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II. Elektrischer Strom
1. Elektrische Stromkreise
Elektrischer Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis. Ein solcher einfacher Stromkreis besteht mindestens aus einer elektrischen Quelle und einem elektrischen Gerät oder Bauelement, die durch elektrische Leitungen miteinander verbunden sind
In einem solchen einfachen Stromkreis mit einer elektrischen Quelle, einem elektrischen Bauelement und metallischen Verbindungsleitern bewegen sich die Elektronen gerichtet. Man bezeichnet eine solche vereinfachte Darstellung auch als Modell der Elektronenleitung für metallische Leiter.
Darstellen kann man den Stromfluss auch mit einem Wassermodell. Dabei wird der elektrische Strom durch einen Wasserstrom veranschaulicht. Durch eine Pumpe wird das Wasser angetrieben, ein Wasserrad ist der "Verbraucher". Das strömende Wasser ist vergleichbar mit dem Elektronenstrom
Bei vielen Anwendungen werden mehrere Geräte oder Bauteile im Stromkreis zusammengeschaltet. Prinzipiell können zwei oder mehrere Geräte oder Bauteile in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden.Bei einer Reihenschaltung erhält man einen unverzweigten Stromkreis (Bild oben), bei einer Parallelschaltung einen verzweigten Stromkreis (Bild unten).
Folgende Schaltzeichen verwendet man:
2. Elektrische Spannungsquellen
Als elektrische Quellen, Stromquellen, Spannungsquellen oder Elektrizitätsquellen bezeichnet man alle die Anordnungen, die den elektrischen Strom antreiben und damit Voraussetzung für das Fließen eines elektrischen Stromes in einem Stromkreis sind. Durch elektrische Quellen wird elektrische Energie zur Verfügung gestellt, die in Geräten, Bauelementen und Anlagen in andere Energieformen umgewandelt wird.
Elektrische Quellen haben immer zwei Pole.Bei Gleichstrom hat die Quelle einen Pluspol (+) und einen Minuspol (-). Der Strom im Stromkreis fließt nur in einer Richtung.Bei Wechselstrom (~) ändert sich die Polung der Quelle ständig, damit auch die Richtung des Stromes im Stromkreis.
Für elektrische Quellen verwendet man unterschiedliche Schaltzeichen:
Alles zum Nachlesen Buch S. 55 – 59Ablesen von MessgerätenTest - einfache Schaltungen
3. Ladungen
In einem Stromkreis kann nur Strom fließen, wenn Ladungen vorhanden sind. Was sind Ladungen?
Näheres kann man durch die Modellvorstellung vom Atom verstehen...
Die elektrische Ladung eines Körpers gibt an, wie groß sein Elektronenüberschuss oder sein Elektronenmangel ist.
Formelzeichen: QEinheit: ein Coulomb (1 C)
4. Definition von Strom
Man bezeichnet einen Vorgang als Stromfluss, wenn pro Zeiteinheit eine gewisse Menge an Ladungen durch einen Leiter fließen.
Abgekürzt schreibt man:
Strom = Ladung : Zeit
I = Q : t
Zum Nachlesen Buch S. 67-69
Woran erkennt man Stromfluss und Ladungen?
a) Die Glimmlampe:
Schema:
Schaltsymbol:
Glimmlampen leuchten immer an der mit dem Minuspol verbundenen Seite:
Man kann natürlich auch ein Glühlämpchen als Stromindikator nehmen, aber:
- Es benötigt eine höhere Spannung als eine Glimmlampe
- Man kann nicht die Polung erkennen
Weitere Indikatoren später...
5. Magnetismus
Man bezeichnet denjenigen Pol eines Magneten, der in die geografische Nordrichtung zeigt, als Nordpol.
Meist wird der Nordpol eines Magneten rot eingefärbt, der Südpol grün. Hierfür gibt es die folgende Merkregel:
Nordpol ↔ rot
Südpol ↔ grün
Kraftwirkung zwischen den Polen:
Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
Je größer der Abstand zwischen den Polen ist, desto geringer ist die Kraftwirkung.
Teilt man einen Stabmagnet, so entstehen zwei kleinere neue Magnete (es gibt keine magnetischen Monopole).
6. Magnetische Wirkung des Stroms (Wirkung b)
Fließt Strom durch einen Leiter, so entsteht um ihn herum ein Magnetfeld – man nennt den Versuch dazu den „Versuch von Oerstedt“:
Ein Elektromagnet entsteht, wenn man viele Windungen des Leiters um einen Eisenkern wickelt:
Buch S. 63-65
Anwendungen:
1. Die Klingel
(Buch S. 63 unten)
Leifi - Klingel
2. Das Relais:Ein- und Ausschalten der Treppenbeleuchtung von verschiedenen Punkten aus.
Ein- und Ausschalten von verschiedenen Komponenten beim Auto. So wird z.B. der Anlasser, durch den Ströme in der Größenordnung von 100A fließen, mit einem Relais betätigt. Würde der Anlasserstromkreis direkt mit dem Zündschloss geschlossen, so müsste man sehr dicke Kupferleitungen zum Zündschloss legen und wahrscheinlich würde bei den hohen Strömen das Zündschloss zerstört.
Haushaltsgeräte wie z.B. Waschmaschinen werden durch elektronische Schaltungen gesteuert, bei denen die Spannungen (vgl. nächstes Kapitel) im Bereich zwischen 6 - 12 V liegen. Mit diesen Spannungen könnte man z.B. nicht direkt den Elektromotor der Waschmaschine aus- und einschalten.
Schließen und Öffnen von Kontakten in der Fernsprechtechnik.
Der erste funktionierende Computer wurde vor dem 2. Weltkrieg von Konrad Zuse nur mit Relais aufgebaut.
