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Elektrizität


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Mit Elektrizität (v. griech. elektron Bernstein; Reibungselektrizität wurde zuerst am Bernstein beobachtet) bezeichnet man in der Physik ein auf der Anziehung bzw. Abstoßung geladener Teilchen beruhendes in Gestalt der elektrischen Ladung und des elektrischen Stroms auftretendes Grundphänomen der Natur.

Physikalisch werden alle elektrischen Vorgänge durch Elektrodynamik bzw. die Quantenelektrodynamik beschrieben. Das Verhalten der Elektronen im Leiter oder Halbleiter zu erklären ist jedoch größtenteils Aufgabe Festkörperphysik .

Für die Anwendung der Elektrizität ist Elektrotechnik zuständig.

Inhaltsverzeichnis

Elektrizität in der Natur

Das spektakulärste natürliche Auftreten der Elektrizität der Blitz . In ihm entladen sich hohe durch in den Gewitterwolken aufgebaute Spannungen.

Aber Elektrizität tritt auch in weniger Form auf. So beruht die Informationsverarbeitung im zum Teil auf elektrischen Signalen. Auch können Fische (z.B. der Zitterrochen und der Zitteraal) elektrische Spannungen aufbauen um sich damit zu Umgekehrt gelingt es ihnen durch Wahrnehmung elektrischer die durch die Muskelbewegungen der Fische ausgelöst ihre Beute zu orten.

Schließlich sei noch erwähnt dass die Anziehung verantwortlich für die Bindung der Elektronen den Atomkern für die chemische Bindung und den Zusammenhalt der Festkörper ist.

Nutzung der Elektrizität

Stromkreis elektrische Spannung und elektrischer Strom

Grundlage der Nutzung der Elektrizität ist Stromkreis: Eine Stromquelle wird durch Drähte mit verschiedenen Bauelementen Der Strom fließt dann von der Stromquelle die Bauelemente und wieder zurück zur Stromquelle.

Dies passiert dadurch dass die Stromquelle elektrische Spannung zwischen ihren Polen aufbaut d.h. elektrischen Potentialunterschied (siehe Elektrostatik ). Sie gibt an wie viel Arbeit ist um ein Objekt mit einer bestimmten entgegen der Kraft des elektrischen Feldes vom Pol zum anderen zu bewegen bzw. wie Energie frei wird wenn sich die Ladung zurück bewegt. Negativ geladene Objekte bewegen sich positiven Spannung entgegen während sich positiv geladene in der Richtung der Spannung bewegen.

Die Einheit der Spannung ist das Volt (Einheitenzeichen V) benannt nach Alessandro Volta. Volt ist definiert als Energieumsatz von einem Joule bei der Verschiebung von einem Coulomb (Amperesekunde). Um die Spannung zu messen man ein Voltmeter und um einen Spannungsverlauf aufzuzeichnen benutzt ein Oszilloskop .

Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische herrscht dann existiert stets auch ein elektrisches das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind Ladungsträger frei beweglich wie z.B. in einem elektrischen Leiter so bewirkt eine Spannung dass die beschleunigt werden - ein elektrischer Strom beginnt zu fließen.

Die Elektronen im Leiter sind aber im Supraleiter ) nicht völlig frei sondern geben wieder an den Leiter ab der sich dadurch Die Stärke dieser "Abbremsung" nennt man elektrischen Aufgrund des elektrischen Widerstands erreicht der Strom konstanten von der Spannung abhängigen Wert. Siehe Ohmsches Gesetz .

Man kann dies mit einem Wasserlauf Zwischen der Quelle des Wassers auf einem (Punkt mit höherem Potential) und der Mündung Meer (Punkt mit niedrigerem Potential) gibt es Höhenunterschied (Potentialunterschied Spannung). Das Wasser fließt vom zum Meer. Ebenso fließen im Leiter die die den elektrischen Strom bilden vom Punkt dem höheren Potential zum Punkt mit dem Potential. Der Widerstand entspricht in diesem Bild Reibung des Wassers im Fluss. Der Stromquelle z.B. eine Pumpe die das Wasser vom Meer wieder den Berg pumpt (im natürlichen Wasserkreislauf erfüllen die Sonnenwärme und die Atmosphäre diese Aufgabe).

