Stromkreis

1. Ladung, Strom und Spannung / /> In einer "Taschenlampe" bilden die Batterie , das Glühlämpchen, die Kabelverbindungen und der Schalter einen Stromkreis. Ist der Schalter geschlossen, so fließt elektrischer Strom, die Lampe leuchtet. Dabei bewegen sich Elektronen durch den Draht. Um die Vorgänge beschreiben zu können, muß man elektrische Größen einführen und ihre Beziehungen zueinander kennenlernen.

Elektrische Ladung

Atome bestehen aus dem Atomkern und der Atomhülle. Im Kern befinden sich Neutronen und Protonen, in der Hülle Elektronen.
Elektronen und Protonen tragen Ladungen, die gleich groß aber entgegen¬gesetzt sind. Der Betrag dieser Ladung heißt Elementarladung e.

Beispiele für die Ladungen einiger Teilchen:
Teilchen Ladung

Elektron -e
Proton +e

Neutron 0
-Teilchen (He-Kern) 2e

C-Kern 6e
O-Kern 8e

U-Kern 92e


Für Ladungen gilt folgendes Gesetz:
Gesetz von der Erhaltung der Ladung
In einem abgeschlossenem System bleibt die Summe der elektrischen Ladung stets gleich.

Lange Zeit nahm man an, daß Ladungen nur als ganzzahlige Vielfache der Elementarladung auftreten. Die Ladungsgröße von elementarsten Teilchen (Quarks) wurde als (bzw. ) der Elementarladung bestimmt - allerdings können Quarks nicht einzeln beobachtet werden, sondern bilden zusammen Elementarteilchen mit ganzzahligen Ladungen bzw. mit Ladung Null (Neutronen)
Die elektrische Ladung tritt meßbar nur in ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung auf.

Die elektrische Ladung tritt gequantelt auf. Diese Quantelung der Ladung macht sich vor allem im atomaren Bereich bemerkbar. In der Elektronik und im Alltag treten so große Ladungsmengen auf, daß die Ladungen kontinuierlich erscheinen.

Elektrische Stromstärke

Bewegen sich elektrische Ladungen, so spricht man von elektrischem Strom. Fließen in jeder Sekunde gleich viele Ladungen in gleicher Richtung durch einen elektrischen Leiter, so spricht man von einem stationären elektrischen Strom oder von Gleichstrom. In diesem Fall ist die durch den Leiter fließende Ladungsmenge Q zur verstrichenen Zeit t direkt proportional:

Q=It

Der Proportionalitätsfaktor ist die elektrische Stromstärke I. Für sie ergibt sich:
Elektrische Stromstärke

I Elektrische Stromstärke
Q Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt
t dazu benötigte Zeit

Im internationalen Maßsystem (SI) ist die elektrische Stromstärke als Basisgröße festgelegt:
Die Einheit der elektrischen Stromstärke I heißt
1Ampere=1A

Einheit: [I]=1A (Basisgröße des SI

Die Größe der elektrischen Stromstärke wird mit Strommeßgeräten (Amperemeter) bestimmt.

Mit Hilfe der Einheit für die elektrische Stromstärke wird die Einheit für die Ladung festgelegt:
Die Ladungsmenge, die in einer Sekunde bei einer Stromstärke von einem Ampere durch den Leiter fließt, heißt

1 Coulomb=1C
Einheit: [Q]=1C=1As

Für die Elementarladung e gilt:

Elektrische Spannung

Im Stromkreis der eingeschalteten Taschenlampe verrichtet die Batterie Arbeit an den fließenden Elektronen. Die Arbeit, die zum Verschieben einer Ladungsmenge von 1C von einem Pol der Batterie (allg. vom Punkt A) zum anderen Pol der Batterie (allg. zum Punkt B) notwendig ist, heißt elektrische Spannung (zwischen den Punkten A und B) Die Arbeit pro 1C Ladungsmenge erhält man, wenn man die Arbeit W beim Verschieben einer Ladung Q durch die Ladung Q dividiert:

Elektrische Spannung


U Elektrische Spannung
W Arbeit

Q Ladung
Einheit: [U]= =1V (Volt)

Die Größe der elektrischen Spannung wird mit Spannungsmeßgeräten (Voltmeter) bestimmt.

Beispiele für verschiedene Spannungswerte:

Spannungswerte Größenordnung in V
Körper

Batterie 1

Elektronik 10
Autoelektrik 10

Haushalt


Fernseher


Hochspannungsleitungen


Bemerkung:
1.) Eine Spannung kann ähnlich wie die potentielle Energie nur zwischen 2 Punkten angegeben werden, also beispielsweise als Spannung zwischen zwei Polen einer Batterie oder als Spannung zwischen einer Hochspannungsleitung und der Erde u.ä.
2.) In atomaren Bereichen treten Energien von sehr kleiner Größenordnung auf. Daher verwendet man häufig die Energieeinheit eV (Elektronenvolt), um kleine Energiemengen besser angeben zu können:
1eV ist jene Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung von 1V erhält:
1eV=1,6 J
Stromarbeit und Stromleistung

Die Elektronen wechselwirken bei ihrer Bewegung durch den ständig mit den Gitteratomen und geben einen Teil ihrer Bewegungsenergie ab. Dadurch wird die thermische Bewegung der Gitteratome heftiger, der Leiter wird erwärmt (Joulesche Wärme).
In Verbrauchern wird die Energie in andere Energieformen umgesetzt (z.B. mechanische Energie bei einem Elektromotor)
Die Arbeit, die der elektrische Strom verrichten kann, entspricht der Energie, die in den einzelnen Ladungsträgern "gespeichert" ist. Demzufolge gilt:


W=UQ
W Arbeit

U Spannung (Energie pro Ladungseinheit)
Q Ladungsmenge, die durch den Leiter fließt

Die Ladungsmenge Q ergibt sich daraus, wie lange ein Strom mit der Stärke I durch den Leiter fließt:


Q=It

Damit ergibt sich:

Stromarbeit
W=UIt

W Stromarbeit
U elektrische Spannung

I elektrische Stromstärke
t Dauer des Stromflusses

Einheit: [W]=[U][I][t]=1V1A1s=1J (Joule)

Für die elektrische Leistung folgt wegen :

Stromleistung
P=UI

P Stromleistung
U Spannung

I Stromstärke
Einheit: [P]=1V1A=1W (Watt)

(Vorsicht! Verwechsle nicht Arbeit W mit der Einheit Watt W.)