2 Elektrischer Stromkreis und Widerstand R
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24.03.14 Physik Physik Elektrik Elektrostatische Ladung, Spannung U, Strom I Es gibt drei Arten der elektrostatischen Ladung: Ungeladene Körper Positiv geladene Körper Negativ geladene Körper Man sieht dass in den ungeladenen Körpern gleichviele positive wie negative Teilchen sind. In den positiven Körpern sind aber keine positiven Teilchen hinzugekommen sondern nur negative entfernt worden. In den negativ geladenen Körpern haben wir die Situation das negative Teilchen (Elektronen) hinzugefügt wurden. Daraus lässt sich folgendes schliessen: - Positive Teilchen (Protonen) können nur schwer bewegt werden. - Negative Teilchen (Elektronen) können auf verschiedene Körper übertragen werden. Es gibt (wie man vielleicht schon gemerkt hat) zwei verschiedene Arten von Ladungen (positiv, negativ). Verschiedenartige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige stossen sich ab. Zwischen den Teilchen wirken elektrostatische Ladungen, die abhängig von der Menge der Ladung und dem Abstand der Teilchen zueinander ist. (Die Kräfte nehmen mit Ladungsmengen zu und mit Abstand ab). Die Ladung von 6,25 * 1018 Elektronen heisst 1 Coulomb (1C). Wenn verschieden geladene Körper in kommen, erfolgt ein Ladungsausgleich (eventuell als Blitz erkennbar). Die Energie, die dabei freigesetzt wird, entspricht jener welche zuvor beim Überwinden der Anziehungskräfte zwischen den unterschiedlichen Ladungen verrichtet wurde. (Ladungstrennung = Verschieben von Elektronen). Diese Arbeite bildet ein Energiepotenzial. Elektrische Spannung U in Volt [V]: 1 Volt ist die Energie, welche durch den Ladungsausgleich von 1 Coulomb die Arbeit von 1 Joule verrichten kann. 1V = 1J/C Ein Beispiel eines Energiepotenzials: Während eines Gewitters lädt sich eine schnell aufsteigende Luftmasseinnerhalb der Wolke auf. Nun KÖNNTE (= Potenzielle Energie) er in ein Haus einschlagen und gibt die aufgestaute Energie an das Haus weiter. Während eines Ausgleichs der Ladungsunterschiede bewegen sich die Ladungen. Das wird als elektrischer Strom bezeichnet. Elektrischer Strom π° in Ampère [A]: 1 Ampère ist die Ladung von 1 Coulomb, welche pro Sekunde einen Leiter durchfliesst. 1A = 1C/sec 1 © Janick Lehmann 24.03.14 Physik Während Isolatoren (elektrische Nichtleiter) keine frei beweglichen Ladungsträger aufweisen, haben feste elektrische Leiter bewegliche Elektronen. Flüssigkeiten welche leiten enthalten gelöste (= bewegliche). Salzlösungen unterscheiden sich von trockenem Salz dadurch, dass die positiven und negativen Ionen (= elektrisch geladene Atome) beweglich sind. Beispiele für Isolatoren: Gummi, Kunststoffe, Stein, Holz, Luft, Porzellan, trockenes Salz Beispiele für Leiter: Metalle, Graphit, Salzlösungen, Edelgase 2 Elektrischer Stromkreis und Widerstand R Schematische Darstellung eines Stromkreises Stromquelle (z.B. Batterie) Elektrische Leitung (z.B. ein Kabel) Verbraucher (hier eine Lampe) Ein elektrischer Verbraucher (z.B. Lampe, Motor) verrichtet Arbeit, indem die Elektronen die ihn durchfliessen einen Ladungsausgleich herstellen. Der Verbraucher wandelt die elektrische Energie in eine andere Form um. Eine Lampe, zum Beispiel, in Licht. Dadurch wird die Spannung kleiner (somit auch der Ladungsunterschied zwischen Plus- und Minuspol), wenn sie nicht von einer Stromquelle (in unserem Schema die Batterie) aufrechterhalten wird. Beim Durchfliessen des Verbrauchers muss ein Widerstand überwunden werden. Merke: Stromquellen kann man als Elektronenpumpen vorstellen. Das von Georg Ohm beschriebene Gesetz besagt: π = π ∗ πΌ oder π = π πΌ R in Ohm [Ω] ; [1 Ω = 1 V/A] Ein Widerstand ist demnach die Spannung, welche für einen bestimmten Stromdurchfluss durch einen Verbraucher angelegt werden muss. Wer sich das nicht ganz Vorstellen kann findet hier eine kleine Darstellung unter dem Titel „Grafische Darstellung zum Thema Widerstand“. 