Gleichstrom ist ein elektrischer Strom, bei dem die Stromrichtung dauernd dieselbe bleibt (geliefert von galvanischen Elementen oder Akkumulatoren).

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1 Der elektrische Strom Elektrischer Strom ist... die Bewegung von Ladungsträgern,... z.b. das Fließen der Elektronen in den Kupferdrähten, die Bewegung der Ionen durch wässrige Lösungen von Säuren, Basen, Salzen aber auch die Bewegung eines einzelnen Elektrons. wie dies bei den um den Atomkern kreisenden Elektronen der Fall ist. Bedingung für das Fließen von elektrischem Strom: Ein elektrischer Strom fließt immer zwischen zwei Punkten, wenn zwischen den beiden Punkten eine Potentialdifferenz besteht, die auch Spannung heißt und in Volt gemessen wird; wenn die beiden Punkte durch einen Leiter miteinander verbunden sind. Stromrichtung ist die Richtung, in der sich die positiven Ladungen bewegen oder bewegen würden. Diese Vereinbarung geht auf eine Zeit zurück, in der man noch nicht wußte, daß die negativen Elektronen für den Stromfluß in einem Draht verantwortlich sind. Die Stromrichtung... ist also die entgegengesetzte Richtung, in der sich die Elektronen bewegen. Der elektrische Strom fließt stets von Punkten höheren Potentials zu Punkten niedereren Potentials. Einem gedachten elektrischen Strom in festen Leitern entspricht in Wirklichkeit die Bewegung der Elektronen in entgegengesetzter Richtung. (Nur diese können sich zwischen den festsitzenden Gitterionen im Metall bewegen). Stromquelle ist eine Vorrichtung, die dauernd eine Potentialdifferenz oder Spannung aufrechterhält und dadurch einen konstanten elektrischen Strom erzeugen kann. Die wichtigsten Stromquellen sind Generatoren, galvanische Elemente und Akkumulatoren. Zeichen für Stromquelle: Die Spannung führenden Enden einer Stromquelle heißen Pole. Die Spannung an den Polen der Steckdosen unserer Haushalte beträgt 220 Volt, die Spannung der galvanischen Elemente (Batterien) beträgt 1 2 Volt. Seite 1

2 Stromstärke I Die Stromstärke ist eine Grundgröße. Die Stromstärke I ist ein Maß für die Ladungsmenge Q, die in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt fließt: Q Stromstärk e : I = Stromstärke ist Ladung pro Zeit t. Einheit der Stromstärke: 1C 1Coulomb 1 A = 1 Ampere = 1 Ampere (1A). 1s 1Sekunde Beispiel: Fließen in 10 Sekunden 50 Coulomb durch den Leiterquerschnitt, dann ist die Stromstärke dieses Stromes: I = Q/t = 50C / 10s = 5 Ampere. Gleichstrom ist ein elektrischer Strom, bei dem die Stromrichtung dauernd dieselbe bleibt (geliefert von galvanischen Elementen oder Akkumulatoren). Wechselstrom ist ein elektrischer Strom, bei dem die Stromrichtung periodisch, dh. in gleichen Zeitabschnitten, wechselt. Der technische Wechselstrom hat eine Frequenz von 50 Hertz. Erzeugt wird Wechselstrom in Generatoren. Potential auf einem stromdurchflossenen Leiter: Es ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich und zwar fällt es gleichmäßig ab! Unterschied zwischen ruhender und bewegter Elektrizität: Befindet sich Ladung im Ruhezustand auf einem Leiter, dann haben alle Punkte des Leiters dasselbe Potential und die elektrische Ladung befindet sich nur auf der Außenfläche des Leiters. Fließt aber ein elektrischer Strom, dann haben die verschiedenen Punkte des Leiters unterschiedliches Potential und die Ladung bewegt sich nicht bloß an der Außenfläche, sondern auch im ganzen Innern des Leiters. Seite 2

