Grundlagen der Elektrizitätslehre
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Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Luis Kornblueh KlosterCluster Team Max-Planck-Institut für Meteorologie 22. August 2013 Quelle: Severin Bauer 2 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrische Ladung Inhaltsverzeichnis Elektrische Ladung Elektrische Spannung und Potenzial Elektrischer Strom und Ladung Stromrichtung im elektrischen Stromkreis Stromdichte I Jeder Stoff besteht aus Atomen mit unvorstellbar großer Anzahl von elektrischen Ladungen. I Ist das Gleichgewicht der Ladungen gestört, ist der elektrisch geladen. I Elektrische Ladungen sitzen im wesentlichen an der Oberfläche. Physikalische Wirkungen des elektrischen Stroms Erzeugung elektrischer Spannungen 3 / 23 4 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrische Spannung und Potenzial Elektrische Spannung und Potenzial Elektrisch geladene Körper haben das Bestreben das Gleichgewicht der Ladungen herzustellen, also einen elektrisch neutralen Zustand zu erreichen. Ein Grundgesetz der Elektrostatik ist die Aussage: Das Ausgleichsbestreben eines geladenen Körpers übt eine Kraftwirkung auf alle in der Umgebung befindlichen Ladungen aus. Ungleichnamige elektrische Ladungen ziehen sich an und gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Diese Kraftwirkung wird durch das elektrische Feld veranschaulicht (Elektrostatik). 5 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre 6 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrische Spannung und Potenzial Elektrische Spannung und Potenzial Führen elektrische Ladungsträger aufgrund einer äußeren Kraft eines elektrischen Feldes eine gerichtete Bewegung aus und überwinden dabei einen Widerstand wird Arbeit verrichtet: Aus dem vorhergehenden erhält man die elektrische Spannung oder Potenzialdifferenz als Verhältnis der Arbeit zur Ladungsmenge: U= W =U ·Q W Q in V Einfacher formuliert: W Arbeit in Ws Elektrische Spannung oder Potenzialdifferenz ist das Ausgleichsbestreben elektrischer Ladungen zwischen zwei Polen. Q Ladungsmenge in As U Potenzialdifferenz in V 7 / 23 8 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrische Spannung und Potenzial Elektrische Spannung und Potenzial Zur vollständigen Beschreibung braucht man noch die Polarität. In Schaltungen wird die Spannung oft durch einen Zählpfeil gekennzeichnet. Die positive Zählrichtung der elektrischen Spannung ist vom Pol mit Elektronenmangel zu dem Pol mit Elektronenüberschuß gerichtet. - 1 U1,2 = −1.5V e− + e− - e− + 2 U Bei Angabe eines positiven Wertes zeigt er vom Plus– zum Minuspol. Allgemein wird die elektrische Spannung vom positiven Pol ausgehend auf den negativen Pol bezogen positiv gezählt. 9 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre 10 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrische Spannung und Potenzial Elektrische Spannung und Potenzial Die Potentialverhältnisse lassen sich anschaulich an einem Potenzialstrahl darstellen. Beispiel für die Berechnung von Potenzialen und Potenzialdifferenzen: 6 A 5 A UAB = 10V 4 UAD 3 B UCB = 2V UA UB UA = +6V D UD = +3V 1 UD = +3V UCD = −5V 0 UC D UAB = +10V 2 C UCD = −5V UAD = +3V -1 UD = 3V -2 0V UC = −2V C -3 -4 11 / 23 -5 UB = −4V UCB = +2V B 12 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrischer Strom und Ladung Elektrischer Strom und Ladung Die elektrische Stromstärke ist die Größe, die die je Zeiteinheit transportierte elektrische Ladungsmenge kennzeichnet. Besteht in einem geschlossenen Stromkreis eine elektrische Potenzialdifferenz, so kommt es infolge des Ausgleichsbestrebens der elektrischen Ladungen zu einem elektrischen Strom: I= Q t oder Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischer Ladungen. Q =I ·t In metallischen Leitern sind die Ladungsträger freie Elektronen. I elektrische Stromstärke in A Q der elektrischen Ladung in C ( = As) t Zeit des Stromfluss in s 14 / 23 13 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Stromrichtung im elektrischen Stromkreis Stromdichte Die technische Stromrichtung ist außerhalb des Stromerzeugers vom positiven zum negativen Pol festgelegt. Erzeuger + I 4s Leiter a s Verbraucher I U U Leiter b I - + Schematische Darstellung der Stromdichte. Die technische Stromrichtung im Gleichstromkreis ist in der Technik ohne Bedeutung. s= 15 / 23 I A mit A in mm2 16 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Physikalische Wirkungen des elektrischen Stroms Physikalische Wirkungen des elektrischen Stroms Wärmewirkung des elektrischen Stroms Lichtwirkung des elektrischen Stroms – Elektrolumineszenz Quelle: Discover Hongkong Quelle: Wikipedia Die unmittelbare Umwandlung von elektrischer Energie in Licht erfolgt beim Stromfluß in ionisierten Gasen. Jeder stromdurchflossene Leiter wird gegenüber seiner Umgebung erwärmt. 17 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre 18 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Physikalische Wirkungen des elektrischen Stroms Erzeugung elektrischer Spannungen Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms Die Grundlage jeder Spannungserzeugung ist die Trennung elektrischer Ladungen: Quelle: hispeed Fotowettbewerb (Schweiz) Ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter wird grundsätzlich von einem magnetischen Feld umgeben. 19 / 23 I Elektromagnetische Induktion In einer Leiterschleife hat eine Änderung des magnetischen Flusses eine elektrische Spannung zur Folge. I Galvanische Stromerzeugung In galvanischen Spannungserzeugern werden die unterschiedlichen chemischen Lösungsdrücke der Metalle ausgenutzt. I Thermoelektrische Stromerzeugung Der thermoelektrische Effekt bewirkt die direkte Umwandlung von Wäremenergie in elektrische Energie. 20 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Grundlagen der Elektrizitätslehre Erzeugung elektrischer Spannungen Erzeugung elektrischer Spannungen Fotoelektrizität Der fotoelektrische oder fotovoltaische Effekt ermöglicht die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die an der Verbindungsstelle verschiedener Metalle entstehende temperaturabhängige elektrische Spannung heißt thermoelektrische Spannung. Einer solche Verbindungsstelle heißt Thermoelement. + I Kupfer + mV Thermoelement warm U1 ı - U1 − U2 Konstantan Thermoelement kalt U2 Quelle: Solarpark Thüngen Die beiden Thermoelemente müssen zur Erzeugung eines Stroms einen Temperaturunterschied aufweisen. Solarzellen sind Fotoelemente, die der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen. 21 / 23 Grundlagen der Elektrizitätslehre Erzeugung elektrischer Spannungen Berührungs- oder Reibungselektrizität Werden Körper aus verschiedenen Stoffen aneinander gerieben, treten an der Berührungsfläche Elektronen von einem auf den anderen Körper über. 23 / 23 22 / 23
