1 Grundlagen der Elektrizitätslehre

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1 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 1 1 ( 1 ) S t r o m q u e l l e ( ) S c h a l t e r ( 3 ) G l ü h b i r n e O 3 Abbildung 1: Ein einfacher Stromkreis I = 0 : I > 0 : ( 1 ) S t r o m l e i t e r ( ) K o m p a s s 1 1 Abbildung : Der Versuch von Øersted 1 Grundlagen der Elektrizitätslehre 1.1 Elektrischer Stromkreis elektrischer Strom Das Schaltbild eines einfachen Stromkreises ist auf dieser Seite zu finden Wirkungen des elektrischen Stroms Einige Wirkungen des elektrischen Stroms sind die Wärmewirkung, die magnetische Wirkung und der Elektromagent: Versuch von Øersted (siehe Abbildung auf dieser Seite) Spule mit Eisenkern 1. Strom als fließende Ladung Für ein einfaches Atommodell siehe [Chemie-Heft]. Metalle enthalten Elektronen, die allen Atomen des Kristallgitters gemeinsam gehören. Diese sind daher innerhalb des Kristalls frei beweglich (Leiter).

2 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE D e r S c h a l t e r ( 1 ) k a n n d r e i P o s i t i o n e n e i n n e h m e n : 1. P l u s P o l m i t K o n d e n s a t o r O O. K o n d e n s a t o r m i t L e i t e r 1 0. K e i n e V e r b i n d u n g ( ) G l ü h l a m p e Abbildung 3: Ein einfacher Stromkreis mit Kondensator ( 1 ) T e l l e r 1 ( ) Z e i g e r Abbildung 4: Elektroskop 1.3 Versuche mit elektrischer Ladung Bei den verschiedenen Schalterpositionen des Stromkreises auf dieser Seite ergibt sich: Bei Stellung 1: Kurzzeitiger Ladestrom Bei Stellung : Kurzzeitiger Entladestrom Bei Stellung 0 (nach 1): Kondensator ist elektrisch geladen Leitende Kugel zwischen Kondensatorplatten: Vergleiche Buch Seite 11 Elektroskop (siehe Abbildung auf dieser Seite): Zeigerausschlag bei elektrischer Aufladung (denn gleinnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab). 1.4 Elektrische Influenz Unter elektrischer Influenz versteht man die Verschiebung von Ladung auf elektrischen Leitern (Ladungstrennung) unter dem Einfluss anderer,

3 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 3 1 ( 1 ) P o s i t i v g e l a d e n e r K u n s t s t o f f s t a b ( ) E n t l a d u n g m i t H i l f e e i n e s F i n g e r s ( B o d e n k o n t a k t ) Abbildung 5: Elektrische Influenz beim Elektroskop ( 1 ) P o s i t i v g e l a d e n e r K u n s t s t o f f s t a b 1 Abbildung 6: Ablenkung eines Wasserstrahls durch einen Kunststoffstab sich in der Nähe befindlichen Ladungen. Elektroskop (siehe Abbildung auf dieser Seite) Ablenkung eines Wasserstrahls (siehe Abbildung auf dieser Seite). Der Versuch geligt wegen des Dipol-Charakters des Wasserstoffmoleküls und dem Abnehmen elektrischer Kräfte mit zunehmender Entfernung Erhöhung der Kapazität eines Kondensators durch einen Nichtleiter (siehe Abbildung auf der nächsten Seite)

4 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 4 + ( 1 ) D i e l e k t r i k u m ( N i c h t l e i t e r ) Abbildung 7: Erhöhung der Kapazität eines Kondensators 1.5 Messung elektrischer Ladungen Protonen und Elektronen sind Träger der kleinsten in der Natur vorkommenden Ladungsmenge (Elementarladung e). Proton: +e = e Elektron: e Einheit der Ladung: 1C (Coulumb) 1C entspricht der Ladungsmenge von 6, Elektronen oder Protonen. 1C = 6, e e = 1, C 1.6 Elektrische Stromstärke als physikalische Größe Definition: Die Stromstärke I gibt an, wie viel Ladung pro Zeiteinheit durch einen elektrischen Stromkreis transportiert wurde (siehe Abbildung auf der nächsten Seite). I = Q t [ ] A = C s