3 Die Hauptwirkungen des elektrischen Stromes: Einen elektrischen Strom kann man nicht sehen, sondern nur an seinen Wirkungen erkennen: 1.) Die magnetische Wirkung Jeder (!) elektrische Strom hat eine magnetische Wirkung, zum Beispiel die Ablenkung einer Magnetnadel: Fließt ein elektrischer Strom parallel über oder unter einer Magnetnadel (siehe Abbildung), so wirkt auf die Magnetnadel ein Drehmoment, das die Magnetnadel senkrecht zum elektrischen Strom zu stellen sucht. Die Ablenkung der Magnetnadel ist gegeben durch die Rechtsschraubenregel: Dreht man eine Rechtsschraube so, daß sie sich in Richtung des elektrischen Stromes bewegt, so zeigt die Drehrichtung die Ablenkung des Nordpoles der Magnetnadel an. Die Ablenkung einer Magnetnadel zeigt daher nicht nur das Vorhandensein eines elektrischen Stromes, sondern auch dessen Richtung an. Durch einen Wechselstrom wird eine Magnetnadel nicht abgelenkt, da die Ablenkung von der Stromrichtung abhängig ist und die Magnetnadel in Folge ihrer Trägheit dem schnellen Wechsel der Stromrichtung des Wechselstromes nicht folgen kann. Sie bleibt einfach in Ruhe. Daher läßt sich ein Wechselstrom mit einer Magnetnadel nicht nachweisen. 2.) Die Wärmewirkung Jeder Leiter wird, wenn er von einem elektrischen Strom durchflossen wird, erwärmt (ausgenommen die Supraleiter). Die elektrische Energie verwandelt sich dabei in Wärme. Sekundäre Wirkungen der Wärmewirkung des Stromes sind: Ausdehnung, Glühen, Schmelzen, Verbrennen des Leiters. 3.) Die chemische Wirkung Wird der elektrische Strom durch Säuren, Basen oder Salze in wässeriger Lösung geleitet, so werden diese zersetzt. Diese Zersetzung von Säuren, Basen oder Salzen heißt Elektrolyse. Die wässerigen Lösungen von Säuren, Basen, Salzen heißen Elektrolyte. Die Zersetzung ist abhängig von der Stromrichtung, zeigt also ebenfalls die Richtung des elektrischen Stromes an. Seite 3

4 Elektrische Strommesser...sind Instrumente, mit denen die Stromstärke eines elektrischen Stromes gemessen wird. Amperemeter sind in Ampere geeichte Strommesser, mit denen man die elektrische Stromstärke in Ampere mißt. Spannungsmesser...sind Instrumente, mit denen die elektrische Spannung (Potentialdifferenz) zwischen zwei Punkten gemessen wird. Voltmeter sind in Volt geeichte Spannungsmesser, mit denen die Spannung zwischen zwei Punkten in Volt gemessen wird. Prinzip der Messung der elektrischen Stromstärke: Je größer die Stromstärke eines elektrischen Stromes ist, umso größer ist seine Wirkung - sodaß man umgekehrt aus der Größe der Wirkung des Stromes die Größe der Stromstärke messen kann. Die elektrischen Strommesser beruhen daher auf den Hauptwirkungen des elektrischen Stromes. Die wichtigsten Strommesser sind magnetische Strommesser, Strommesser auf der Basis der Wärmewirkung und elektrolytische Strommesser. Beispiel für magnetische Strommesser: das Drehspulinstrument: Eine Spule mit einem Zeiger ist zwischen den Polen eines starken Dauermagneten drehbar aufgehängt. Wird durch sie Strom geleitet, treten durch Überlagerung beider Magnetfelder Drehkräfte auf. Die Verdrehung ist umso stärker, je größer der hindurchgehende Strom ist. Solch ein Drehspulinstrument zeigt noch Ströme von ein milliardstel Ampere an. Stromverzweigung Eine Stromverzweigung liegt vor, wenn zwei Punkte verschiedenen Potentials, in der Zeichnung die Punkte P 1 (10Volt) und P 2 (6Volt), durch zwei oder mehrere Leiter miteinander verbunden sind. Dann ist auf beiden Zweigen derselbe Potentialabfall. Es lassen sich daher auf beiden Zweigen entsprechende Punkte finden, die gleiches Potential haben, z.b. die Punkte C und D mit je 8 Volt. Verbindet man solche Punkte durch einen Leiter (Metalldraht), so fließt in diesem Leiter kein elektrischer Strom, da beide Punkte dasselbe Potential haben, was durch ein in den Verbindungsdraht hineingelegtes Galvanometer G (=Drehspulinstrument) nachgewiesen wird. Verschiebt man aber das eine Ende des Verbindungsdrahtes, der auch Brücke heißt, nach links oder rechts, so fließt in dem Verbindungsdraht ein elektrischer Strom in der einen oder in der anderen Richtung und das Galvanometer schlägt entsprechend nach rechts oder nach links aus. Seite 4

