GET-Elektrische Grundgrößen

[ETAM/GM]

Elektrische Ladung

atom01 (8K)

Nach Bohr besteht ein Atom aus folgenden Teilchen:

Teilchenname Elektrische Ladung Ort
Elektron elektrisch negativ (Elementarladung e-) Atomhülle
Proton elektrisch positiv Atomkern
Neutron elektrisch neutral (ungeladen)

Wie groß ist die kleinste Ladungsmenge?

Die kleinste vorkommende Ladungsmenge ist die des Elektrons. Sie wird als Elementarladung e- bezeichnet und ist als Meßgröße mit 0,000.000.000.000.000.000.16 Coulomb (1,6.10-19 C) festgestellt worden.

Das Elektron ist ein beweglicher Ladungsträger:

Ladungsträger

Die elektrische Ladung Q wird in Coulomb C gemessen.

formel01 (1K)

\( \lambda = \frac{c}{f} \)

Charles Augustin de Coulomb

Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806)

Ihm gelang ca. 1785 der Nachweis der nach ihm benannten Gesetzmäßigkeit. Er hat die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen mit einer Torsionsdrehwaage bestimmt. Die Größe der Kraft hängt dabei von der Ladungsmenge zweier entfernter Probeladungen und deren Abstand zueinander ab.

Über den Abstand der Probeladungen und die Kraftwirkung kann die Ladungsmenge bestimmt werden.

Zehnerpotenzen oder "Nullen zählen"

tabelle01 (20K)

Elektrische Spannung

1 Volt entsteht, wenn man für das Trennen der Ladungsmenge von 1 Coulomb, die Energie von 1 Newton-Meter aufbringt.

Die elektrische Spannung U wird in Volt V gemessen. [1V = 1Nm/1C]

formel04 (1K)

Alessandro Graf Volta

Allesandro Graf Volta (1745 - 1827)

Er 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.

Berechnungen

Die Spannung in einer Quelle (Quellenspannung, Batteriespannung ... ) nennen wir UQ.

Das Feld, in das du klickst wird neu berechnet:
Berechne die Quellenspannung UQ = \( \frac{E}{Q} \) UQ = V
Berechne die mechanische Energie: E = UQ * Q E = Nm
Berechne den Ladungsüberschuß: Q = \( \frac{E}{U_Q} \) Q = As

Ergebnis:

Elektrische Stromstärke

1 Ampere fließt, wenn sich in 1 Sekunde die elektrische Ladungsmenge von 1 Coulomb durch den Leiter bewegt.

Der elektrische Srom I wird in Ampere A gemessen. [1A = 1C/1s]

formel05 (1K)

Andre Marie Ampere

Andre-Marie Ampere (1775 - 1836)

Er ist der Namensgeber der Stromstärkeeinheit.

Nachdem Hans Christian Oersted die zappelnde Kompassnadel entdeckt hatte, untersuchte Ampere die Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern

Das Ergebnis seiner Untersuchung ergab eine Beziehung zwischen Stromfluss in benachbarten Leitern, die sehr an die Gesetze von Coulomb und Newton erinnert.

Berechnungen

Die Stromstärke in einem Leiter nennen wir I.

Das Feld, in das du klickst wird neu berechnet:
Berechne die Stromstärke I = \( \frac{Q}{t} \) I = A
Berechne den Ladungstransport: Q = I * t Q = As
Berechne die Zeit: t = \( \frac{Q}{I} \) t = s

Ergebnis:

Zusammenfassung

Wie schnell ist der elektrische Strom?

DKI: Strom und Elektrizität – Wie kommt der Strom in die Steckdose?

Oft hört man, er sei so schnell wie das Licht, doch das stimmt, wenn man es wörtlich nimmt, ganz und gar nicht. Nur die »Druckwelle« pflanzt sich so schnell fort. Auch Wasser eilt schließlich nicht beim Aufdrehen des Hahns mit Lichtgeschwindigkeit vom Wasserwerk zum Wasserhahn, sondern es ist schon vorher in der Leitung und wird lediglich in Marsch gesetzt. – Also wie langsam ist der elektrische Strom nun? Mit folgenden Betrachtungen kommt man dahinter:

  • Ein Elektron hat eine Ladung von 1,602 * 10-19 Amperesekunden [As] oder Coulomb [C].
  • Wenn man davon den Kehrwert bildet, bekommt man die Anzahl Elektronen pro Zeit, die einem Stromfluss von 1 A entsprechen. Das sind 6,24*1018 Elektronen pro Sekunde.
  • Ein Mol ist die Atommasse (bzw. Molekularmasse) eines beliebigen Stoffes in Gramm. Dies entspricht immer, also bei allen Stoffen, 6,022*1023 Atomen (bzw. Molekülen) – die so genannte Avogadro-Konstante.
  • Kupfer hat eine Atommasse von 63,546.
  • Das bedeutet: 63,546 g Kupfer enthalten 6,022*1023 Atome.
  • Kupfer hat eine Dichte von 8,93 g/cm³.
  • Damit hat 1 Mol ein Volumen von 63,546 g / (8,93 g/cm³) = 7,12 cm³.
  • Dann enthält 1 cm³ Kupfer 6,022*1023 / 7,12 Atome, das sind also 8,46*1022 Atome / cm³.
  • Jedes Atom steuert ein freies Elektron bei.
  • 1 cm³ Kupfer (= 1000 mm³) reicht aus, um etwa 667 mm Draht für eine übliche Installationsleitung von 1,5 mm² Leiterquerschnitt herzustellen.
  • Eine solche Leitung kann üblicherweise mit einem Strom von 16 A belastet werden, was also 16 * 6,24 * 1018≈ 1020 Elektronen pro Sekunde entspricht.
  • Der 0,667 m lange Draht enthält aber schon 8,46*1022 Elektronen.
  • Die Strömungsgeschwindigkeit der Elektronen beträgt also 1020 / s / (8,46*1022) * 667 mm ≈ 0,8 mm/s (»höchstzulässige Geschwindigkeit innerhalb geschlossener Gebäude«, sozusagen). Bei einem Kurzschluss kann der Strom auch schon mal auf 1000 A ansteigen. Dann springt die Geschwindigkeit der Elektronen auf 50 mm/s. Das ist alles. So »schnell« ist der Strom wirklich. Mit seiner Leistungsfähigkeit hat dies jedoch rein gar nichts zu tun! Angenommen, es gäbe keinen Kurzschluss-Schutz, würde eine Sekunde Kurzschlussstrom ausreichen, um die Leitung gleichzeitig in ihrem gesamten Verlauf in Brand zu setzen.

    Zusammenhänge zwischen den 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

Vgl.Grundlagen unter dem Beruf Elektromaschinentechnik (Mechatronik)