Inhaltsverzeichnis. Luis Kornblueh. 22. August 2013 Quelle: Severin Bauer

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1 Luis Kornblueh KlosterCluster Team MaxPlancknstitut für Meteorologie 22. August 2013 Quelle: Severin Bauer 2 / 23 Elektrische Ladung nhaltsverzeichnis Elektrische Ladung Elektrischer Strom und Ladung Stromrichtung im elektrischen Stromkreis Stromdichte Jeder Stoff besteht aus Atomen mit unvorstellbar großer Anzahl von elektrischen Ladungen. st das Gleichgewicht der Ladungen gestört, ist der elektrisch geladen. Elektrische Ladungen sitzen im wesentlichen an der Oberfläche. 3 / 23 4 / 23

2 Elektrisch geladene Körper haben das Bestreben das Gleichgewicht der Ladungen herzustellen, also einen elektrisch neutralen Zustand zu erreichen. Das Ausgleichsbestreben eines geladenen Körpers übt eine Kraftwirkung auf alle in der Umgebung befindlichen Ladungen aus. Ein Grundgesetz der Elektrostatik ist die Aussage: Ungleichnamige elektrische Ladungen ziehen sich an und gleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab. Diese Kraftwirkung wird durch das elektrische Feld veranschaulicht (Elektrostatik). 5 / 23 6 / 23 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: W = U Q U = W Q in V W Arbeit in Ws Q Ladungsmenge in As U Potenzialdifferenz in V Einfacher formuliert: Elektrische Spannung oder Potenzialdifferenz ist das Ausgleichsbestreben elektrischer Ladungen zwischen zwei Polen. 7 / 23 8 / 23

3 Zur vollständigen Beschreibung braucht man noch die Polarität. Die positive Zählrichtung der elektrischen Spannung ist vom Pol mit Elektronenmangel zu dem Pol mit Elektronenüberschuß gerichtet. n Schaltungen wird die Spannung oft durch einen Zählpfeil gekennzeichnet. 1 e e e U 1,2 = 1.5V U 2 Allgemein wird die elektrische Spannung vom positiven Pol ausgehend auf den negativen Pol bezogen positiv gezählt. Bei Angabe eines positiven Wertes zeigt er vom Plus zum Minuspol. 9 / / 23 Beispiel für die Berechnung von Potenzialen und Potenzialdifferenzen: Die Potentialverhältnisse lassen sich anschaulich an einem Potenzialstrahl darstellen. 6 A A B C D 0V U AB = 10V U CB = 2V U CD = 5V U D = 3V U AD U A U B U C D C U AB = 10V U D = 3V U CB = 2V U CD = 5V U AD = 3V U B = 4V U A = 6V U C = 2V U D = 3V 4 B 11 / / 23

4 Elektrischer Strom und Ladung Elektrischer Strom und Ladung Besteht in einem geschlossenen Stromkreis eine elektrische Potenzialdifferenz, so kommt es infolge des Ausgleichsbestrebens der elektrischen Ladungen zu einem elektrischen Strom: Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischer Ladungen. n metallischen Leitern sind die Ladungsträger freie Elektronen. Die elektrische Stromstärke ist die Größe, die die je Zeiteinheit transportierte elektrische Ladungsmenge kennzeichnet. oder elektrische Stromstärke in A = Q t Q = t Q der elektrischen Ladung in C ( = As) t Zeit des Stromfluss in s 13 / / 23 Stromrichtung im elektrischen Stromkreis Stromdichte Die technische Stromrichtung ist außerhalb des Stromerzeugers vom positiven zum negativen Pol festgelegt. 4s Erzeuger Verbraucher s Leiter a U U Leiter b Schematische Darstellung der Stromdichte. Die technische Stromrichtung im Gleichstromkreis ist in der Technik ohne Bedeutung. s = A mit A in mm 2 15 / / 23

5 Wa rmewirkung 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 gegenu ber seiner Umgebung erwa rmt. 17 / / 23 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 grundsa tzlich von einem magnetischen Feld umgeben. 19 / 23 Elektromagnetische nduktion n einer Leiterschleife hat eine A nderung des magnetischen Flusses eine elektrische Spannung zur Folge. Galvanische Stromerzeugung n galvanischen Spannungserzeugern werden die unterschiedlichen chemischen Lo sungsdru cke der Metalle ausgenutzt. Thermoelektrische Stromerzeugung Der thermoelektrische Effekt bewirkt die direkte Umwandlung von Wa remenergie in elektrische Energie. 20 / 23

6 Fotoelektrizita t Der fotoelektrische oder fotovoltaische Effekt ermo glicht die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die an der Verbindungsstelle verschiedener Metalle entstehende temperaturabha ngige elektrische Spannung heißt thermoelektrische Spannung. Einer solche Verbindungsstelle heißt Thermoelement. Kupfer mv Thermoelement warm U1 ı U1 U2 Konstantan Thermoelement kalt U2 Quelle: Solarpark Thu ngen Die beiden Thermoelemente mu ssen zur Erzeugung eines Stroms einen Temperaturunterschied aufweisen. Solarzellen sind Fotoelemente, die der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen. 21 / 23 Beru hrungs oder Reibungselektrizita t Werden Ko rper aus verschiedenen Stoffen aneinander gerieben, treten an der Beru hrungsfla che Elektronen von einem auf den anderen Ko rper u ber. 23 / / 23