Elektrische Spannung UStromquelle

Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlichen Ladungen. Auf der einen Seite ist der Pluspol mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an Elektronen. Für die Ladungstrennung ist Arbeit nötig. Je mehr Arbeit für die Ladungstrennung aufgewendet worden ist, desto größer ist die Spannung. Die Spannung ist ein Maß für den Energiegehalt der Ladungen an den beiden Polen. Entsteht eine Verbindung durch einen Leiter zwischen den Polen, kommt es zu einem Ladungsausgleich. Bei diesem Vorgang fließt ein elektrischer Strom. Die Ladungen geben dabei ihre Energie wieder ab.

Für die elektrische Spannung gilt:

  • In Spannungsquellen werden Ladungen voneinander getrennt. Dazu ist Energie nötig.
  • Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stroms.
  • Am Pluspol herrscht Elektronenmangel und am Minuspol herrscht Elektronenüberschuss.
  • Das Formelzeichen ist U. Die Einheit ist Volt (V).
  • Spannungen von mehr als 40 V können lebensgefährlich sein.

Spannungsquellen:

  • Batterie, Akkumulator (chemische Wirkung)
  • Generator (Induktion)
  • Netzgerät (Transformator)
  • Solarzelle (Licht)
  • Piezo-Kristall (Kristallverformung)
  • Elektrostatische Aufladung (Reibung)

Messen der elektrischen Spannung

Messen mit dem Spannungsmessgerät Ein Spannungsmessgerät wird immer parallel zum Verbraucher (Energiewandler), Bauelement oder zur Spannungsquelle angeschlossen. Bei der Messung an der Spannungsquelle wird der momentane Spannungswert gemessen. Am Verbraucher wird der Spannungsabfall an diesem einen Bauelement gemessen.

Beim Messen mit dem Spannungsmessgerät ist folgendes zu beachten:

  • Wahl der richtigen Spannungsart: Wechsel- oder Gleichspannung (AC/DC).
  • Bei Gleichspannungen ist auf die Polarität zu achten
  • Den richtigen Messbereich einstellen

     

Elektrischer Strom

Der elektrische Strom oder elektrische Stromstärke wird kurz Strom genannt. Damit ist die Übertragung elektrischer Energie gemeint.
Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung freier Ladungsträger (neg. geladene Elektronen). Der elektrische Strom kann nur fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlich geladenen Polen genügend freie und bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Zum Beispiel in einem leitfähigen Material (Metall, Kohle, Flüssigkeit, etc.).
Negative Ladung entsteht durch Elektronenüberschuss.
Positive Ladung entsteht durch Elektronenmangel.

Für den elektrischen Strom gilt:

  • Im elektrischen Stromkreis wird elektrische Energie von der Spannungsquelle zum Verbraucher transportiert und dort umgewandelt.
  • Es fließt nur dann Strom, wenn der Stromkreis geschlossen ist.
  • Die elektrische Stromstärke gibt an, wie groß die zu-, bzw. abfließende Ladungsmenge innerhalb einer bestimmten Zeit ist.
  • In einem Stromkreis ist die Stromstärke überall gleich.
  • Das Formelzeichen ist das große I. Die Einheit des elektrischen Stroms ist Ampere (A, mA, µA)).

Stromfluss

Die Größe des elektrischen Stroms wird als elektrische Stromstärke I bezeichnet. Je mehr Elektronen (Ladungsträger) in einer Sekunde durch einen Leiter fließen, desto größer ist die Stromstärke.

Stromarten

Gleichstrom (DC) fließt nur in einer Richtung mit gleichbleibender Stärke.
Wechselstrom (AC) fließt mit ständig wechselnder Richtung und Stärke.
Mischstrom (pulsierender Gleichstrom) setzt sich aus einem Gleichstrom- und einem Wechselstromanteil zusammen.

Stromrichtung

Die Stromrichtung wird in Schaltungen mit einem Pfeil angezeigt. Aufgrund unterschiedlicher wissenschaftlicher Annahmen und Erkenntnisse sind zwei Stromrichtungen definiert.

Technische Stromrichtung
(historische Stromrichtung)

Physikalische Stromrichtung
(Elektronenstromrichtung)

Technische Stromrichtung Physikalische Stromrichtung
Im Verbraucher fließt der Strom vom Pluspol (+) zum Minuspol (-). Richtung der Elektronenbewegung: Im Verbraucher bewegen sich die freien Elektronen vom Minuspol zum Pluspol.

Messen des elektrischen Stroms

Das Strommessgerät (Amperemeter) wird immer in Reihe zum Verbraucher angeschlossen. Dazu muss die Leitung des Stromkreises aufgetrennt werden, um das Messgerät in den Stromkreis einfügen zu können. Während der Messung muss der Strom durch das Messgerät fließen.