Der Unterschied ist aber dass elektrische ein Vorzeichen haben. So ist für positive Ladungen "Berg" durch das höhere Potential für negative (wie den Elektronen in metallischen Leitern) durch niedrigere Potential gegeben. Positive und negative Ladungsträger also in unterschiedliche Richtung.

In der Elektrotechnik unterscheidet man Stromquellen bei denen der Strom konstant gehalten und Spannungsquellen die die Spannung konstant halten.

Gleich- und Wechselspannung

Man unterscheidet zwischen Gleich- und Wechselspannung . Gleichspannung bedeutet dass eine konstante Spannung Stromkreis anliegt. Dies entspricht i.W. dem oben Bild mit dem vom Berg herabfließenden Wasser. hingegen bedeutet dass sich die Richtung der regelmäßig umkehrt. Beim 230 V-Haushaltsstrom wechselt die z.B. alle 10 Millisekunden die Richtung entsprechend Netzfrequenz von 50 Hertz. Dass auf diese die Spannung 100 mal pro Sekunde durch geht ist z.B. die Ursache für das von Leuchtstoffröhren .

Wechselspannungen verursachen generell auch einen Wechselstrom die Ladungsträger fließen nicht durch den ganzen sondern "wackeln" nur ein wenig hin und Man kann dies vergleichen mit einem Rohr-Wasserkreis einer Pumpe die das Wasser andauernd einige hin- und herpumpt. Obwohl das Wasser nicht der Stelle kommt wird die Energie auf gesamten Wasserkreislauf übertragen (das Wasser fließt im Rohrsystem hin und her).

Wechselspannung hat u.a. den Vorteil dass sich sehr leicht durch Transformatoren umsetzen (erhöhen oder verringern) kann. Dabei die Stromstärke (wenn man Energieverluste im Transformator umgekehrt proportional verändert so dass die aus dem entnommene Energie gleich der in den Transformator Energie ist wie es die Energieerhaltung verlangt.

Beispiele

In der Industrie/Technik häufig verwendete Gleichspannungen:
  • 1 2 V Akku
  • 1 5 V Batterie
  • 1 65 V (Prozessor auf Computer-Mainboard)
  • 3 3 V
  • 5 0 V TTL-Bausteine
  • 6 0 V Elektrolyse-Anlagen Lampen/Batterie für Motorräder
  • 12 0 V Bisher in KFZ als (auch Boot ...)
  • 24 0 V Schaltschranktechnik LKW Boot
  • 42 0 V Schweißgeräte
  • 48 0 V Netzwerk-/Telekommunikationsequipment
  • 60 0 V Netzspannung der Deutschen Telekom zwischen Klemmen A und B)
  • 600 V Oberleitungsspannung für Straßenbahnen
  • 1000 V Kathodische Tauchlakierung

Wichtige Wechselspannungen:

  • 117 V / 60 Hz Haushaltsstrom (Nennspannung - nicht 110 V)
  • 100 V / 50 Hz Haushaltsstrom
  • 230 V / 50 Hz Haushaltsstrom (Nennspannung - nicht 220 V)
  • 15 kV / 16 2/3 Hz der Deutschen Bahn

Elektrische Energie

Elektrische Vorgänge sind immer mit Energie verbunden. In der Tat ist eine Hauptnutzungen der Elektrizität der Transport von Energie.

Fließt ein Strom <math>I</math> durch einen Widerstand <math>R</math> so wird in diesem Widerstand Leistung (Energie pro Zeiteinheit ) <math>P = R \cdot I^2</math> umgesetzt die Elektronen an Gitterstörungen streuen und dabei Energie in Form ungeordneter (also Wärme) an den Leiter abgeben. Jedoch man sich davor hüten einfach den Zusammenhang Widerstand - mehr Energieverlust" zu postulieren: Der gilt nur wenn der Widerstand bei konstantem Strom erhöht wird. Benutzt man hingegen das Gesetz <math>U = R \cdot I</math> so man für konstante Spannung: <math>P = U^2 hier nimmt also der Energieverbrauch bei wachsendem ab . Das kann man sich auch folgendermaßen Ein geöffneter Schalter hat Widerstand <math>\infty</math> und wird selbstverständlich keine Energie verbraucht da kein fließt. Ein Kurzschluss hingegen hat einen Widerstand nahezu 0 und ist aufgrund des hohen mit extrem hoher Energieabgabe verbunden (ein Kurzschluss sogar einen Brand verursachen!).

