Elektrische Grundgrößen (Wiederholung 1)

Durch Reibung kann etwas von einem Körper auf einen anderen übertragen werden, was Kraftwirkungen zur Folge hat. Ein historisches Experiment, bei welchem dieses Verhalten beobachtet werden kann, ist das Reiben eines Stoffs an einem Stück Bernstein, welcher dann Staubteilchen anzieht. Das griechische Wort für Bernstein ist "Elektron". Die Phänomene wurden deswegen "elektrisch" genannt und das "Etwas", was von einem Körper durch Reibung auf einen anderen übergeht, bekam den Namen "Elektrizität".

Die Idee, dass Elektrizität aus einzelnen Teilchen, den elektrischen Ladungen besteht, hatte Benjamin Franklin im Jahr 1750. Hundert Jahre später, im Jahr 1881, wurde die negative elektrische Ladung "Elektronen" genannt. Die Teilchen der positiven Elektrizität wurden im Jahr 1919 von Rutherford entdeckt und bekamen den Namen "Protonen".

Elektronen sind die elektrischen Ladungen, die leicht von einem Körper gelöst werden können und auch in einem Stromkreis durch die Leitungen fließen. Protonen sitzen fest verankert im Inneren der Atome und lassen sich nicht bewegen. Daher weiß man heute, dass sich bei den Experimenten der Reibungselektrizität nur die Elektronen von einem Körper auf den anderen bewegen.

Wenn man einen Kunstoffstab mit einem Katzenfell reibt, fließen Elektronen vom Kunststoffstab auf das Katzenfell. Reibt man einen Glasstab mit einem Baumwollstoff, fließen Elektronen vom Baumwollstoff auf den Glasstab. In der folgenden Simulation können Sie das Verhalten, dass nur die Elektronen von einem Körper auf einen anderen fließen, nachvollziehen.

Experiment: Luftballon-Elektrizität (Phet, Colorado)

https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_de.html

Reiben Sie den Luftballon am Pullover

1. Entfernen Sie den geladenen Luftballon etwas vom Pullover und lassen Sie diesen wieder los
2. Bringen Sie den geladenen Luftballon in die Nähe der Wand
3. Laden Sie zwei Luftballons und nähern diese einander an

Geben Sie Ihre Beobachtungen und Folgerungen an.

Eine negativ geladene kleine Metallkugel wird in die Nähe einer nicht geladenen großen Metallkugel gebracht. Da die negativen Ladungen in der großen Metallkugel frei beweglich sind, verschieben sich die negativen Ladungen (Elektronen) auf ihr von der kleinen Metallkugel weg, weil gleichnamige Ladungen sich abstoßen. Dadurch hat die rechte Seite der großen Metallkugel einen negativen Ladungsüberschuss und die rechte Seite einen positiven Ladungsüberschuss. Dieses Phänomen heißt elektrische Influenz.

Ein Elektroskop (oder auch Elektrometer genannt) besteht aus einer Metallkugel, die leitend mit zwei leichten Blättchen aus Metall verbunden sind (z.B. aus Gold). Diese Blättchen können sich wie eine Schere öffnen. Der Aufbau ist elektrisch neutral (also nicht geladen). Sobald z.B. negative elektrische Ladung in die Nähe der Metallkugel gebracht wird, so wandern die Elektronen innerhalb der Metallkugel aufgrund der Influenz möglichst weit weg von der in die Nähe gebrachten negativen Ladung. Das heißt: Sie wandern unteranderem auf die Metallblättchen. Diese stoßen sich ab. Auf diese Weise können wir überprüfen, ob ein in die Nähe gebrachtes Objekt geladen ist oder nicht. Wenn es nicht geladen ist, dann bleiben die Blättchen da, wo sie sind.

Die Ladungsmenge – Definition und Einheit

Die elektrische Ladung (früher: Elektrizitätsmenge) Q ist eine Eigenschaft von Teilchen oder Körpern, welche die Quelle, d. h. die Ursache des elektrischen Feldes und aller elektromagnetischen Erscheinungen darstellt. Das Analogon zur elektrischen Ladung bei der Schwerkraft ist die Masse eines Körpers.

Die Ladungsmenge Q wird in der Einheit Coulomb (C) gemessen. Die Ladungsmenge 1C entspricht einer Anzahl von 6,24148 · 10¹⁸ Elektronen

Die Ladung freier Teilchen ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung  $\textstyle e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\mathrm {C}$. Die Ladung des Elektrons ist negativ: -e, die des Protons positiv: +e. Bei zusammengesetzten Teilchen wie Atomen addieren sich die einzelnen Ladungen. Ist die Gesamtladung null, so heißt das zusammengesetzte Teilchen neutral. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung unveränderlich (Ladungserhaltung). 

Gleichzeitig kann man die Bewegung der Elektronen als elektrischen Strom ansehen.