Schaltzeichen:
Aufbau:
Ein Vorteil des Relais ist, dass man mit ihm große Ströme im Arbeitskreis mit relativ kleinen Strömen des Steuerkreises (auch aus großer Entfernung) schalten kann.
Dabei besteht kein leitender Kontakt zwischen Steuer- und Arbeitskreis (Gefahr-Minimierung).
Außerdem können mehrere Kontakte gleichzeitig geöffnet und geschlossen werden.
Weitere Wirkungen des Stromes:c) Die Wärmewirkung
Fließt viel Strom durch einen Leiter, so wird er heiß:
d) Die Chemische Wirkung
Die Zitronenbatterie
Damit der Austausch von Elektronen möglich ist, sind verschiedene Dinge wichtig:
ein Pluspol (der Kupfernagel), der Elektronen aufnimmt,
ein Minuspol (der Zinknagel), der Elektronen abgibt,
ein Leiter (in diesem Fall der Draht und die LCD-Uhr, durch die Elektronen vom Zinknagel zum Kupfernagel wandern können)
und ein Elektrolyt (der Zitronensaft).
Die Säure in der Zitrone erzeugt eine chemische Reaktion, die den beiden Metallen (also dem Kupfer und dem Zink) positiv geladene Teilchen entzieht. Steckt man nun zwei unterschiedlich edle Metalle in die Zitronensäure, reagieren sie unterschiedlich:
Das weniger edle Metall (in unserem Falle das Zink) gibt in der gleichen Zeit mehr positiv geladenen Ionen in die Säure ab als das edlere Kupfer. Da Zink aber so viel positive Ladung in die Säure abgibt, hat es einen hohen Überschuss an negativer Ladung. Denn die bleibt ja erst mal im Zinknagel. Das Kupfer, das im gleichen Zeitraum weniger positive Ladung in die Säure abgibt, hat einen geringeren Überschuss an negativer Ladung. Es ist nun gegenüber dem Zink positiv geladen.
Verbindet man den Kupfernagel über Kabel und Uhr mit dem Zinknagel, dann kann das Zink seine überschüssige negative Ladung durch diese Verbindung an das Kupfer abgeben, um die Ladung auszugleichen. Es fließt Strom! Das funktioniert solange, bis die Zitronensäure keine Ionen mehr aus dem Metall herauslösen kann, bzw. bis beide Metallnägel gleich stark geladen sind.
Weil in der Zitrone verschiedene chemischen Reaktionen stattfinden, und sich neue giftige Verbindungen bilden, solltet ihr sie nach dem Versuch auf keinen Fall mehr essen!
Dazu: Buch S. 62
Galvanisieren
7. Messung von Strom
Die Einheit von Strom ist 1A (Ampère) und wird mit Ampèremetern gemessen. Es gibt analoge und digitale Messgeräte:
Das Schaltzeichen für ein Ampèremeter ist
Den Strom misst man immer im Stromkreis!!!
Je größer der Strom, desto größer wird seine Wirkung (Wärme, Magnetismus, Chem. Wirkung)...
Verschiedene Geräte benötigen verschieden große Ströme (Buch S. 75)
Es gibt auch „Untereinheiten“ von 1A:
1mA = 0,001 A = 10-3 A (ab 40mA tödliche Stromwirkung!!!)
1kA = 1000 A = 103 V
(E- Loks, El. Schweißgeräte,...)
8. Messung von Spannung
Die elektrische Spannung entsteht durch ein Ladungsungleichgewicht.
Die elektrische Spannung ist die Ursache des elektrischen Stromes.
Die elektrische Spannung ist ein Maß für das Ausgleichsbestreben von elektrischen Ladungen.
Schaltsymbol:
Spannung muss immer parallel zum Stromkreis gemessen werden
Ein Spannungsmessgerät muss einen sehr hohen „Innenwiderstand“ haben
Die Einheit der Spannung ist 1V (Volt von „Volta“)
Es gibt auch die Einheiten
1mV = 0,001V = 10-3 V 500mV Solarzelle
1kV = 1000V = 103 V 15kV Zündkerze
1MV = 106 V 0,3MV Hochspannung
Dazu Buch S. 77-79
9. Zusammenhang Spannung-Strom:
Der elektrische WiderstandVersuch:
Messung von Spannung (U) und Strom (I) bei verschiedenen Leitern
Die Daten werden in eine Tabelle eingetragen und dann in einem Diagramm dargestellt
Bei Eisendraht in Wasser, Konstantan und zu Beginn auch bei den anderen Leitern steigt der Stromfluss proportional zur Spannung an.
Die zugehörige Proportionalitätskonstante nennt man den elektrischen Widerstand R.
Widerstand ist Spannung : Strom R = U/I
Die Einheit von R ist 1Ω (Ohm)
Vergleich mit dem Wasserkreislauf:
Die Wasserstromstärke in einem bestimmten Wasserstromkreis hängt davon ab, wie groß der "Druck" ist, mit dem das Wasser durch die Leitungen gepresst wird.
Bei festem Wasserdruck hängt die Wasserstromstärke davon ab, wie z.B. die Leitungen beschaffen sind (Rohre mit rauher Innenseite werden den Wasserstrom mehr hemmen als z.B. glatt polierte Rohre).
Für die Festlegung der Größe Widerstand geht man von den folgenden Vereinbarungen aus:
Derjenige von zwei Stromkreisen, der bei gleicher Spannung einen kleineren Strom zulässt, hat den größeren Widerstand.
Derjenige von zwei Kreisen, bei dem zur Erzielung einer bestimmten Stromstärke eine größere Spannung erforderlich ist, hat den größeren Widerstand.