Generell gilt: Für einen möglichst geringen sollte der eigentliche Verbraucher einen möglichst hohen Zuleitungen hingegen einen möglichst geringen Widerstand haben.

Der Energietransport im elektrischen Stromkreis erfolgt über den eigentlichen Strom (die Elektronen fließen sonderlich schnell und transportieren daher auch nur Energie) sondern über das elektromagnetische Feld im

Die Übertragung elektrischer Energie ist auch auf Leiter beschränkt. Im Transformator wird die elektrische Energie über eine Spule (Primärspule) auf ein Magnetfeld übertragen von welchem sie in der per Induktion wieder in den Sekundärstromkreis eingespeist

Auch elektromagnetische Wellen transportieren Energie. So z.B. in der Nähe von Rundfunksendern eine Leuchtstoffröhre die man einfach in passender Richtung die Luft hält. Die Nutzung der Energie Rundfunkwellen ist in Deutschland allerdings verboten.

Quellen elektrischer Energie sind unter Anderen:

Historische Daten

  • Schon in der Antike war den alten bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt der von ihnen als elektron bezeichnet wurde.
  • 1. Jahrhundert v. Chr. Auf dem Relief von Dendera in Ägypten befindet sich eine Darstellung die an Glühlampe erinnert. Diese Deutung ist allerdings sehr
  • 1. Jahrhundert v. Chr. Ein parthisches Tongefäß aus der Nähe von Bagdad das 1936 von Dr. Wilhelm König wurde enthält einen Eisenstab und einen Kupferzylinder mit Asphalt abgedichtet war. Versuche des Römer- und Pelizaeus-Museums in Hildesheim zeigten dass mit dieser Anordnung und als Elektrolyt eine Spannung von 0 5 V werden konnte. Sie könnte zum galvanischen Vergolden worden sein.
  • 1672 Gottfried Wilhelm von Leibniz entdeckt elektrische Funken durch Reiben (Aufladen) kindskopfgroßen Schwefelkugel.
  • ca. 1720 Pieter van Musschenbroek niederländischer Physiker *1692 in Leiden erfindet die Leidener den ersten Kondensator .
  • 1752 Benjamin Franklin Amerika erfindet den Blitzableiter interpretiert das Phänomen Pluspol und Minuspol.
  • 1776 Alessandro Volta italienischer Physiker erfindet das
  • 1800 die Batterie .
  • André Marie Ampère (1775 - 1836) französischer erfindet das Galvanometer den elektrischen Telegraphen und den Elektromagneten . Er ist Schöpfer der Theorie vom Elektromagnetismus .
  • Georg Simon Ohm (1789 -1854) deutscher Physiker entdeckt das ihm benannte Ohmsche Gesetz .
  • Michael Faraday (1791 - 1867) erfindet den Dynamo entdeckt die Elektro-Lumineszenz.
  • James Prescott Joule (1818 - 1889) beobachtet die Wärme stromdurchflossene Leiter ausstrahlen.
  • James Clerk Maxwell englischer Physiker (1831 - 1879) schafft Elektrodynamik (Theorie der Elektrizität und des Magnetismus) stellt Regeln für Magnetfelder auf. Er identifiziert Licht als elektromagnetische Welle .
  • Thomas Alva Edison amerikanischer Erfinder (1847 - 1931) erfindet 1877 den Phonographen 1864 den Fernsprecher 1877 das Telefon sowie die elektrische Glühlampe.
  • Zénobe Gramme belgischer Elektriker (1826 - 1901) ab 1870 mit Dynamos Beleuchtungsanlagen.
  • Marcel Déprez (1843 - 1918) Mathematiker überträgt 1882 elektrische Energie in Form von Gleichstrom .
  • Nikola Tesla kroatischer Physiker (1856-1943) schafft die Übermittlung Energie über weite Strecken durch die Drehstrom -Überlandleitung.

Physikalische Zusammenhänge:

<math>
U = {R \cdot I} = = \sqrt{P \cdot R} </math>

Widerstand R in Ohm
Stromstärke I in Ampere
Elektrische Leistung P in Watt

  • Elektrische Leistung P in Watt = Spannung U · Stromstärke I

  • Elektrische Arbeit W = Spannung U · Stromstärke I · Zeit t

Siehe auch: Elektronik



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