Elektrische Ladung

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:

Die elektrische Ladung Q wird in Coulomb C gemessen.

Zehnerpotenzen oder "Nullen zählen"

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]

\(U_Q = \frac{E}{Q} \)

Berechnungen

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

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]

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:

Wie schnell ist eigentlich der elektrische Strom?

Nach einer Idee auf der Seite des "Deutschen Kupferinstituts (DKI)": 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 welche Geschwindigkeit hab nun die bewegten Elektronen, oder der elektrische Strom? Mit folgenden Betrachtungen kommt man dahinter:

• Ein Elektron hat eine Ladung e^- 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 Atome (bzw. Moleküle) – die so genannte Avogadro-Konstante.
• Kupfer hat eine Atommasse von 63,546 Mol.
• 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 Kurzschlussschutz, würde eine Sekunde Kurzschlussstrom ausreichen, um die Leitung gleichzeitig in ihrem gesamten Verlauf in Brand zu setzen.

Zusammenfassung

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)