Kurz gesagt Elektrizität und Magnetismus Elektrische und magnetische Phänomene lassen sich durch den Aufbau der Materie aus elementaren Teilchen erklären. Deren wichtigste Eigenschaft neben der Masse ist die elektrische Ladung. Elektrische Ladung Q Elementarteilchen können positive, negative oder keine Ladung besitzen. Bei zusammengesetzten Teilchen, z. B. Atomen, addieren sich die Ladungen. Wenn die Gesamtladung null ist, nennt man das Teilchen neutral. Jede elektrische Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der elektrischen Elementarladung e. e ist im Internationalen Einheitensystem (SI) als Naturkonstante mit einem genauen Wert (ohne Messunsicherheit) festgelegt: e = 1,602…·10 −19 C. Die SI-Einheit der elektrischen Ladung heißt Coulomb (C). Elektronen sind negativ geladen (Ladung: −e), Protonen sind positiv geladen (Ladung: +e), Neutronen sind ungeladen. In isolierten Systemen ist die elektrische Gesamtladung konstant. Elektrische Stromstärke I Die elektrische Stromstärke I beschreibt, welche Ladungsmenge ∆Q pro Zeitspanne ∆t durch die Querschnittsfläche eines elektrischen Leiters fließt: I = ∆Q _ ∆t . Die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke heißt Ampere (A): 1 A = 1 C·s −1. Elektrische Spannung U Mittels Energieaufwand W werden in Spannungsquellen positive und negative elektrische Ladungen gegeneinander verschoben, sie stehen an den Polen der Spannungsquelle zur Verfügung. Die Ladungen an den beiden Polen haben relativ zu einander potenzielle elektrische Energie. Die Energiedifferenz W pro verschobener Ladung Q nennt man elektrische Spannung (oder auch Potenzialdifferenz). In einem Stromkreis, in dem die Pole durch einen Verbraucher (z. B. eine Lampe) verbunden sind, lässt die Spannung elektrischen Strom I fließen. Dabei wird am Verbraucher die elektrische Leistung P (Energie pro Sekunde, Einheit: Watt (W), 1 W = 1 J·s −1) abgegeben. Die elektrische Spannung U wird so definiert: U = W _ Q = P _ I . Die SI-Einheit der elektrischen Spannung heißt Volt (V): 1 V = 1 W·A −1 = 1 J·C −1. Elektrischer Widerstand R Der elektrische Widerstand R von Leitern, Bauelementen bzw. Stromkreisen bestimmt die gegenseitige Abhängigkeit von Spannung und Stromstärke: R = U _ I . Die SI-Einheit des elektrischen Widerstands heißt Ohm (Ω): 1 Ω = 1 V·A −1. Ein elektrischer Widerstand heißt Ohm’scher Widerstand, wenn sein Wert weder von der Temperatur noch von Spannung oder Stromstärke abhängt. In diesem Fall gilt das Ohm’sche Gesetz exakt: Ohm’sches Gesetz: U = I·R oder I = U/R Der Widerstand von Leitern hängt von deren Länge l, der Querschnittfläche A und der temperaturabhängigen Materialeigenschaft ρ (spezifischer Widerstand) ab: R = ρ·l/A. Als (elektrischer) Widerstand werden nicht nur eine Eigenschaft von elektrischen Leitern und deren Größe (in Ohm) sondern auch elektrisch leitende Bauelemente in Stromkreisen bezeichnet. Serienschaltung von Widerständen Wenn in einem Stromkreis mehrere Widerstände R 1, R 2, … hintereinander geschaltet sind, fließt durch sie Strom mit gleicher Stärke I. Die Summe der Spannungsabfälle U i an den einzelnen Widerständen ist gleich der angelegten Spannung U: U = U 1 + U 2 + … = I·R 1 + I·R 2 + … = I·R. Daher ist der Gesamtwiderstand R einer Serienschaltung die Summe der einzelnen Widerstände: R = R 1 + R 2 + … Parallelschaltung von Widerständen Wenn in einem Stromkreis mehrere Widerstände R 1, R 2, … parallel zueinander geschaltet sind, ist der Spannungsabfall U an allen Widerständen gleich. Die Summe der Ströme I i = U/R i durch die einzelnen Widerstände ergibt den gesamten Strom I: I = I 1 + I 2 + … = U/R 1 + U/R 2 + … = U/R. Daher gilt für den Gesamtwiderstand R einer Parallelschaltung von Widerständen: 1 _ R = 1 _ R 1 + 1 _ R 2 + … Elektrische Arbeit und elektrische Leistung Elektrische Energie wird durch Umwandlung anderer Energieformen, z. B. chemischer Energie von Batterien oder mechanischer Energie in Kraftwerken, erzeugt. Durch Stromleitungen wird sie zu Elektrogeräten (Verbrauchern) transportiert und dort wieder in andere Energieformen umgewandelt. Die dabei abgegebene Energie heißt elektrische Arbeit W. Die bei konstanter Spannung U und Stromstärke I während der Zeitspanne ∆t durch einen Widerstand R umgesetzte elektrische Arbeit W beträgt W = U·I·∆t = I 2·R·∆t = U 2 _ R ·∆t Die elektrische Leistung P ist Arbeit W pro Zeitspanne ∆t: P = W _ ∆t = U·I = I 2·R = U 2 _ R Die Einheit der elektrischen Arbeit ist das Joule (J): 1 J = 1 N·m = 1 W·s. Die SI-Einheit der Leistung ist das Watt (W): 1 W = 1 J/s. 126 Felder 5 Elektrischer Strom und Magnetfeld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==