Grundbegriffe der Elektrizitätslehre mit dem Wassermodell

Kurs

1 Übersicht

Inhalt des Kurses

In diesem Kurs werden grundlegende Begriffe der Elektrizitätslehre mit Hilfe eines Modells näher betrachtet. Das soll dir dabei helfen, wichtige Phänomene zu verstehen.

Vorkenntnisse

Es sind keine besonderen Vorkenntnisse nötig. Daher ist der Kurs gut für den Einstieg in die Elektrizitätslehre geeignet.

An manchen Stellen im Kurs wird mit Inhalten der Mechanik verglichen. Gegebenenfalls ist hier die Kenntnis einiger Grundlagen vorteilhaft - aber nicht zwingend erforderlich.

2 Vergleich mit Wasserleitungen

Vielleicht weißt du…

…in einer Wasserleitung fließt Wasser.

…in einer Stromleitung fließt Strom.

Dabei hast du vielleicht schon folgende Begriffe gehört:

Wasserschlauch
Wasserhahn
Wasserteilchen …

Spannungsquelle
Kabel (Leiter)
Spannung
Stromstärke …

Weil sich Wasserleitung und Stromleitung ähnlich sind, wird das Wassermodell auf den nächsten Seiten verwendet.

Wir betrachten dabei Schritt für Schritt einzelne Begriffe und stellen Zusammenhänge dar.

3 Stromstärke

Wassermodell	E-Lehre
In einer Wasserleitung werden Wasserteilchen transportiert.	Das entspricht etwa den freien Elektronen, die sich bewegen wenn Strom fließt.
Doch wenn wir zum Beispiel den Strom in einer Wasserleitung beschreiben wollen, gehen wir nicht von der Anzahl der Wasserteilchen aus, sondern greifen eher auf die festgelegten Maße wie Liter zurück.	Hier sprechen wir von der Ladungen Q. Ein 1 Coulomb entspricht etwa $6{,}24\cdot10^{18}\;$ Elektronen. Mehr dazu im Artikel.
Nun würden wir die Durchflussmenge bzw den Volumenstrom einer Wasserleitung in Wassermenge bzw Volumen (in Litern) pro Zeit angeben.	Die Stromstärke I ist die Ladungsmenge Q die pro Zeiteinheit eine Stelle im Leiter passiert.
	In Formeln: $I=\frac Qt$ Die Einheiten: $\displaystyle 1\;A=1C\cdot s^{-1}=1\frac Cs$

Die Aussage ein Liter pro Sekunde würde bedeuten, dass an einer bestimmten Stelle im Schlauch pro Sekunde 1 Liter Wasser vorbei fließt. Dann wäre das Wasser übrigens sehr schnell oder die Leitung sehr dick.	Für ein Ampere bedeutet das, es fließen $6{,}24\cdot10^{18}\;$ Elektronen ( 1 Coulomb) pro Sekunde vorbei.

4 Spannung

Beim Betrachten der Stromstärke haben wir uns über bewegte Ladungen unterhalten. Doch wie kommen diese Ladungen in Bewegung?

Wassermodell	E-Lehre
Gehen wir zuerst wieder auf unser Wassermodel ein. Um Wasser in Bewegung zu setzen gibt es einige Wege, wie z. B. durch mechanische Arbeit mit eine Wasserpumpe .	Vergleichen könnte man das mit einem Generator oder Dynamo. Vom Prinzip her wird hier durch elektromagnetische Wechselwirkung mechanische Energie in Elektrische Energie umgewandelt.

Ein sehr bekannter Weg um Wasser zu bekommen ist wohl der Wasserhahn.	So wie die Steckdose bei Strom.

Im Wasserspeicher wird die potenzielle Energie gespeichert, was ein guter Vergleich ist für...	…Batteriezellen oder Akkus

Aus der Mechanik wissen wir, dass wenn ein Körper in die Höhe transportiert wird, er an potenzieller Energie gewinnt. Die Wasserteilchen oben auf dem Wasserturm besitzen eine höhere Energie als auf dem Boden. Sobald ein Weg frei ist - z. B. durch eine Öffnung oder Wasserleitung - fließt das Wasser nach unten.	Durch Ladungstrennung wird hier ebenfalls Energie gespeichert. Die Spannung zwischen zwei Punkten A und B ist diejenige Energiemenge bzw. Arbeit, die benötigt wird, um eine Ladungseinheit von A nach B zu transportieren. Mehr dazu im Artikel.

Spannung = Arbeit pro Ladung

In Formeln: $U=\frac WQ$

5 Widerstand

Der elektrische Widerstand gibt uns eine Aussage über die verwendeten Komponenten. In der Regel wie gut der Strom fließen kann. Nehmen wir uns z. B. die Leitung vor.

Wassermodell	E-Lehre
Wenn die Wasserleitung eine raue Innenfläche hat oder sogar verkalkt ist, kann das Wasser nicht so gut fließen. Es kommt zu Reibung und genauer betrachtet verlieren die Teilchen an Energie.	Je nach dem aus welchem Material unsere Kabel bestehen, besitzen sie ebenfalls einen Widerstand. Hier sind es die festen Gitteratome der Metalle, die die Elektronen „abbremsen“. Es kommt hier auch zu Energie Verlust. Der Reibeffekt führt zu Erwärmung, wie wir das zum Beispiel von den alten Glühlampen noch kennen.

Eine Turbine, die vom Wasser angetrieben ist, verbraucht ebenfalls die Energie.	Auch unsere elektronischen Geräte (Verbraucher) sind Widerstände bzw. haben einen Widerstand.

Der elektrische Widerstand stellt ein Zusammenhang zwischen der Spannung und der Stromstärke her.

\displaystyle R=\frac UI

Der Widerstand ist nicht nur stoffspezifisch sondern hängt auch von der Geometrie des Leiters ab.

Wassermodell	E-Lehre
So wie in dünnen Wasserleitungen das Wasser schlechter fließt …	.. so haben dünne Kabel einen höheren Widerstand.
Bei langen Leitungen (längerem Weg) ist die für den Transport benötigte Energie höher.	Je länger das Kabel desto höher ist der Widerstand.

Zur Berechnung des Widerstands einer elektrischen Leitung gilt: $R=\rho\cdot\frac lA$ $\rho$ steht für den spezifischen Widerstand.

In der Elektronik gibt es ein wichtiges Bauteil, das zur Realisierung von Schaltkreisen benötigt wird und den gleichen Namen besitzt wie seine Funktion: der Widerstand. Viele Bauteile vertragen nicht die Spannung bzw. Stromstärke, die unsere Quelle liefert. Daher ist es wichtig, dies z.B. mit einem Vorwiderstand zu regeln.

Mehr zum Widerstand und spezifischen Widerstand findest du im Artikel

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