Grundgrößen der Elektrotechnik

Elektrische Ladung

Die Ladungsmenge Q (Quantum)

Das kleinste elektrisch geladene Teilchen ist das Elektron. Seine Ladung ist die Elementarladung e-.

Die Einheit für die elektrische Ladung heißt 1Coulomb. Sie ist viel größer als die Elementarladung.

1 Coulomb entspricht der Ladung von 6.280.000.000.000.000.000 Elektronen.
 

Diese 6,28 Trillionen Elementarladungen werden in der Mathematik in Zehnerpotenzen angegeben. So sieht die Zahl etwas handlicher aus:

1C = 6,28 . 1018 e-

Will man dagegen wissen, wie klein die Elementarladung in der Einheit Coulomb gemessen ausfällt, muß man nur den Kehrwert der oben dargestellten Zahl rechnen, und man erhält die unvorstellbar kleine Zahl von:

e- = 1,6 . 10-19C

Auch hier ist die Zahl mit Zehnerpotenz wesentlich einfacher zu lesen als 0,000.000.000.000.000.000.16C.

Charles Augustin de Coulomb Coulomb hat die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen mit einer Torsionsdrehwaage bestimmt. Die Größe der Kraft hängt dabei von der Ladungsmenge zweier entfernter Probeladungen ab.
über den Abstand der Probeladungen und die Kraftwirkung kann die Ladungsmenge bestimmt werden.

Elektrische Spannung

Elektrische Spannung entsteht durch die Trennung elektrischer Ladungsträger. Die Menge der getrennten Ladungsträger ist ein Maß für die Höhe der elektrischen Spannung.
Elektrische Ladungsträger können nur durch Aufbringung von Energie (=Arbeit) getrennt werden.

Elektrische Spannung durch Ladungstrennung

Die Einheit der elektrischen Spannung ist 1Volt.

Alessandro Graf Volta Volta ist der Namensgeber der Spannungseinheit. Er hat nach Galvanis Entdeckung der "Tierischen Elektrizität" das Verhalten von Metallen und Säuren untersucht. Durch seine Versuche hat er die chemische Spannungsquelle entdeckt.
1 Volt entsteht, wenn man für das Trennen der Ladungsmenge von 1 Coulomb, die Energie von 1 Newton-Meter aufbringt.
 

Für die Berechnung der Spannung gilt also die Beziehung:

Spannungsquellen

Die Spannungsquellen erzeugen einen Potentialunterschied. In der Praxis gibt es folgende Möglichkeiten:

Ladungstrennung durch ... praktische Anwendung
... Reibung bei statischer Elektrizität
... chemische Wirkung in Batterien oder Akkumulatoren
... magnetische Induktion in Generatoren
... Temperatur zur Temperaturmessung
... mechanischen Druck Kraftmessung
... Lichteinwirkung in der Fotovoltaik oder zur Lichtmessung

Spannung oder Potenzial

Eine Spannung kann ja nur zwischen zwei Punkten gemessen werden. In der Praxis spricht man zum Beispiel von der Spannung "Leiter gegen Erde" oder der Spannung "Aktiver Leiter gegen Masse" .....

Die zwei unterschiedlichen Punkten eines "elektrischen Systems" besitzen unterschiedliches Potenzial. Das höhere elektrische Potenzial ist der Ort mit der höheren Spannung.

Das Potential gibt die Höhe der elektrischen Spannung an

Das elektrische Potenzial ist mit dem Höhenunterschied vergleichbar, der eine hohe potentielle Energie ergibt. Damit eine Masse auf ein höheres Energieniveau gehoben werden kann, muß Arbeit verrichtet werden, so wie die Spannungsquelle Arbeit verrichten muß, um elektrische Ladungsträger zu trennen.

Besteht zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem Potenzial eine leitende Verbindung, fließt dort ein elektrischer Strom.

Elektrischer Strom

Wenn sich elektrische Ladungsträger bewegen, sprechen wir von elektrischem Strom. Bewegliche Ladungsträger sind entweder Elektronen oder Ionen.

Die Menge der bewegten Ladung in einer bestimmten Zeit gibt die Stromstärke an.

bewegte elektrische Ladungen heißen elektrischer Strom

Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist 1 Ampere.

1 Ampere entsteht, wenn in 1 Sekunde die elektrische Ladungsmenge von 1 Coulomb fließt.
 

Für die Berechnung der Stromstärke gilt also die Beziehung:

Andre Marie Ampere Nachdem Hans Christian Oersted die zappelnde Kompassnadel entdeckt hat, hat Ampere die Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern untersucht.
Das Ergebnis seiner Untersuchung ergab eine Beziehung zwischen Stromfluss in benachbarten Leitern, die sehr an die Gesetze von Coulomb und Newton erinnert.

Wird Strom verbraucht?

Die Elektronen fließen "im Kreis". In der Sichtweise der Techniker bewegen sich Ladungsträger vom Pluspol der Batterie über den Verbraucher zum Minuspol zurück. Weil die Batterie keine Elektronen erzeugen kann, müssen sie auch durch die Batterie hindurch fließen. Die Batterie "pumpt" die freien Elektronen im geschlossenen Kreis herum. Elektronen können nicht verloren gehen, daher gilt:

Der Strom ist im ganzen Stromkreis gleich groß.
 

Zählpfeile

Die Spannung treibt einen Strom durch einen geschlossenen Stromkreis. Ihre Wirkungsrichtung ist für die Stromrichtung entscheidend. Diese Wirkungsrichtung wird mit einem Zählpfeil eingetragen, der vom höheren zum tieferen Spannungswert, oder vom höheren zum tieferen elektrischen Potenzial zeigt.

Die technische Stromrichtung zeigt vom Pluspol zum Minuspol.
 

Sie wird durch die Zählpfeile eingezeichnet.

Nun sind aber die Elektronen negativ geladen, und der Pluspol ist der Ort des Elektronenmangels. Der Minuspol ist dagegen der Ort des Elektronenüberschusses, weshalb die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol fließen. Die Gesetze der Naturgesetze sagen uns: die Elektronen gehen den Weg vom Überschuss zum Mangel, also bewegt sich die Ladung vom Minuspol zum Pluspol.

Die physikalische Stromrichtung ist der technischen entgegengesetzt.
 

Zusammenfassung

Grundgrößen

  • Elektrische Ladung Q
    • negative Elementarladung
      • bewegliche Elektronen
    • positive Elementarladung
      • Protonen fest im Kern
    • Ist die Ursache der Elektrizität
  • Elektrischer Strom I
    • bewegte elektrische Ladungen
      • in Festkörpern bewegen sich Elektronen
      • in Flüssigkeiten und Gasen bewegen sich Ionen
  • Elektrische Spannung U
    • Durch Energieaufwand getrennte Ladung
      • Spannungserzeugung durch Reibung
        • in Isolatoren kann die Ladungsverteilung durch Reibung verändert werden
      • Elektrochemische Spannungserzeugung
        • Metallatome werden durch Elektrolyte unvollständig gelöst
      • Spannungserzeugung durch Wärme
        • Spannung am Thermoelement
      • Spannungserzeugung durch Druck
        • Ladungsverschiebung durch Gefügeveränderung eines Kristalls
      • Spannungserzeugung durch Licht
        • Photonen lösen freie Elektronen aus Halbleiterkristallen
      • Spannungserzeugung durch Induktion
        • Ändert sich das Magnetfeld um einen Leiter, werden im Leiter freie Elektronen verschoben