…·10-19 As.
Ein Elektron ist mit –e und ein Proton mit +e geladen.
Kommt durch Ladungstransport zustande, bedingt also (bei Leitungsstrom)
bewegte Ladungsträger. Elektrischer Strom weist folgende Wirkungen auf:
Erzeugung von Wärme (Entropie) im stromführenden Material, Magnetfeld
oder elektromagnetischen Wellen (z. B. Licht), sowie Beeinflussung von
biologischen oder chemischen Reaktionen. Der Strom hat eine Richtung.
Die technische Stromrichtung soll gemäss Konvention (Abmachung) mit der
Bewegungsrichtung der (positiven) Ladung übereinstimmen.
Stromstärke
I
Mass für die Intensität eines elektrischen Stromes: die Stromstärke gibt an
wieviel Ladung pro Zeiteinheit durch eine (bestimmte aber frei wählbare)
Referenzfläche (Systemgrenze) verschoben wird. Einheit: [I] = A (Ampère).
Die Stromstärke wird im Allgemeinen über die Erfassung der magnetischen
Wirkung des Stroms gemessen. Für die Stromstärke muss eine (willkürlich
gewählte) Bezugsrichtung festgelegt werden. Deckt sich diese Richtung mit
der technischen Stromrichtung, so ist die Stromstärke positiv (I > 0),
andernfalls negativ (I < 0).
Energie
W
Universelles Mass für den „Aufwand“ oder den „Ertrag“ eines
physikalischen Prozesses. Die Menge der Energie bleibt dabei immer
erhalten, sie kann also weder erzeugt noch vernichtet werden (Energieerhaltungssatz). Einheit: [W] = J = Nm (1 Joule = 1 Newton-Meter).
In einer moderneren Betrachtungsweise gibt es nicht verschiedene
Energieformen, sondern Energie ist eine Grösse, welche bei allen
physikalischen Prozessen mit sogenannt extensiven Grössen wie Masse,
Ladung, Entropie und Stoffmenge geführt wird (Energieträger-Konzept).
Die durch eine Kraft (Impulsstrom) bei der Verschiebung eines Objekts
umgeladene Energie wird Arbeit genannt.
elektr. Potential
ϕ
Die Energiemenge welche an die Ladung eines Ladungsträgers in einem
bestimmten Raumpunkt gekoppelt ist, ist proportional zu dieser Ladung und
hängt vom Ort im Raum ab. Das Verhältnis dieser Energie zur Ladung wird
als Potential des betrachteten Raumpunkts definiert. Letzteres ist also eine
Zahl (Skalar), die angibt wieviel Energie pro Ladungseinheit ein
Ladungsträger in einem Punkt (gegenüber einem willkürlich festgelegten
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ZHaW, Departement T (SoE)
13. Februar 2016, © M. Schlup
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Bezugspunkt) aufweisen würde. Ein negatives Potential bedeutet für eine
positive Ladung weniger Energie als im Bezugspunkt. Für ein negativ
geladenes Partikel ist es gerade umgekehrt.
Einheit: [ϕ] = J/As = Nm/As = V (Volt).
elektr. Spannung
U
Der Potentialunterschied zwischen zwei Punkten wird Spannung genannt:
U1 2 = ϕ1 – ϕ2 . Die Spannung ist also die Energie pro Ladungseinheit, die bei
der (gedachten) Verschiebung einer Ladung zwischen zwei Punkten
umgeladen werden kann. Ist die Spannung bei einer positiven Ladung
ebenfals positiv, so kann die Ladung ihre Energie abgeben, andernfalls
aufnehmen; umgekehrt bei negativer Ladung. Gleiche Einheit wie das
Potential: [U] = V.
Energiestrom
IW
Die Energiemenge pro Zeiteinheit, welche an einer Systemgrenze durch
einen Energieträger mitgeführt wird. Einheit: [IW ] = W (Watt) = J/s. Bei
elektrischen Prozessen lässt sich der Energiestrom als Produkt von
Spannung und Stromstärke bestimmen: IW = U I.
Einheit: [IW ] = J/s = W (Watt) = VA.
Leistung
P
Bei einem physikalischen Prozess von einem Energieträger auf einen
anderen umgeladene Energie. Einheit: [P] = W (Watt) = J/s. Ist der Umladeprozess irreversibel (nicht umkehrbar), so spricht man von Dissipation.
Bemerkung: Es ist üblich aber nicht konsistent auch elektrische
Energieströme als Leistung und mit dem Symbol P zu bezeichnen
elektrisches Feld
Als Ursache für die Bewegung von Ladungsträgern wird die Wechselwirkung ihrer Ladung mit einem elektrischen Feld erklärt. Ein Feld füllt den
Raum (z. B. innerhalb eines metallischen Drahts) und führt zur
Verschiebung der darin enthaltenen, beweglichen Ladungsträgern (in
Metallen sind dies die sogenannten freien Elektronen).
elektr. Feldstärke
E
Mass für die Intensität des elektrischen Felds. Die elektrische Feldstärke E
erzeugt die Kraft F = Q E auf einen Ladungsträger mit Ladung Q. Einheit:
[E] = N/As = V/m. In einem homogenen elektrischen Feld, ist die Feldstärke
die Spannung pro Längeneinheit (in Feldrichtung). Die Feldstärke weist eine
Richtung auf (Wirkungslinie der Kraft). Das Aussehen des elektrischen
Felds kann also durch Feldlinien (Wirkungslinien) dargestellt werden. Diese
Feldlinien beschreiben ebenfalls die Trajektorien (Bahnen) der Ladungsträger im Feld, sofern diese in einer zähen Flüssigkeit eingebettet wären.
elektr. Widerstand
R
Beim anlegen einer Spannung an einem Zweipol (leitendes Objekt mit zwei
elektr. Anschlüssen) wird sich eine bestimmte Stromstärke einstellen.
Letztere hängt vom Material und der Geometrie des leitenden Materials ab.
Das Verhältnis zwischen der Spannung (Ursache) und dieser Stromstärke
(Wirkung) wird Widerstand genannt. Einheit: [R] = V/A = Ω (Ohm).
elektr. Leitwert
G
Reziproker Wert des elektrischen Widerstands: G = 1/R.
Einheit: [G] = A/V = Ω-1 = S (Siemens).
ohmsches Gesetz
Ist (bei konstant gehaltener Temperatur) der Widerstandswert unabhängig
von der Stromstärke oder der Spannung, so wird von einem ohmschen
Widerstand gesprochen. In diesem Fall ist die Spannung proportional zur
Stromstärke. Alle Metalle verhalten sich nach dem ohmschen Gesetz.
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ZHaW, Departement T (SoE)
13. Februar 2016, spma