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Der Stromkreis

snOOfy — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Der Stromkreis
Der elektrische Stromkreis besteht aus einer Stromquelle (z.B. Batterie, Steckdose oder Trafo) und meistens einem Verbraucher in Form eines Gerätes (z.B. Lampe, Fernseher, Elektroherd). Die stromquelle hat zwei Anschlüsse: den Pluspol und den Minuspol. Stromquelle und Verbraucher sind durch Leiter verbunden, in denen der Strom fließen kann.

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Beispiele für Materialien, die den elektrischen Strom leiten:
fest: Metalle, Graphit
flüssig: Salzwasser (auch in unserem Leitungswasser sind Salze gelöst!), Säuren, Basen
gasförmig: Neon-Gas unter geringem Druck (etwa 10hPa), Quecksilberdampf, ionisiertes Gas (Blitz wird bei Gewitter durch die Luft geleitet)

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Elektromotor

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Stellt man eine stromdurchflossene Spule in einem Hufeisenmagneten so auf, dass die gleichen Pole des Elektromagneten und des Hufeisenmagneten beieinander liegen, so dreht sich die Spule um 180°.

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Wenn man die Spule nach 180° umpolt, dreht sie sich weiter bis sie wieder ihre ursprüngliche Stellung eingenommen hat, da erneut durch das Umpolen die gleichen Pole beieinander liegen und sich abstoßen.
Auf diese Weise erreicht man eine vollständige Umdrehung um 360° und kann die Spule durch weiteres Umpolen zum richtigen Zeitpunkt immer weiterdrehen.
Die Drehrichtung hängt von der Lorentz-Kraft ab.

Das Umpolen erreicht man, indem man einen Kommutator benutzt.

Der Kommutator dreht sich mit der Spule mit und wenn die Isolation, die beide Halbkreisscheiben voneinander trennt, von den Schleifkontakten überschritten wird, werden die Anschlüsse an der Spule umgepolt.

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Der feststehende Magnet wird als Stator bezeichnet, der sich drehende als Rotor.
Ein Eisenkern im Stator heißt auch Anker.

Benutzt man statt dem Dauermagneten einen Elektromagneten, unterscheidet man zwei Arten von Motoren:

Hauptschluss-/Reihenschlussmotor: Stator und Rotor sind in Reihe geschaltet. Dadurch kann der Moror seine Leistung auf die momentane Anforderung anpassen, da sich Stromstärke in Rotor und Stator gleichmäßig verändert.

Nebenschlussmotor: Stator und Rotor sind parallel geschaltet.

Wenn der Motor mit Wechselstrom betrieben wird, müssen sowohl Rotor als auch Stator aus Elektromagneten bestehen. Dann werden beide zur gleichen Zeit durch den Wechsel der Stromrichtung umgepolt, so dass dieser keine Rolle spielt. Motoren, bei denen ein Dauermagnet verwandt wird, können nicht mit Wechselstrom betrieben werden.

Elektrische Ladung

snOOfy — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Was fließt durch den Stromkreis?
Die elektrische Substanz, die durch die Leiter fließt, heißt elektrische Ladung. In diesem Versuch sieht man, dass elektrische Ladung Mengencharakter hat:

Versuch: Die isoliert gehaltene Kugel wird erst an die Glimmlampe gehalten, die mit dem Minuspol verbunden ist, dann an die, die mit dem Pluspol verbunden ist.

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Beobachtung: Die Lampen blitzen kurz auf, es ist also eine gewisse Menge an elektrischer Ladung durch sie hindurchgeflossen.
Der elektrische Strom ist bewegte Ladung. Wie auch beim Wasserkreislauf kein Wasser verloren geht, kann auch beim elektrischen Stromkreis keine Ladung verloren gehen, daher braucht die Stromquelle nicht ständig neue Ladung zu produzieren, sondern nur die vorhandene durch den Stromkreis zu "pumpen".

Eigenschaften der elektrischen Ladung
Es gibt zwei Arten von elektrischer Ladung: positive und negative. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, ungleiche ziehen sich an. Berühren sich verschiedenartige Ladungen in gleicher Menge, neutralisieren sie sich gegenseitig.

Reibungselektrizität
Wenn man Fell (am besten Katzenfell) und Glas aneinander reibt und danach schnell auseinanderzieht, dann ist das Glas negativ geladen und das Fell positiv. Wenn man hingegen Seide und Kunststoff reibt, ist das Glas positiv geladen. Wenn man sie wieder aneinander hält, kann man die gegenseitige Neutralisation sogar in Form eines Knisterns hören. Auch Bernstein läd sich sichtbar auf, wenn man ihn an Wolle reibt. Der Griechische Begriff für Bernstein ist "Elektron". Er ist Namensgeber für elektrische Phänomene, also die Elektrizität.
Dabei ist der Vorgang der Reibung selbst nicht die Ursache der Ladung. Im Grunde ist die innige Berührung der beiden Materialien von Bedeutung. So wird auch eine in Wasser getauchte Parafinkugel (Wachskugel) elektrisch geladen, obwohl nur eine zu vernachlässigende Reibung auftritt.

