Elektrik


Elektrostatik  Stromkreis  Widerstand  Stromerzeugung  Stromverteilung  Halbleiter 

Elektrostatik

Es gibt positive und negative elektrische Ladung. Zwei gleichartig geladene Körper stoßen sich ab, zwei verschiedenartig geladene Körper ziehen sich an.
Ein neutraler Körper besitzt gleich viele positive wie negative Ladungen. Ein elektrisch negativ geladener Körper hat mehr negative Ladungen (=Elektronen), ein elektrisch positiv geladener Körper hat weniger.
Wenn zwei Körper sich eng berühren oder reiben, kann ein Körper dem anderen negative Ladung entziehen. Bei dieser Reibungselekrizität lädt sich der eine Körper negativ und der andere gleich stark positiv auf.
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Elektrische Influenz bedeutet, dass ein elektrisch geladener Körper die Ladungen in einem anderen (neutralen) Körper ordnet. Der rechte Körper ist negativ geladen. Da sich gleichartige Ladungen abstossen, drückt er in dem linken Körper die negativen Ladungen weg. Der linke Körper ist zwar immer noch neutral, aber die Ladungen sind so verteilt, dass der linke Körper links negativ und rechts positiv geladen ist.
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Elektrische Ladung kann in einem Kondensator gespeichert werden.

Wenn elektrische Ladungen sich ausgleichen, entstehen Funken oder Blitze.
Durch Aufwinde in der Gewitterwolke und die ungleiche Verteilung von Eis und Wasser in der Wolke, werden die Ladungen getrennt. Der obere Teil der Gewitterwolke ist normalerweise positiv geladen und der untere negativ. Wenn die Spannung zwischen den verschiedenen Ladungen zu gross wird, kommt es zu einem Blitz. Entweder erfolgt ein Ladungsausgleich innerhalb der Wolke oder zwischen dem Erdboden und dem unteren Teil der Wolke. In seltenen Fällen kann es auch zu einem positiven Blitz zwischen dem oberen Teil der Wolke und dem Erdboden kommen.
Für Blitze zwischen Wolke und Erde muss der Spannungsunterschied mehr als 100 Millionen Volt betragen. Beim Blitz wird um den Entladungskanal die Luft schlagartig auf ca. 40000°C erhitzt. Dies führt zu einer sehr schnellen Ausdehnung der Luft, wodurch der Donner hervorgerufen wird.
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Stromkreis

Wenn der Stromkreis geschlossen ist, dann drückt die Stromquelle die Elektronen durch den Stromkreis.
Strom kann nur fliessen, wenn beide Pole der Stromquelle mit leitfähigem Material verbunden sind.

Versuchsaufbau

Skizze

Schaltplan

Du möchtest sicher mehr über den Stromkreis wissen: Dann klicke hier.
Im Zusammenhang über Stromkreise fällt öfters der Begriff Erdung.

In der Physik ist die Stromrichtung gleich der Bewegungsrichtung der Elektronen, also von Minus nach Plus.
Für die Darstellung elektrischer Stromkreise werden spezielle Schaltzeichen benutzt.
Damit Strom fließen kann, müssen beide Pole der Stromquelle verbunden sein. (Deshalb geschieht einem Vogel, der auf einer Fernleitung sitzt, nichts.) Bei manchen Stromkreisen, z.B. beim Fahrdraht der DB, ist dies nicht sofort sichtbar:
Die Stromversorgung geschieht scheinbar nur über einen Draht!
Gehe mit der Maus auf nebenstehende Grafik.
Warum erhaltst du jetzt keinen Stromschlag, wenn du auf den Schienen stehest?
Auch beim Fahrrad genügt scheinbar nur ein Kabel.
Bei der Steckdose ist besondere Vorsicht nötig.
Zur Messung von Spannung und Stromstärke benötigt man verschiedene Geräte. Häufig sind beide Geräte in dasselbe Gehäuse gebaut und man kann zwischen beiden Funktionen umschalten. Dies kann bei Fehlbedienung zur Zerstörung des Geräts führen:
  • Ein Stromstärke-Meßgerät soll den Strom sehr gut leiten und dabei anzeigen, wieviel durch es hindurch fließt.
  • Ein Spannungs-Meßgerät soll den Strom sehr schlecht leiten und anzeigen, welcher "Druck" anliegt.
Ein Stromstärke-Meßgerät muss in Reihe eingebaut werden, ein Spannungs-Meßgerät muss parallel geschaltet sein.
Gehe mit der Maus auf die jeweilige Schaltung, um zu sehen was geschieht, wenn Spannungs- und Strom-Meßgerät vertauscht werden.
Wieviel Stromstärke durch einen elektrischen Stromkreis fließt, hängt von zwei Dingen ab:
- Von der Spannung der Stromquelle.
- Von der Leitfähigkeit des Stromkreises.
Wie gut oder schlecht ein Leiter den Strom leitet, beschreibt sein elektrischer Widerstand, abgekürzt mit R (Maßeinheit: Ω Ohm).
Die Definition des elektrischen Widerstands nennt man auch das Ohm´sche Gesetz:
Die Formel ist R=U/I.
Nebenstehende Zeichnung hilft:
Deckt man in dem Dreieck URI die gewünschte Größe ab, steht die Formel da. Deckt man z.B U ab, dann steht R mal I da. Deckt man I ab, steht U geteilt durch R da.
Hier findest du eine Übung dazu.
Welchen Widerstand ein Draht hat, hängt von folgenden Größen ab:
  • Länge l: bei doppelter Länge hat der Draht einen doppelt so großen Widerstand.
  • Querschnittsfläche q: bei doppelter Querschnittsfläche hat der Draht einen halb so großen Wioderstand.
  • Temperatur: bei höherer Temperatur leiten Drähte aus Metall schlechter.
  • Material: verschiedene Stoffe leiten verschieden gut.

