Fachkunde Elektrotechnik - Das Handbuch für Einsteiger: Die Grundlagen der Elektrotechnik anschaulich und leicht verständlich erklärt - inkl. Formelsammlung, Übungen u. v. m. (eBook)
201 Seiten
ONIX Media (Verlag)
978-3-7576-2557-3 (ISBN)
Kapitel 2: Elektrische Grundlagen
In diesem Kapitel befassen Sie sich eingehend mit den elektrischen Grundlagen. Dabei erhalten Sie vor allem tiefgehende Informationen über diverse Begrifflichkeiten, welche die Grundlagen der Physik und Elektrotechnik bilden. Was genau ist eigentlich elektrische Ladung und was bedeutet Strom? Wie wird mit dem Ohm’schen Gesetz gerechnet? Wie wird der elektrische Energieverbrauch berechnet? Antworten auf all diese und viele weitere Fragen erhalten Sie im Folgenden.
Elektrische Ladung und Strom
Die Grundlagen der Elektrotechnik beginnen mit den fundamentalen Konzepten der elektrischen Ladung und des elektrischen Stroms. Diese beiden Begriffe bilden die Basis für nahezu alle Anwendungen der Elektrizität und Elektronik. Nachfolgend erhalten Sie daher einen Überblick über die wichtigsten Begriffe und Gesetzmäßigkeiten im Hinblick auf elektrische Ladung und Strom.
Die elektrische Ladung
Die elektrische Ladung ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft, die beschreibt, wie stark ein Teilchen innerhalb eines Gesamtsystems auf elektromagnetischer Basis mit einem anderen Teilchen interagiert. Sie bildet zudem die Grundlage für elektrische und magnetische Kräfte. Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen: positive Ladung und negative Ladung. Diese Eigenschaften wurden durch Experimente entdeckt und sind grundlegend für die elektromagnetische Wechselwirkungen.
Die kleinste Einheit der elektrischen Ladung ist das Elektron, das eine negative Ladung trägt. Sein Gegenstück, das Proton, trägt eine positive Ladung gleicher Stärke, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Die elektrische Ladung eines Elektrons beträgt etwa:
-e≈−1,602⋅10−19 C (Coulomb).
Das Coulomb ist die SI-Einheit der Ladung und dient als Maß für die Menge an elektrischer Ladung. Für praktische Zwecke sind makroskopische Ladungsmengen wie 1 C oft nützlich, die Millionen von Elektronen oder Protonen repräsentieren. Dadurch wird die Arbeit mit elektrischen Phänomenen auf eine praktische, handhabbare Weise vereinfacht, die sowohl technische Anwendungen als auch theoretische Modelle unterstützt.
Ein wichtiges Gesetz, welches die Interaktion elektrischer Ladungen beschreibt, ist das Coulomb-Gesetz.
Das Coulomb-Gesetz
Dieses besagt, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen und ungleichnamige Ladungen anziehen, wobei die Kraft proportional zum Produkt der Ladungsmengen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist.
Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806) war ein französischer Physiker und Ingenieur, der für seine bahnbrechenden Arbeiten auf dem Gebiet der Elektrodynamik bekannt ist. Er entdeckte das nach ihm benannte Gesetz, das in zahlreichen Experimenten bestätigt werden konnte.
Gesetz der Ladungserhaltung
Das Gesetz der Ladungserhaltung ist ein fundamentales Prinzip der Physik, das besagt, dass die Gesamtladung in einem abgeschlossenen System stets erhalten bleibt. Dieses Gesetz beschreibt, dass elektrische Ladung weder erzeugt noch vernichtet werden kann, sondern ausschließlich durch Übertragungen oder Umverteilungen zwischen Objekten verändert wird. Es bildet die Grundlage für das Verständnis elektrischer Phänomene und ist in zahlreichen physikalischen und technischen Anwendungen von zentraler Bedeutung.
Die Erhaltung der Ladung gilt unabhängig von der Art der Wechselwirkungen oder den beteiligten physikalischen Prozessen. Ob es sich um chemische Reaktionen, elektrische Ströme oder atomare Prozesse handelt, die Gesamtladung eines abgeschlossenen Systems bleibt konstant. Dies lässt sich mathematisch ausdrücken durch die Formel:
Hierbei steht ΔQ für die Veränderung der Gesamtladung im System. Ein Wert von ΔQ=0 zeigt an, dass keine Nettoänderung der Ladung stattfindet.
Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) war ein deutscher Physiker, der grundlegende Beiträge zur Elektrotechnik und zur Spektralanalyse leistete, insbesondere durch die Formulierung der Kirchhoffschen Regeln für elektrische Netzwerke.
Seine Arbeiten legten die Grundlage für das Verständnis von elektrischen Schaltungen, wobei die Knotenregel und die Maschenregel zur Analyse von Strom- und Spannungsverteilungen in Netzwerken weltweit angewendet werden.
Das Gesetz der Ladungserhaltung zeigt sich in vielen alltäglichen und wissenschaftlichen Kontexten. In der Elektrostatik wird es deutlich, wenn zwei Objekte durch Reibung elektrische Ladung austauschen. Beim Reiben eines Kunststoffstabs an einem Tuch wird der Stab negativ geladen, indem er Elektronen aufnimmt, während das Tuch positiv geladen bleibt, weil es dieselbe Menge an Elektronen verliert. Die Summe der Ladungen vor und nach dem Prozess bleibt konstant, auch wenn die Verteilung der Ladungen verändert wurde.