5 Stromkreis Alle elektrischen Ströme sind geschlossene Ströme, das heißt: Wenn ein elektrischer Strom dauernd fließt, so fließt er immer im Kreise in sich zurück (wie z.b. der Blutkreislauf). Der einfachste elektrische Stromkreis enthält eine Stromquelle, welche die Ladungen pumpt natürlich unter Arbeitsaufwand und ein Leiter läßt die hochgepumpten Ladungen zum Ausgangspunkt der Stromquelle zurückfließen. Die elektrische Energie der gepumpten (getrennten) Ladungen verwandelt sich beim Zurückfließen auch in Wärme. Elektrischer Widerstand Ladungsträger sind zwar in den Leitern beweglich, aber jeder Leiter setzt der Bewegung von Ladungen, also dem elektrischen Strom, einen gewissen Widerstand entgegen; dieser heißt der elektrische Widerstand des Leiters. Erfolgt die Behinderung der Bewegung durch Zusammenstöße mit den Molekülen des Leiters, dann gibt es einen Temperaturanstieg und man nennt den Widerstand, bei dem die von den Ladungsträgern auf ihrem Weg abgegebene Energie nur eine Erwärmung des Körpers zur Folge hat, einen Ohmschen Widerstand R. Die S t r o m s t ä r k e eines elektrischen Stromes ist nur abhängig von z w e i G r ö ß e n : von der Spannung, welche die antreibende Kraft des elektr. Stromes ist, und von dem elektrischen Widerstand des Leiters, der die hemmende Kraft des elektrischen Stromes ist. Die Stromstärke eines elektrischen Stromes wird daher um so größer sein, je größer die Spannung und je kleiner der elektrische Widerstand des Leiters ist. Dies ist die Aussage des Ohmschen Gesetzes: Ohmsches Gesetz Spannung Stromstärke = Widers tan d U I = R Seite 5

6 Die Stromstärke ist also direkt proportional der Spannung U der Stromquelle und umgekehrt proportional dem elektrischen Widerstand R des Leiters. Aus U I = R folgt U = I R und U R =. I U Die Gleichung R =. I ergibt die Definition des elektrischen Widerstandes eines Leiters: Fließt durch einen Leiter ein elektrischer Strom der Stromstärke I und besteht zwischen den Enden des Leiters die Spannung U, so ist U/I der elektrische Widerstand dieses Leiters. Einheit für den elektrischen Widerstand R ist das Ohm: 1Volt 1 Ohm = 1 Ampere 1 Ω = Bedeutung: Den elektrischen Widerstand von 1 Ohm hat der Leiter, an dessen Enden die Spannung von 1 Volt herrscht, wenn die Stromstärke von 1 Ampere hindurchgeht. Beispiel: Durch einen Leiter geht ein elektrischer Strom von 10 Ampere und an den Enden des Leiters herrscht die Spannung von 50 Volt, dann ist der Widerstand des Leiters: U 50Volt 50 Volt R = = = = 5 Ohm I 10 Ampere 10 Ampere Praktisch hat sich ergeben: den Widerstand von 1 Ohm hat eine Quecksilbersäule von 1,063m Länge und 1mm² Querschnitt bei 0 C. 1V 1A Spezifischer Widerstand r eines Leiters: das ist der in Ohm gemessene Widerstand eines Leiters von 1m Länge und 1mm² Querschnitt Den kleinsten spezifischen Widerstand haben Metalle, davon zuerst Silber, dann Kupfer und Aluminium. Für 18 C ist ρ... für Silber 0,016Ω, für Kupfer 0,017Ω, für Eisen 0,1 Ω usw. Seite 6

7 Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes Der elektrische Widerstand eines Leiters ist abhängig von spezifischem Widerstand Leiterlänge s Querschnitt A R = ρ s A Beispiel: Will man einen Leiter von einem kleinen elektrischen Widerstand, so muß ρ und s klein, A jedoch groß sein: Ein kurzer, dicker Draht aus einem Metall mit einem kleinen spezifischen Widerstand z.b. Kupfer. Will man einen Leiter mit großem elektrischem Widerstand, so muß ρ und s groß und A klein sein, also man nehme einen langen, dünnen Draht mit einem großen spezifischen Widerstand (Legierung). Je größer der elektrische Widerstand eines Leiters, um so schlechter leitet er den elektrischen Strom. Der elektrische Widerstand ist auch abhängig von der Temperatur des Leiters! Meist wächst der Widerstand mit steigender Temperatur. Einige Schaltsymbole: Seite 7