5 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 5 1 ( 1 ) L e i t e r ( ) E l e k t r o n 3 ( 3 ) M e s s e i n h e i t Abbildung 8: Definition der Stromstärke I während Messzeit t konstant I währed Messzeit t nicht konstant Q Abbildung 9: I während Messzeit t (nicht) konstant [C = A s] t Zwei Fälle: I während der Messzeit t konstant (siehe Abbildung auf dieser Seite). Betrachtet man zwei unterschiedliche Zeitfenster, t 1 und t, so wird man feststellen, dass I konstant bleibt: I = Q t = Q 1 t 1 = Q t Ist I allerdings während der Messzeit t nicht konstant, so unterscheiden sich die einzelnen transportierten Ladungen: Q 1 Q = I 1 = Q 1 Q Q t = I Der Quotient Q gibt die mittlere Stromstärke während des Intervalls t t an. = Wählt man t immer kleiner, so nähert sich Q der tatsächlichen t Momentanstromstärke immer besser an. Q Schreibweise: I = lim t 0 t

6 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 6 Ohne Gleichrichter Mit Einweggleichrichter Mit Zweiweggleichrichter I Abbildung 10: Wechselströme mit Gleichrichtern t Messung von Stromstärken Drehspulinstriument: Funktionsweise siehe Buch Seite 0. Messung von Wechselströmen durch eingebauten Gleichrichter möglich (siehe Abbildung auf dieser Seite). Die Funktionsweise des Zweiweggleichrichter zeigt die Abbildung auf der nächsten Seite Effektivwert Bei der Messung von Wechselströmen zeigen Messgeräte den sogenannten Effektivwert der Stromstärke I eff an. Definiton: Der Effektivwert gibt an, wie stark ein Gleichstrom sein müsste, um in einem vorgegebenen Zeitintervall die selbe Wärmewirkung hervorzurufen wie der tatsächlich fließende Wechselstrom. Für sinusförmigen Wechselstrom gilt: I eff = I Stromrichtung Definition der Stromrichtung: Technische Richtung: + = -

7 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 7 ( 1 ) D i o d e ( ) W e c h s e l s p a n n u n g s s t r o m q u e l l e 1 O U ~ Abbildung 11: Funktionsweise des Zweiweggleichrichters Physikalisch richtige Richtung: - = + Ist nur von Stromrichtung die Rede, so ist leider aus historischen Gründen immer noch die technische Richtung gemeint. 1.7 Elektrische Spannung Die elektrische Spannung ist ein Maß für die Ladungstrennung zwischen zwei Punkten. Ein elektrischer Strom kann nur fließen, wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung besteht. Einheit der Spannung: 1V (1 Volt) Spannungsmessung: Zum Beispiel mit einem Drehspulinstrument. 1.8 Elektrischer Widerstand Definition: Wird ein elektrischer Leiter beim Anlegen einer Spannung U von einem Strom der Stärke I durchflossen, so definiert man seinen Widerstand R als R = U I ([R] = [ 1 V A ] = [1Ω])

8 1 GRUNDLAGEN DER ELEKTRIZITÄTSLEHRE 8 5 k 1 0 k k Abbildung 1: Drei Widerstände Definition: Enthält ein Stromkreis mehrere Widerstände, so gibt ihr Eratzwiderstand an, wie groß ein (einziger) Widerstand sein müsste, um bei der selben angelegten Spannung die selbe Stromstärke zu bewirken wir die tatsächlich eingebauten Widerstände Beispiel: Die Messung des Versuchsaufbaus auf dieser Seite ergibt: Bei U = 6, 0V ist I = 0, A = R = U = 13, 6kΩ (Ersatzwiderstand). I