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Grundlagen der Elektrotechnik Elektrische Grundgrößen Freie Elektronen als Ursache zur Nutzung elektrischer Energie Freie Elektronen in elektrischen Leitern (Metallen) Energieformen in Verbindung mit Elektrizität Elektrizität ist eine Grundtatsache der Materie. Elektronen und Protonen sind die Träger der elektrischen Elementarladung. Elektrische Ladung hat Mengencharakter. Die Menge der Elektrizität wird durch eine Vielzahl von Elektronen gebildet. Um jedoch Elektronen in einer bestimmten Menge zu erhalten, müssen diese erst aus dem Atomverband gelöst werden. Dieses Ablösen ist am leichtesten bei den Metallen möglich. Bei Kupfer ist z. B. im Normalzustand pro Atom ein Elektron frei. Diese hohe Anzahl freier Elektronen im Metallgefüge bedingt die gute elektrische Leitfähigkeit. Freie Elektronen und damit sind frei bewegliche Elektronen, welche nicht fest an Atom gebunden sind gemeint, sind zur Nutzung elektrischer Energie geeignet. Das Ablösen der Elektronen aus dem Atom kann man sich nach folgendem Schema vorstellen: Ist ein Elektron vom eigenen Atomkern gleich weit entfernt als vom Kern eines Nachbaratoms, sind die Anziehungskräfte welche auf das Elektron ausgeübt werden für diesen kurzen Moment gleich groß. Das Elektron wird durch die Fliehkraft heraus geschleudert. Das kann jedoch nur funktionieren, wenn die Bindungsenergie des Atoms dies zulässt. Dieses ist bei Metallen der Fall. Bei diesen befinden sich Elektronen auf einem Energieniveau, welches als das Leitungsband bezeichnet wird. Hier ist die erforderliche Energie für das Freiwerden des Elektrons sehr klein. Das besondere an Metallen ist, dass jedes Atom eine bestimmte Anzahl seiner Valenzelektronen an das Metall abgibt. Diese Elektronen können sich im ganzen Metall nahezu frei bewegen und werden als Leitungselektronen bezeichnet. Die Bewegung der freien Elektronen ist ähnlich der Bewegung der Atome in einem Gas, sie werden daher auch als Elektronengas bezeichnet. Die Leitungselektronen haben ihren Namen deshalb, weil sie für die Leitfähigkeit der Metalle verantwortlich sind. Legt man von außen ein elektrisches Feld an das Metall an, so bewegen sich die Elektronen in dem Metall durch die Kraft des Feldes solange in die Richtung des Feldes, bis sie dieses durch ihr eigenes Feld ausgeglichen haben. Es fließt also so lange ein elektrischer Strom in dem Metall, bis alle Felder ausgeglichen sind. Entnimmt man einem Metall auf einer Seite ständig Elektronen und gibt von der anderen Seite welche hinein, so kann ein ständiger Elektronenfluss (Strom) erzeugt werden. Metalle eignen sich daher als elektrische Leitungen. Die Elektronen, die sich von ihrem Atomverband gelöst haben, werden als freie Elektronen bezeichnet. Diese freien Elektronen bilden die Grundlage zur energetischen Nutzung der Elektrizität. Elektrizitätsmenge Coulomb Elektrische Energie Eine Anzahl freier Elektronen stellt eine Elektrizitätsmenge dar. Die Elektrizitätsmenge wird als die elektrische Ladung bezeichnet. Die Maßeinheit für die elektrische Ladung ist das Coulomb. 1 C = 6,25 · 1018 Elektronen. Elektrizität kann energetisch genutzt werden. Wir sprechen deshalb von elektrischer Energie. Energie tritt in verschiedenen Formen auf, z. B. Lichtenergie, Wärmeenergie, Bewegungsenergie, chemische Energie. Durch geeignete Maschinen und Apparate kann Energie von der einen Form in die andere Form umgewandelt werden. Die So entsteht z. B am Fahrrad durch den Dynamo, aus der Auch der umgekehrte Weg ist möglich. Mit Hilfe einer Wandlung Bewegung des Rades, elektrische Energie, die mit Hilfe Fotozelle wird Lichtenergie in elektrische Energie der einer Glühlampe über den Umweg der Wärme des umgewandelt. Ein Elektromotor setzt die elektrische elektrischen Glühdrahtes in Licht umgewandelt wird. Energie in Bewegungsenergie um. Energie Energieformen ist in beide Richtungen möglich Wirkungsgrad Lichtenergie elektr. Energie Fotozelle Bewegungsenergie Bewegungsenergie Elektromotor Dynamo elektr. Energie Lichtenergie Glühlampe Bei jeder Umwandlung von einer Energieform in eine Andere, geht Energie "verloren". Aus diesem Verhältnis berechnet sich der Wirkungsgrad. Veröffentlicht unter GPL von www.bin-br.at - Urheber: Ba 14.10.2012 12:12 Seite 1 L_E_frel.doc