Beim Messen mit dem Strommessgerät ist folgendes zu beachten:

  • Wahl der richtigen Stromart: Wechsel- oder Gleichstrom (AC/DC).
  • Bei Gleichstrom ist auf die Polarität zu achten.
  • Den richtigen Messbereich einstellen.
  • Messbereich nicht wechseln, wenn Strom durch das Amperemeter fließt.

Tipp:
Ist der Stromkreis nur schwer zugänglich oder darf nicht aufgetrennt werden, so ist die Spannung an einem bekannten Widerstand im Stromkreis zu messen. Danach kann mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes die Stromstärke berechnet werden.

 

Elektrischer Widerstand R

Die Bewegung freier Ladungsträger im Inneren eines Leiters hat zur Folge, dass die freien Ladungsträger gegen Atome stoßen und in ihrem Fluss gestört werden. Diesen Effekt nennt man einen Widerstand! Durch diesen Effekt hat der Widerstand die Eigenschaft, den Strom in einer Schaltung zu begrenzen. Neben den klassischen Widerständen hat jedes andere Bauteil (Verbraucher) einen Widerstandswert.

Widerstand eines Leiters

Der Widerstand eines Leiters ist abhängig von

  • der Länge l:
    Je länger der Draht,- desto geringer der Strom, desto größer der Widerstand.
    also ist
    R ~ l
     
  • der Querschnittsläche A:
    Je größer die Querschnittsfläche
    , desto stärker der Strom, desto geringer der Widerstand
    also ist
    R ~ 1 / A
     
  • dem Material:
    Bei verschiedenen Materialien,
    gibt es verschiedene Stromstärken.

    Dabei ist  (griechisch Rho)
    der spezifische Widerstand und gibt den Widerstand pro Meter bei 1 mm² Querschnittsfläche an.
    Es gilt:
    R ~

     
  • der Temperatur:
    Bei
    Metallen steigt der Widerstand bei Erwärmung.
    Bei Kohle, einem schlechten Leiter, wird der Widerstand bei Erwärmung kleiner.
    Bei Konstantan jedoch bleibt der Widerstand bei Erwärmung konstant.
    Kaltleiter (PTC): Der Widerstand nimmt bei Temperaturerhöhung zu.
    Heißleiter (NTC): Der Widerstand nimmt bei Temperaturerhöhung ab.

Messen des Ohmschen Widerstandes

Messen des Ohmschen WiderstandesDer Wert des Ohmschen Widerstandes kann mit einem Vielfachmessgerät (Multimeter) ermittelt werden.
Beim Messen mit einem Widerstandsmesser sind folgende Hinweise zu beachten:

  • Das zu messende Bauteil darf während der Messung nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen sein, weil das Messgerät über Spannung oder Strom den Widerstandswert ermittelt.
  • Die Polarität spielt keine Rolle.

Bauformen

  • Festwiderstände haben einen vom Hersteller festgelegten Widerstandswert. Der Widerstandswert wird durch einen Farbcode beschrieben:
    Beispiel: grün, blau, braun, gold
    R = 560 Ohm, 5% Toleranz

 

 

 

 

  • Veränderbare Widerstände haben drei Anschlüsse. Sie können ihren Widerstandswert z. B. durch Drehen innerhalb eines bestimmten Bereichs verändern. Wenn nur die Anschlüsse 1 und 2 bzw, 2 und 3 benutzt werden, handelt es sich um einen Trimmwiderstand. Werden alle drei Anschlüsse benutzt, handelt es sich um ein Potentiometer (Spannugsteiler).

 

 

 

Das Ohmsche Gesetzdoppelte Spannung

  • Erhöht man in einem Stromkreis mit konstantem Widerstand die Spannung, steigt proportional dazu die Stromstärke: also ist I ~ U (Ohmsches Gesetz)
    Georg Simon Ohm entdeckte dies im Jahre 1821 zuerst.  
     
  • Wiederstand erhöhenErhöht man in einem Stromkreis bei konstanter Spannung den Widerstand (z.B. Dimmer), so sinkt antipropotional dazu die Stromstärke: also ist  I ~ 1 / R 
     
    Zusammengefasst gilt I ~ U / R   bzw.  igleichudurchr
    Durch Umformen erhält man   
    (Definition des elektrischen Widerstandes)
     
  • Definition der Einheit:
     

    1 V/A = 1 Ohm = 1Ohm

    Ohm: Griechischer Buchstabe Omega   
     
  • Beispiel:
    Bei 100 V fließen 0,2 A. Wie groß ist R?
    R = U / I = 100V  / 0,2A = 500 V/A = 500 Ohm = 0,5