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Faraday
Michael Faraday fand heraus, dass das Innere eines geladenen Metallkörpers elektrisch neutral ist. Treffen also Blitze auf einen Metallkörper wie ein Auto oder Flugzeug, so ist man im Inneren sicher, weil dorthin keine Ladung vordringt. Man nennt die metallischen Außenwände daher Faraday-Käfig.

Ladungstransport in Flüssigkeiten

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Flüssigkeiten, die den Strom leiten, werden Elektrolyte genannt. Auch bei Flüssigkeiten gibt es ein elektrisches Feld, das zwischen der Anode (Pluspol) und Kathode (Minuspol) besteht. Die Ladungsträger sind Ionen (elektrisch geladene Atome). Die positiv geladenen Ionen, die sich zur Kathode bewegen heißen Kationen, die negativ geladenen Ionen, die sich zur Anode bewegen heißen Anionen. Trotz dieser Ladungen ist die leitende Flüssigkeit selbst elektrisch neutral.

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Der entscheidende Unterschied ist, dass bei der Leitung in Elektrolyten ein Massentrasport stattfindet, bei der Leitung in metallischen oder anderen festen Leitern aber nicht.

Löst man einen Stoff wie zum Beispiel Kupferchlorid in Wasser, entstehen durch Dissoziation positive Kupferionen und negative Chloridionen. Die Kupferionen wandern zur Kathode und entladen sich dort. Sie werden nicht wieder negativ aufgeladen, sondern bleiben neutralisiert. Dadurch schlägt sich an der Kathode metallisches Kupfer nieder. Genauso verhält es sich mit den Chlorid-Ionen, sie sich an der Anode entladen. An dieser steigt folglich Chlorgas auf. Dieses Trennverfahren heißt Elektrolyse.

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Elektrisches Feld und Elektrolyte

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Ähnlich wie beim Magnetismus gibt es auch bei einem elektrischen Feld Feldlinien.
Diese unsichtbaren elektrischen Feldlinien lassen sich durch auf Öl schwimmende Grießkörner zeigen. Sie richten sich linienartig nach der Struktur des Feldes aus.

Per Definition wurde festgelegt, dass die Feldlinien vom Pluspol zum Minuspol verlaufen.

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An einem Versuch lässt sich dies veranschaulichen: Lässt man sich leichte Wattebäuschchen in einem elektrischen Feld dem Pluspol nähern, so werden diese dort positiv aufgeladen. Von dort abgestoßen fliegen sie angenähert an die Feldlinien zum Minuspol, der sie anzieht. Dort geben sie ihre positive Ladung ab und werden negativ aufgeladen. Anschließend werden sie dort wieder abgestoßen und vom Pluspol angezogen und bewegen sich wieder auf den Feldlinien zurück.

Wärmewirkung

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Wärmewirkung des elektrischen Stroms

Fließt Strom durch einen Leiterdraht entsteht Wärme. Die Elektronen stoßen auf dem Weg durch einen Metalldraht auf Metallatome. Durch den Aufprall werden diese zum verstärkten Schwingen angeregt und je höher die kinetische Energie eines Atoms ist, desto höher ist seine Temperatur.

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Diese Wärmeentwicklung findet zum Beispiel in einer Lampe statt. Der Glühdraht erhitzt sich so sehr, dass er aufglüht. Durch Sauerstoffabschluss wird verhindert, dass er verglüht. Dabei werden nur 5% der elektrischen Energie als Licht abgestrahlt.
Viele elektrische Geräte wie Heizöfen, Bügeleisen und Kochplatten machen sich diese Wärmeentwicklung zu Nutze.

Gewinnung von Strom aus Wärme

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Anhand eines Versuches lässt sich zeigen, dass die Wärmeenergie auch wieder in Strom umgewandelt werden kann.

An einen Konstantandraht (Kupfer-Nickel-Legierung) werden an beiden Enden Eisendrähte angelötet, die mit einem Messgerät verbunden sind. Die eine Lötstelle wird erhitzt, die andere gekühlt und dadurch ensteht ein Thermostrom. Dieses Gerät selbst heißt Thermoelement.