Der spezifischer Widerstand eines Materials ist der Widerstand eines "Vergleichsdrahts" aus diesem Material mit der Länge 1m, der Querschnittsfläche 1mm² und der Temperatur 20°C.
Der spezifische Widerstand wird abgekürzt mit:
(rho).
Die Formel für den Widerstand eines Drahts ist dann:
.
Rechenbeispiele gibt es auch dazu.

Alle Stromkreise setzen sich aus mehreren Widerständen zusammen. (Auch die Verbindungskabel und die Stromquelle selbst besitzen einen Widerstand!)
Mehrere Widerstände können entweder in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung in den Stromkreis eingebaut sein.
Bei der Reihenschaltung muss der Strom nacheinander beide Widerstände überwinden, der Gesamtwiderstand steigt.
Bei der Parallelschaltung kann der Strom sowohl durch den einen als auch durch den anderen Widerstand fliessen, der Gesamtwiderstand sinkt also.

Wenn du wissen willst, wieso beim Anlassen des Autos dessen Licht dunkler wird, musst du hier klicken.
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Stromerzeugung

Eine der wichtigsten Methoden, elektrischen Strom zu erzeugen, wurde von Faraday entdeckt: die elektromagnetische Induktion.
Wenn sich in einem Leiterkreis (Spule) das Magnetfeld ändert, dann entsteht eine elektrische Spannung.
Die induzierte Spannung ist umso größer, je schneller sich das Magnetfeld ändert und je mehr Wicklungen die Spule hat.
Aufgrund dieser Entdeckung wird in den Kraftwerken mit Generatoren Strom erzeugt.
In fast allen Kraftwerken wird elektrischer Strom nach dem gleichen physikalischen Prinzip erzeugt: der elektromagnetischen Induktion.
Der überwiegende Teil unseres Stroms wird in thermischen Kraftwerken (Wärmekraftwerken) hergestellt. Durch irgendeine Wärmequelle wird Wasser verdampft, dieser Dampf strömt durch eine Turbine, welche den Generator antreibt, der letztendlich den Strom erzeugt.
Je nach Wärmequelle unterscheidet man Kohlekraftwerke, Gaskraftwerke oder Ölkraftwerke. Auch Kernkraftwerke sind thermische Kraftwerke. In manchen Gegenden kann auch die Erdwärme als Wärmequelle genutzt werden, diese Kraftwerke nennt man geothermische Kraftwerke. Manche Solarkraftwerke arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip: mit der Wärme der Sonne wird über Spiegel in einem Kessel Wasser zum Sieden gebracht
Ein Sonderfall sind Gasturbinen-Kraftwerke: Hier wird ein Generator direkt von der Gasturbine angetrieben, mit den heißen Abgasen wird dann wieder Wasser verdampft und ein thermischer Kraftwerksteil angetrieben.
->Thermisches KW

Auch Wind- und Wasserkraftwerke basieren auf der elektromagnetischen Induktion. Hier wird die Turbine eben nicht von Dampf sondern von Wind oder Wasser angetrieben.

Nur ein sehr geringer Teil unseres Stroms wird nicht über die elektromagnetische Induktion gewonnen: In den Photovoltaik-Anlagen wird mit Solarzellen Licht direkt in Strom umgewandelt und in Brennstoffzellen wird Strom direkt aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff (oder Methan) und Sauerstoff gewonnen.
Mit Solarzellen kann aus Lichtenergie elektrische Energie gewonnen werden. Eine Solarzelle ist eine Scheibe aus Silizium. Bei Lichteinfall wird eine Spannung von ca. 0,6V erzeugt. Um höhere Spannungen zu erhalten, schaltet man Solarzellen in Reihe.
Das Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Leitern, deren Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperatur gebracht werden. Dabei entsteht eine elektrische Spannung.

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Flammenüberwachung von Gasgeräten:
Eine Kontaktstelle ist im Flammenbereich angebracht, die andere nicht. Brennt die Flamme, sind die beiden Kontaktstellen auf unterschiedlicher Temperatur und ein Elektromagnet hält mit dem erzeugten Strom die Gaszufuhr offen. Erlischt die Flamme, liefert das Thermoelement keinen Strom mehr und die Gaszufuhr wird gesperrt.