8 Elektrische Leistung P P = U I Leistung = Spannung mal Stromstärke [P] = V A = W Einheit : Volt Ampere = Watt Will man die Leistung eines Elektrogerätes, z.b. eines Motors, bestimmen, so mißt man die durch den Motor hindurchgehende Stromstärke I mit einem Amperemeter (in Reihe geschaltet) und die Spannung an den Enden des Motors mit einem Voltmeter (parallel geschaltet). Findet man z.b. I = 3 Ampere und U = 200 Volt, dann ist die Leistung des Motors P = 3 Ampere 200 Volt = Volt Ampere = 600 Watt. Beispiel: Wie groß sind Stromstärke und Widerstand einer Glühbirne, wenn sie bei einer Spannung von 220 Volt mit 60 Watt brennt? P = I U 60 = I U 220 I = Ampere R = = = = = 807Ohm 220 I Die Stromstärke beträgt 0,27 Ampere, der Widerstand 807 Ohm. Bemerkung: Wenn auf einer Glühbirne 60 W / 220 V steht, dann bedeutet dies: Diese Glühbirne ist für eine Spannung für 220 Volt bestimmt und brennt dann bei dieser Spannung mit einer Stromleistung von 60 Watt. Seite 8

9 Elektrische Energie W W = P t Energie = Leistung mal Zeit [ W ] = W s Einheit: Watt Sekunde = Wattsekunde 1 Ws = 1 J = 1 Joule... ist die von einem elektrischen Strom von 1 Watt in 1 Sekunde gelieferte Energie. Mißt man die Leistung eines elektrischen Stromes in Watt und die Zeit in Sekunden, so ergibt das daraus gebildete Produkt die vom elektrischen Strom geleistete Arbeit oder abgegebene elektrische Energie in Wattsekunden. Beispiel: Durch einen Motor, an dessen Enden die Spannung von 200 Volt herrscht, geht ein elektrischer Strom von 2 Ampere. Wie groß ist die in einer Minute ( = 60 s ) vom Strom gelieferte Arbeit? Bemerkung: P = U I = 200 V 2 A = 400 Watt W = P t = 400 W 60 s = Wattsekunden = Ws. 1 Kilowattstunde = 1 kwh = 1000 W 3600 s = Ws. Joulesches Gesetz Fließt ein elektrischer Strom der Stromstärke I Ampere durch einen Leiter vom Widerstand R Ohm, so ist die in t Sekunden entwickelte Wärmemenge W... W = I ² R t [ W ] = Joule Beachten Sie: Die entwickelte Wärmemenge ist proportional dem Widerstand (R) des Leiters, der Zeit (t) des Stromdurchganges und proportional dem Quadrat der Stromstärke (I²)! Im Kapitel Transformator werden wir darauf zu sprechen kommen. Seite 9

10 Literatur: Bayer, Reinhardt et al.: Impulse Physik 2. Verlag Ernst Klett: Stuttgart Collatz, Klaus-Günter et al.: Lexikon der Naturwissenschaftler. Spektrum Akademischer Verlag: Heidelberg Berlin Oxford De Curtis, Stefania/Ferrer, Julian Fernandez: Physik. Reihe: Wissen heute auf einen Blick. Verlag Kaiser: Klagenfurt Duenbostl et al.: Physik. Arbeitslehrbuch für die 3. Klasse der allgemeinbildenden höheren Schulen. Verlag Ueberreuter: Wien Duenbostl et al.: Physik. Arbeitslehrbuch für die 4. Klasse der allgemeinbildenden höheren Schulen. Verlag Ueberreuter: Wien Höfling, Oskar: Physik. Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium. Verlag Ferdinand Dümmler: Bonn 1990 (15.Auflage). Jaros, Albert/Nussbaumer, Alfred/Nussbaumer, Peter: Basiswissen 3. Physik - compact. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky: Wien Schreiner, Josef: Angewandte Physik 1. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky: Wien Schreiner, Josef: Lehrbuch der Physik, 2.Teil. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky: Wien Auflage. Schreiner, Josef: Lehrbuch der Physik, 2.Teil. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky: Wien Sckell, O.: Physik-Repetitorium. Verlag Dr. O. Sckell: Marburg a.l. o.j. 31.Auflage. Sexl/Raab/Streeruwitz: Physik, Teil 2. Verlag Ueberreuter: Wien Tipler, Paul A.: Physik. Spektrum Akademischer Verlag: Heidelberg Berlin Oxford Völker, Diethelm: Mentor Lernhilfe, Band 61, Physik. Verlag Mentor: München 1997, 8.Auflage. Seite 10