Elektrik |
Es gibt positive und negative elektrische Ladung. Zwei gleichartig geladene Körper stoßen sich ab, zwei verschiedenartig geladene Körper ziehen sich an. | ||||||
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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. |
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.
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. |
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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:
Bei der Steckdose ist besondere Vorsicht nötig. |
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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:
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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. |
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. |
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Ein großer 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. Ein 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. |
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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.
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Ein galvanisches Element besteht aus zwei verschiedenen Leitern, die in einen Elektrolyten tauchen.
In einem Akku läßt sich durch Stromzufuhr die chemische Reaktion umkehren - er kann "aufgeladen" werden. |
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. |
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. |