Ein galvanisches Element besteht aus zwei verschiedenen Leitern, die in einen Elektrolyten tauchen.

Tauchen Kupfer und Zink in verdünnte Schwefelsäure, dann entsteht eine elektrische Spannung von ca. 1V.
Eine technische Anwendung sind Batterien und Akkus. In Battereien wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Kommt die chemische Reaktion in der Batterie zum Erliegen, dann ist die Batterie "leer".
In einem Akku läßt sich durch Stromzufuhr die chemische Reaktion umkehren - er kann "aufgeladen" werden.
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Stromverteilung

Wenn elektrische Energie verteilt werden soll, taucht das Problem auf, dass große Stromstärken über weite Entfernungen übertragen werden müssten - aber der elektrische Widerstand der Kabel macht dies unmöglich.
(Wenn große Kraftwerke Leistungen im Bereich einiger hundert Megawatt (=Millionen Watt) haben, dann müssen bei einer Spannung von 230 V einige Millionen Ampere weggeleitet werden. Das hält kein Kabel aus.)
Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung mal Stromstärke. Transportiert werden soll elektrische Leistung, wenn man dies jetzt nicht mit 230 V macht sondern vielleicht mit tausend mal höherer Spannung, dann braucht man dazu aber auch nur eine tausend mal kleinere Stromstärke. Jetzt kommt man in Größenordnungen, die Kabel aushalten.
Bei der Verteilung elektrischer Energie spielt die elektromagnetische Induktion wieder eine entscheidende Rolle: Um Strom über weite Entfernungen leiten zu können, benötigte man eine hohe elektrische Spannung. Diese wird mit einem Transformator erzeugt. Beim Verbraucher wird die Spannung wieder mit Transformatoren auf den Wert 230 V gebracht.
Dies ist mit ein Grund, warum unsere Stromversorgung mit Wechselstrom funktioniert: Transformatoren funktionieren nur mit Wechselstrom.
Europaweit sind die Kraftwerke und Verbraucher über ein Verbundnetz miteinander verbunden.
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Halbleiter

Heute bestehen fast alle elektronische Bauteile aus dem Halbleitermaterial Silizium. Dieses Silizium wird hochrein hergestellt und anschließend dotiert.

Ein wichtiges Halbleiterbauteil ist die Diode.

Auf einer Siliziumscheibe wird nebeneinander eine p-Schicht und eine n-Schicht dotiert. An der Grenzschicht rekombinieren die positiven und negativen Ladungsträger und es entsteht eine ladungsträgerfreie Sperrschicht.

Wird die Diode an eine Stromquelle angeschlossen, hängt das Leitverhalten von der Polung ab:

Gehen Sie mit der Maus auf die fett gedruckten Satzteile:
Wenn die Diode leitet , dann werden die Ladungsträger von der Stromquelle in die Sperrschicht gedrückt, so dass diese verschwindet.
Wenn die Diode nicht leitet , dann werden die Ladungsträger von der Stromquelle von der Sperrschicht weggezogen, so dass diese breiter wird.
Ergebnis: Die Diode leitet den Strom nur in eine Richtung.
Eine Anwendung der Diode im Stromkreis ist die Gleichrichterschaltung:



Gehen Sie mit der Maus auf die fett gedruckten Satzteile:
Da die Diode den Strom nur in einer Richtung leitet, hängt der Stromfluss davon ab, welche Halbwelle des Wechselstroms gerade fliesst.
Wenn die positive Halbwelle des Wechselstroms fliesst, leitet die Diode.
Während der negativen Halbwelle des Wechselstroms, sperrt die Diode.
Somit fliesst durch die Lampe pulsierender Gleichstrom. Diesen pulsierenden Gleichstrom kann man mit einem Kondensator (=Ladungsspeicher) glätten.
->weiterführende Informationen zur Diode z.B. für NuT.
Ein weiteres sehr wichtiges elektronisches Bauteil ist der Transistor.
Ein NPN-Transistor besteht aus drei nebeneinander dotierten Schichten. Dabei ist die mittlere p-Schicht sehr dünn. Der Transistor hat drei "Beinchen", sie werden mit Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet.
Die Grundschaltung eines Transistors ist folgende:

Gehen Sie mit der Maus auf den fett gedruckten Text.
Wenn bei einem Transistor
kein Basisstrom fließt, dann kann auch kein Kollektorstrom fliessen.
Fließt jedoch Basisstrom (grün) , dann fließt auch Kollektorstrom (rot). Dabei kann der Kollektorstrom sehr viel größer als der Basisstrom sein.
Beim Transistor fließt also nur dann Kollektorstrom, wenn Basisstrom fließt. Damit läßt sich der Transistor als stromgesteuerter Schalter einsetzen: Nur wenn der Widerstand R (genügend) Strom fliessen läßt, fließt auch Kollektorstrom und die Lampe leuchtet.
Eine Anwendung wäre, den Widerstand R durch einen lichtabhängigen Widerstand (LDR) zu ersetzen, dann würde die Lampe abhängig von der Helligkeit an- oder ausgehen.
-> Transistorschaltungen.
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