Quelle: Severin Bauer

Grundlagen der Elektrizitatslehre

Grundlagen der Elektrizitatslehre

Luis Kornblueh

KlosterCluster Team

Max-Planck-Institut fur Meteorologie

22. August 2013

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Grundlagen der Elektrizitatslehre

Inhaltsverzeichnis

Elektrische Ladung

Elektrische Spannung und Potenzial

Elektrischer Strom und Ladung

Stromrichtung im elektrischen Stromkreis

Stromdichte

Physikalische Wirkungen des elektrischen Stroms

Erzeugung elektrischer Spannungen

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Ladung

I Jeder Stoff besteht aus Atomen mit unvorstellbar großerAnzahl von elektrischen Ladungen.

I Ist das Gleichgewicht der Ladungen gestort, ist der elektrischgeladen.

I Elektrische Ladungen sitzen im wesentlichen an derOberflache.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Elektrisch geladene Korper haben das Bestreben das Gleichgewichtder Ladungen herzustellen, also einen elektrisch neutralen Zustandzu erreichen.

Das Ausgleichsbestreben eines geladenen Korpers ubt eineKraftwirkung auf alle in der Umgebung befindlichen Ladungen aus.

Diese Kraftwirkung wird durch das elektrische Feld veranschaulicht(Elektrostatik).

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Ein Grundgesetz der Elektrostatik ist die Aussage:

Ungleichnamige elektrische Ladungen ziehen sich an undgleichnamige elektrische Ladungen stoßen sich ab.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Fuhren elektrische Ladungstrager aufgrund einer außeren Krafteines elektrischen Feldes eine gerichtete Bewegung aus unduberwinden dabei einen Widerstand wird Arbeit verrichtet:

W = U · Q

W Arbeit in WsQ Ladungsmenge in AsU Potenzialdifferenz in V

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Aus dem vorhergehenden erhalt man die elektrische Spannung oderPotenzialdifferenz als Verhaltnis der Arbeit zur Ladungsmenge:

U =WQ in V

Einfacher formuliert:

Elektrische Spannung oder Potenzialdifferenz ist dasAusgleichsbestreben elektrischer Ladungen zwischen zwei Polen.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Zur vollstandigen Beschreibung braucht man noch die Polaritat.

Die positive Zahlrichtung der elektrischen Spannung ist vom Polmit Elektronenmangel zu dem Pol mit Elektronenuberschußgerichtet.

e− e− e−+ -

U

Allgemein wird die elektrische Spannung vom positiven Polausgehend auf den negativen Pol bezogen positiv gezahlt.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

In Schaltungen wird die Spannung oft durch einen Zahlpfeilgekennzeichnet.

1

2

-

+

U1,2 = −1.5V

Bei Angabe eines positiven Wertes zeigt er vom Plus– zumMinuspol.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Beispiel fur die Berechnung von Potenzialen undPotenzialdifferenzen:

A

B

C

D

0V

UAB = 10V

UCB = 2V

UCD = −5V

UD = 3V

UAD

UA

UBUC

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrische Spannung und Potenzial

Die Potentialverhaltnisse lassen sich anschaulich an einemPotenzialstrahl darstellen.

-5-4-3-2-10123456 A

D

C

B

UAB = +10V

UD = +3V

UCB = +2V

UCD = −5V

UAD = +3V

UB = −4V

UA = +6V

UC = −2V

UD = +3V

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrischer Strom und Ladung

Besteht in einem geschlossenen Stromkreis eine elektrischePotenzialdifferenz, so kommt es infolge des Ausgleichsbestrebensder elektrischen Ladungen zu einem elektrischen Strom:

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischerLadungen.

In metallischen Leitern sind die Ladungstrager freie Elektronen.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreElektrischer Strom und Ladung

Die elektrische Stromstarke ist die Große, die die je Zeiteinheittransportierte elektrische Ladungsmenge kennzeichnet.

I = Qt

oder

Q = I · t

I elektrische Stromstarke in AQ der elektrischen Ladung in C ( = As)t Zeit des Stromfluss in s

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Grundlagen der ElektrizitatslehreStromrichtung im elektrischen Stromkreis

Die technische Stromrichtung ist außerhalb des Stromerzeugersvom positiven zum negativen Pol festgelegt.

- +

U

-Verbraucher+Erzeuger

U

I

I

I

Die technische Stromrichtung im Gleichstromkreis ist in derTechnik ohne Bedeutung.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreStromdichte

Leiter a

4s

Leiter b

s

Schematische Darstellung der Stromdichte.

s =IA mit A in mm2

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Grundlagen der ElektrizitatslehrePhysikalische Wirkungen des elektrischen Stroms

Warmewirkung des elektrischen Stroms

Quelle: Wikipedia

Jeder stromdurchflossene Leiter wird gegenuber seiner Umgebungerwarmt.

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Grundlagen der ElektrizitatslehrePhysikalische Wirkungen des elektrischen Stroms

Lichtwirkung des elektrischen Stroms – Elektrolumineszenz

Quelle: Discover Hongkong

Die unmittelbare Umwandlung von elektrischer Energie in Lichterfolgt beim Stromfluß in ionisierten Gasen.

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Grundlagen der ElektrizitatslehrePhysikalische Wirkungen des elektrischen Stroms

Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

Quelle: hispeed Fotowettbewerb (Schweiz)

Ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter wirdgrundsatzlich von einem magnetischen Feld umgeben.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreErzeugung elektrischer Spannungen

Die Grundlage jeder Spannungserzeugung ist die Trennungelektrischer Ladungen:

I Elektromagnetische InduktionIn einer Leiterschleife hat eine Anderung des magnetischenFlusses eine elektrische Spannung zur Folge.

I Galvanische StromerzeugungIn galvanischen Spannungserzeugern werden dieunterschiedlichen chemischen Losungsdrucke der Metalleausgenutzt.

I Thermoelektrische StromerzeugungDer thermoelektrische Effekt bewirkt die direkte Umwandlungvon Waremenergie in elektrische Energie.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreErzeugung elektrischer Spannungen

Die an der Verbindungsstelle verschiedener Metalle entstehendetemperaturabhangige elektrische Spannung heißt thermoelektrischeSpannung. Einer solche Verbindungsstelle heißt Thermoelement.

ı

mVThermoelement

warmThermoelementkalt

U1 U2

Kupfer

Konstantan-

+

-

+

U1 − U2

I

Die beiden Thermoelemente mussen zur Erzeugung eines Stromseinen Temperaturunterschied aufweisen.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreErzeugung elektrischer Spannungen

Fotoelektrizitat

Der fotoelektrische oder fotovoltaische Effekt ermoglicht diedirekte Umwandlung von Licht in elektrische Energie.

Quelle: Solarpark Thungen

Solarzellen sind Fotoelemente, die der Umwandlung vonSonnenenergie in elektrische Energie dienen.

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Grundlagen der ElektrizitatslehreErzeugung elektrischer Spannungen

Beruhrungs- oder Reibungselektrizitat

Werden Korper ausverschiedenen Stoffenaneinander gerieben,treten an derBeruhrungsflacheElektronen von einem aufden anderen Korper uber.

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