Grundlagen der E-Lehre

NvK-Gymnasium Bernkastel-Kues
Physik
Elektrizität
Fachlehrer: W. Zimmer
Die elektrische Ladung
e-
p+
Die Grundbausteine der Atome (und damit aller
Materie) sind Elektronen und Protonen
Elektronen besitzen untrennbar eine negative
elektrische Ladung von -1,602 · 10-19 C (Coulomb),d.h.
-0,000.000.000.000.000.000.1602 C
Protonen besitzen untrennbar eine positive elektrische
Ladung von +1,602 · 10-19 C
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Ladungen üben Kräfte aufeinander aus
e-
p+
Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
e-
e-
p+
p+
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
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Die elektrische Ladung
1C ist die Ladung, die bei einer
Stromstärke von I=1A (Ampère) in
genau 1 Sekunde fließt.
Elektronen zusammen besitzen.
Charles Augustin de Coulomb
1736-1806
18
6,24
⋅
10
1C ist die Ladung, die
( mehr als 6 Trillionen) Elektronen
zusammen besitzen.
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Die elektrische Stromstärke
André-Marie Ampère
1775-1836
Stromstärke I=
Q
Ι=
t
Transportierte Ladung
Zeiteinheit
Coulomb
[ I]=1
=1Ampère
Sekunde
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Warum leiten Kupfer, Silber und Gold so gut?
Cu Z=29
Ag Z=47
Au Z=79
1 Valenzelektron
Diese Valenzelektronen können leicht abgelöst werden, da sie
von den Elektronen der inneren Schalen fast total vom Kern
abgeschirmt sind. Die Bindung ist daher äußerst schwach!
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Modell eines Metallgitters
In einem Metall sind freie Elektronen vorhanden. Werden diese
bewegt, dann fließt ein elektrischer Strom.
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Wie funktioniert eine Spannungsquelle?
4,5V
Um die
Ladungen
zu trennen
muss Arbeit
verrichtet
werden.
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Die technische Stromrichtung
4,5V
Bevor man wusste, dass die Elektronen vom
Minuspol zum Pluspol fließen, hat man die
Stromrichtung von + nach – festgelegt.
Diese Stromrichtung hat man bis heute beibehalten
und nennt sie einfch „technische Stromrichtung“ .
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Wie funktioniert eine Spannungsquelle?
4,5V
Bei der Herstellung der Batterie
wurde Arbeit aufgewendet, um die
positiven und negativen Ladungen
zu trennen.
g
n
u
d
a
L
g
n
u
n
n
a
p
S
=
t
i
e
b
r
A
Die elektrische Spannung U ist die
Arbeit, die ich pro Ladungseinheit
aufwenden muss, um die Ladungen
zu trennen.
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Wasserstromkreis- Elektrischer Stromkreis
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Die Stromrichtung
Die Elektronen fließen von nach + , das ist die wirkliche
Stromrichtung.
Wir verwenden aber die
technische Stromrichtung von
+ nach -
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Die mechanische Spannung
Damit ein Wasserstrom durch
die Leitung fließen kann, muss
das obere Becken gefüllt
werden.
Dazu ist Hubarbeit notwendig.
Spannung =
Spannungsquelle
Arbeit
Wassermasse
[ U] = 1
Bei einer Hubhöhe h=20m ist
W=10N*20m =200J für jedes
kg, was im oberen Becken
liegt.
J
kg
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Die elektrische Spannung
Spannung =
W
U=
Q
V e rric h te te A rb e it zu m T re n n e n d e r L a d u n g e n
g e tre n n te G e s a m tla d u n g
Joule
[ U] = 1Coulomb = 1Volt
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"
t
l
o
V
"
=
V
1
J C
1
U
=
  =
J C
5
,
4
=
V
5
,
4
U
U=4,5V
W Q
U
=
Graf von Volta
1745-1827
g
n
u
d
a
L
g
n
u
n
n
a
p
S
=
t
i
e
b
r
A
Die elektrische Spannung
Bei dieser Batterie wurde pro Coulomb
getrennter Ladung 4,5 Joule an Arbeit verrichtet,
um die Ladungen zu trennen.
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V
2
1
U
=
=
J C
2
1
Die elektrische Spannung
Bei dieser Batterie wurde pro
Coulomb getrennter Ladung 12
Joule an Arbeit verrichtet, um die
Ladungen zu trennen.
Theoretisch kann diese Batterie
Die Angabe 72 Ah sagt dir,
wie viel Ladung in der Batterie einen Strom von 72 A eine
Stunde lang fließen lassen.
getrennt wurde:
⋅
=
=
C
0
0
2
9
5
2
=
s
A
0
0
2
9
5
2
⋅
s
0
0
6
3
A
2
7
h
1
A
2
7
h
A
2
7
=
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Der elektrische Widerstand
1m Konstantandraht
+
-
I
U
U[V]
0
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
5
I[A]
0
0,25
0,38
0,49
0,64
0,75
0,88
1
1,24
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1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
5
I[A]
0
0,25
0,38
0,49
0,64
0,75
0,88
1
1,24
U:I [V/A] -
4,0
3,9
4,1
3,9
4,0
4,0
4,0
4,0
1,4
∼
1,2
1
=
0,8
Datenreihen1
0,6
I
I R
0
U U
U[V]
⋅
0,4
0,2
1
2
3
5
= Ω
"
m
h
O
"
≈
6
4
R
=
4
V A
4
0
U I
0
U
I
Der elektrische Widerstand
∼
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Der elektrische Widerstand