2 © Janick Lehmann 24.03.14 Physik Erklärung: Nehmen wir an im Becken 1 befindet sich eine unendliche Wasserquelle/eine unendliche Stromquelle (Minuspol der Batterie). Das Rad als Widerstand muss vom Wasser erst in Bewegung gesetzt werden bevor die Energie in z.B. der Mühle gebraucht werden kann. Das „verbrauchte“ Wasser/der verbrauchte Strom wird im Becken zwei (Pluspol der Batterie) abgeführt. Ist U (= Spannung) höher braucht das Wasser weniger lang bis das Rad in Bewegung ist. Das heisst, der Strom braucht weniger lang bis er diese Schwelle (= den Widerstand) überwunden hat. Elektrische Leiter (also Kable o.ä.) werden meist aus Kupfer hergestellt. Der Widerstand von Kupfer ist zwar klein, aber nicht gleich Null. Das wirkt sich bei grossem Strom oder bei kleinem Leiterquerschnitt (= dünnes Kabel) in Form von Erwärmung aus. Bildlich kann man sich das so vorstellen: Innerhalb 1 Sekunde muss 1 Coulomb (6,25 * 1018 Elektronen) durch den Draht. Ist der Draht dünn wird das eng, richtig eng. Aber auch ein dickerer Draht wird erwärmt. Denn die Elektronen schlagen an die Atome (= kleinste Teilchen) im Draht (und wie wir wissen ist die Bewegung der kleinsten Teilchen Wärme) und so entsteht die Wärme. Ist der Draht nun aber dicker so treffen die Elektronen seltener auf die Kupferatome = kleinere Erwärmung. Eine Animation findet man hier unter dem Titel „Kupferdraht Längsschnitt“. Das kann man auch mit einem Flur vergleichen indem Leute stehen. Ist der Flur breiter so stösst jemand der hindurch rennt weniger in andere Leute als wenn der Flur schmaler ist. Der elektrische Widerstand nimmt mit der Erwärmung zu, was zum Glühen oder Durchbrennen führen kann wenn die Wärme nicht abgeleitet wird (wie der PC der bei Überhitzung abstürzt, wenn der Lüfter/die Kühlung nicht funktioniert). Darum sind heute Stromkreise in Haushalten auf max. 13 Ampère beschränkt und die Leiter müssen min. 1,5mm2 Querschnittsfläche besitzen. 3 Elektrische Leistung π π΄πππππ‘ 1 π½ππ’ππ π½ πΏπππ π‘π’ππ = 1 πππ‘π‘ π = π‘ ππππ‘ 1 ππππ’πππ π ππ Aus 4.1 sind bekannt: π΄πππππ‘ π 1 π½ππ’ππ π½ ππππππ’ππ π = 1 ππππ‘ π = πΏπππ’ππ 1 πΆππ’ππππ πΆ πΏπππ’ππ 1 πΆππ’ππππ πΆ ππ‘πππ πΌ = 1 π΄ππèππ π΄ = ππππ‘ π‘ 1 ππππ’πππ π ππ a.) Die elektrische Leistung berechnet sich als: π= π= π π‘ =π∗πΌ π½ 1 πππ‘π‘ 1 ππππ‘ ∗ π΄ππèππ = 1 π ππ b.) Die elektrische Arbeit (= elektrische Energie) berechnet sich als: π =π∗π‘ =π∗πΌ∗π‘ 1 π½ππ’ππ = 1 πππ‘π‘ ∗ 1 ππππ’πππ = 1π ∗ 1π΄ ∗ 1π ππ = 1ππ΄π ππ Strom wird als elektrische Energie gehandelt und erfasst. Die verwendete Einheit heisst Kilowattstunden (kWh). Sie bedeutet, dass ein Verbraucher von 1000W Leistung eine Stunde lang in Betrieb sein kann. Zur Vorstellung: Ein Vierpersonen Haushalt braucht im Jahr ca. 4500kWh. Einige Beispiele sollten im Heft notiert sein. 3 © Janick Lehmann 24.03.14 Physik 4 Technische Stromkreise Leider keine Zusammenfassung. Man muss die Tabelle mit den Farben, Namen, etc. kennen und wissen, dass die Stromstärke im Haushalt heute durch Sicherungsautomaten auf 13 Ampère begrenzt wird und der Leitungsquerschnitt mindestens 1,5mm2 betragen muss. Fragen, Fehler, Kritik Die Fragen von euch weiterhin auf WhatsApp oder in den Fragestunden. Fehler gefunden? Dann bitte per WhatsApp oder Mail ([email protected]) melden. Kritik immer erwünscht ο. Viel Spass beim Lernen. Janick 4 © Janick Lehmann