In elektrischen Schaltungen wird die Ladungserhaltung in Form des Stromflusses beobachtet. Elektrische Ladung fließt durch Leiter, ohne dass sie dabei verloren geht. An jedem Knotenpunkt in einer Schaltung, an dem mehrere Ströme zusammenlaufen, gilt die Kirchhoffsche Knotenregel, die direkt auf dem Gesetz der Ladungserhaltung basiert:
Diese Gleichung besagt, dass die Summe aller Ströme, die in einen Knoten hineinfließen, gleich der Summe aller Ströme ist, die aus ihm herausfließen.
Auch in der modernen Physik bleibt die Ladungserhaltung ein fundamentales Prinzip. Bei Kernprozessen oder Teilchenreaktionen, wie etwa beim Zerfall radioaktiver Elemente oder in der Teilchenphysik, wird die Gesamtladung des Systems stets bewahrt. Wenn beispielsweise ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfällt, bleibt die Summe der Ladungen unverändert: Das Proton trägt eine positive Ladung, das Elektron eine negative Ladung, und das elektrisch neutrale Antineutrino beeinflusst die Bilanz nicht.
Elektrischer Strom
Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, in der Regel Elektronen, durch ein leitendes Material. Wenn sich Elektronen in einem Leiter bewegen, wird dies als Stromfluss bezeichnet. Der elektrische Strom wird in der Einheit Ampere (A) gemessen, wobei ein Ampere einer Ladungsmenge von einem Coulomb entspricht, die pro Sekunde durch einen Querschnitt des Leiters fließt:
wobei I der elektrische Strom, Q die Ladungsmenge in Coulomb und t die Zeit in Sekunden ist.
In einem metallischen Leiter wie Kupfer oder Aluminium bewegen sich die Elektronen durch das Gitter der Metallatome. Diese Bewegung wird durch eine elektrische Spannung verursacht, die wie eine „Treibkraft“ wirkt und die Elektronen in Bewegung setzt. Die Geschwindigkeit der Elektronen ist dabei relativ gering; dennoch breitet sich der Effekt eines Stromflusses nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aus, da die elektrische Energie durch das gesamte Material übertragen wird.
Elektrizität
Elektrizität ist nichts anderes als die Bewegung von Ladungsträgern, die durch eine elektrische Spannung angeregt wird. In metallischen Leitern wie Drähten sind die freien Elektronen die Hauptladungsträger. In anderen Materialien, wie Halbleitern, können sowohl Elektronen als auch „Löcher“ (fehlende Elektronen) als Ladungsträger fungieren. In Flüssigkeiten oder Gasen treten häufig Ionen als Ladungsträger auf.
Die Bewegung der Ladungsträger erfolgt in der Regel in die Richtung, die durch das elektrische Feld vorgegeben ist. Interessanterweise bewegen sich die Elektronen im Leiter entgegen der technischen Stromrichtung. Die technische Stromrichtung wurde historisch so definiert, dass sie von der positiven zur negativen Polung fließt – bevor bekannt war, dass Elektronen negativ geladen sind.
Die Stärke der Elektrizität hängt sowohl von der Anzahl der sich bewegenden Ladungsträger als auch von ihrer Geschwindigkeit ab. Diese Konzepte sind entscheidend, um elektrische Energie effizient zu transportieren und zu nutzen.
Spannung und Stromstärke
Die Begriffe Spannung und Stromstärke gehören zu den grundlegenden Konzepten der Elektrotechnik und beschreiben wesentliche Eigenschaften elektrischer Systeme. Sie stehen in enger Beziehung zueinander, die durch das Ohmsche Gesetz beschrieben wird und bestimmen maßgeblich das Verhalten elektrischer Schaltungen. In diesem Kapitel wird die Spannung als eine Art „elektrischer Druck“, die Stromstärke als Maß für den Ladungsfluss und die Beziehung zwischen diesen beiden Größen untersucht, die durch das Ohmsche Gesetz beschrieben werden.
Die elektrische Spannung
Die elektrische Spannung, oft mit dem Symbol U oder V bezeichnet, beschreibt den Unterschied im elektrischen Potenzial zwischen zwei Punkten eines Stromkreises. Sie wirkt als eine Art „elektrischer Druck“, der Ladungsträger – in der Regel Elektronen – durch einen Leiter bewegt.
Um dieses Konzept zu veranschaulichen, kann ein Wassersystem herangezogen werden:
Stellen Sie sich ein Rohrsystem vor, in dem Wasser fließt. Die Spannung entspricht dabei dem Druckunterschied zwischen zwei Punkten im Rohr. Ein größerer Druckunterschied führt zu einem stärkeren Fluss des Wassers, genauso wie eine höhere Spannung einen stärkeren Stromfluss im Leiter bewirkt.
Die Spannung wird in Volt (V) gemessen. Ein Volt entspricht der Energie von einem Joule, die benötigt wird, um eine elektrische Ladung von einem Coulomb durch ein elektrisches Feld zu...
| Erscheint lt. Verlag | 27.6.2025 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Themenwelt | Mathematik / Informatik ► Informatik |
| Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik | |
| Schlagworte | Berufsschule • Einsteiger • Elektrische Schaltungen • Elektroinstallation • Elektrotechnik • Elektrotechnik lernen • Elektrotechnik verstehen • Fachkunde • Formelsammlung • Gleichstrom • Grundlagen • Handbuch • Leistung • Lernhilfe • Spannung • Strom • Technische Ausbildung • Übungen • Wechselstrom • Widerstand |
| ISBN-10 | 3-7576-2557-9 / 3757625579 |
| ISBN-13 | 978-3-7576-2557-3 / 9783757625573 |
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