Elektromagnetismus

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Sobald ein Leiter vom Strom durchflossen wird, ist er von einem Magnetfeld umgeben. Diese Entdeckung hat um 1820 der Physiker Oersted gemacht. Je höher die Stromstärke ist, desto stärker ist das magnetische Feld.
Die Polarisierung des Feldes hängt von der Stromrichtung ab und kehrt sich bei Änderung der Stromrichtung um.

Umfasst man den Leiter mit der rechten Hand, sodass der Daumen nach oben gerichtet in Stromrichtung zeigt, geben die Finger die Richtung der magnetischen Feldlinien an.

Legt man zwei Leiter parallel zueinander und lässt den Strom bei beiden in gleicher Richtung fließen, so ziehen sich beide Leiter an (Siehe Definition der Stromstärke).

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Spulen

Wenn man den Leiterdraht zu einer Spule aufwickelt, erhöht sich die Kraft des magnetischen Feldes, da sich alle Felder der Leiterstücke addieren.

An der Seite, an der die magnetischen Feldlinien die Spule verlassen, ist der Nordpol, an der Seite, an der sie eintreten ist der Südpol.

Die Stärke des magnetischen Feldes nimmt zu,

je mehr Windungen die Spule hat
je stärker die Stromstärke ist
wenn sich ein ferromagnetischer Kern in ihr befindet (z.B. Weicheisenkern)

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Wenn man die Spule mit einem Eisenkern verwendet, werden bei fließendem Strom alle magnetischen Elementarbezirke in Richtung des elektromagnetischen Feldes ausgerichtet. Schaltet man den Strom ab, verliert das Eisen den Großteil seines Magnetismus. Der Rest, der zurückbleibt, heißt remanenter Magnetismus. Lässt man ein hartmagnetisches Material für längere Zeit bei Gleichstrom in der Spule, richten sich die magnetischen Elementarbezirke so einheitlich aus, dass selbst nach Abschalten des Stromes immer noch genug Magnetismus bleibt, um auf diese Weise Dauermagnete herzustellen.
Es gilt:
H = I * N / L

H: magnetische Feldstärke (Einheit 1 A/m)
I: Stromstärke
N: Windungszahl
L: Länge der Spule

Auch bei Spulen kann die Richtung des Magnetfeldes mit der rechten Hand festgestellt werden: Umfasst man die Spule so, dass die Finger in Wicklungsrichtung zeigen, dann zeigt der Daumen in Richtung des Magnetischen Feldes.

Lorentz-Kraft

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Wird eine Leiterschaukel zwischen ein Hufeisenmagnet gehängt, wirkt eine Kraft, die Lorentz-Kraft, senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zur Magnetfeld-Richtung.
Dies lässt sich daran erkennen, dass sich die Schaukel, wie auf der Abbildung zu erkennen, dem Pfeil nach vom Magneten wegbewegt.

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Mit der rechten Hand kann man die Richtung der Lorentz-Kraft ermitteln. Dabei gibt der Daumen die Stromrichtung, der Zeigefinger die Richtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger die Richtung der Lorentz-Kraft an.

Schaltzeichen

snOOfy — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Schaltzeichen
Um einen Stromkreis übersichtlich darzustellen verwendet man Schaltzeichen. Sie wurden vom Deutschen Institut für Normung (DIN 40700) festgelegt. Hier die wichtigsten:

Batterie
Stromversorgungsgerät
Leitung
Kreuzung ohne Verbindung
Kreuzung mit Verbindung
Verbindung mit Buchse und Stecker
Schalter als Schließer
Taster als Schließer

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Widerstand
Glühlampe
Glimmmlampe
Motor
Generator
Stromstärkemessgerät
Spannungsmessgerät

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Messgerät

Stromstärke

Sequa — Fri, 16 Jan 2009 19:24:18 +0000

Formelzeichen: I
Einheit: A (Ampere)

Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung (Q) den Leiterquerschnitt in einem Zeitaraum (t) passiert.

Daraus folgt:
I = Q / t

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Definition eines Amperes:
Stehen sich zwei lange Leiter im Vakuum gegenüber, die beide in gleicher Richtung von Strom durchflossen werden, und ziehen sich auf jedem Meter ihrer Länge mit der Kraft
F = 2 * 10^-7 N = 2 μN an, dann beträgt die Stromstärke 1 Ampere. (siehe Elektromagnetismus)

Die Stromstärke lässt sich mit einem Stromstärkemessgerät messen (siehe Schaltzeichen).

Beispiele für Stromstärken:
Computer: 3A
Glühlampe: 0,05 bis 0,5A

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Elektrische Ladung:
Löst man die Gleichung I = Q / t nach Q hin auf, erhält man:
Q = I * t

Die Einheit ist eine Amperesekunde (A*s) und wird auch als Coulomb bezeichnet.