Klicke auf den Link auf 'Intro'.

a) Erzeuge einen Stromkreis mit Batterie, Lampe und Drähten, so dass die Lampe leuchtet.

b) Probiere verschiedene Materialien aus und gib an, ob diese Materialien den elektrischen Strom leiten

Gestalte dazu eine Tabelle 

Ergebnis Leiter und Nichtleiter

Typische elektrische Leiter sind:

• Metalle (Eisen, Kupfer, Gold, Platin)
• Kohle

Typische elektrische Nichtleiter (Isolatoren) sind:

• Kunststoffe
• Glas

c) Notiere die nachfolgenden Wirkungen des elektrischen Stromes, rufe den Link auf und gib jeweils ein Beispiel für die Wirkung des elektrischen Stromes an. (HA)

Wirkungen des elektrischen Stromes

1. Wärmewirkung
2. Leuchtwirkung
3. Magnetische Wirkung
4. Chemische Wirkung (Elektrolyse)

Wir kennen inzwischen die Wirkungen von elektrischem Strom und wissen, welche Stoffe elektrischen Strom leiten.

Elektrischer Strom ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch was ist eigentlich elektrischer Strom?

d) Arbeite den nachfolgenden Text durch und gib mit deinen Worten an, was du unter einem elektrischem Strom verstehst.

Im letzten Abschnitt hast Du die Arten und Eigenschaften elektrischer Ladungen kennengelernt. Die Ladungen sind an Protonen und Elektronen gebunden. Man nennt Protonen und Elektronen daher auch Ladungsträger.

Elektronen sind negativ geladen, Protonen sind positiv geladen. Ein Körper, der mehr Elektronen enthält als Protonen (Elektronenüberschuss), ist negativ geladen. Hat er weniger Elektronen als Protonen (Elektronenmangel), so ist er positiv geladen.

Da sich ungleichnamige Ladungen sowie ungleichnamig geladene Körper gegenseitig anziehen, führt ein Ladungsungleichgewicht (Elektronenmangel oder -überschuss) immer dazu, dass sich die Ladungen ausgleichen wollen und sich bewegen, wenn sie denn können. Das ist offensichtlich nur in elektrischen Leitern der Fall.

Da Protonen an die Atome gebunden sind (sie befinden sich im Atomkern), können es nur die Elektronen sein, die sich im Leiter bewegen. Das gilt zumindest für feste Leiter. In Flüssigkeiten, wenn es zu einer chemischen Reaktion kommt, können sich auch positive Ionen (das sind Atome, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen) bewegen.

Unter elektrischem Strom versteht man also die Bewegung von Ladungsträgern, wobei diese sich alle in eine Richtung bewegen (streng genommen sind Protonen und Elektronen aufgrund der Brown’schen Bewegung ständig in Bewegung, diese Bewegung ist jedoch völlig ungeordnet).

Die folgende Abbildung stellt modellhaft einen Abschnitt eines Leiters dar, in dem sich die Elektronen nach rechts bewegen:

Schauen wir uns das Ganze noch einmal in einer Simulation an. 

Klicke diesmal auf Labor und baue die abgebildete Schaltung nach. Achte darauf, dass die Werte der Widerstände - erkennbar an den Farbringen - unterschiedlich sind.

Beschreibe dann den Unterschied der beiden Kreise. Wie könnte man eine Größe definieren, die diesen Unterschied mit Zahlen beschreibt?

Stromrichtung

André-Marie Ampère (1775 – 1836) legte (willkürlich) in Anlehnung an die Elektrolyse zur Zersetzung von Wasser die Stromrichtung fest.

Die Amperesche Definition der Stromrichtung, die auch als technische Stromrichtung bezeichnet wird, lautet:  Der elektrische Strom fließt vom “+”Pol zum “-“Pol.

Da Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung jedoch in entgegengesetzte Richtung, also vom “-“-Pol zum “+”-Pol, fließen und in Festkörpern nur Elektronen beweglich sind, wäre es sinnvoll, die Definition zu ändern.

Da mit der Änderung in der Literatur jedoch ein hoher Aufwand verbunden wäre, und sich in Elektrolyten oder auch in Halbleitern durchaus auch positive Ladungen bewegen können, hat man entschieden, die Definition beizubehalten.

Wichtig für uns: Wir müssen unterscheiden in

• “Bewegungsrichtung der Elektronen” – von “Minus” nach “Plus”

und

• “Technische Stromrichtung” – von “Plus” nach “Minus”

Elektrischer Strom: Unter elektrischem Strom versteht man die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern.

Merke:  In allen festen Leitern (Metalle und Kohlenstoff) sind nur die Elektronen beweglich.

Protonen sind an die Atome gebunden und können sich nicht bewegen.

Die technische Stromrichtung verläuft immer vom “+”-Pol zum “-“-Pol.

Die elektrische Stromstärke

Wir haben bereits gesehen, dass eine Lampe nur leuchtet, wenn genug Strom fließt. Man kann auch sagen, die Lampe leuchtet nur, wenn die Stromstärke groß genug ist.

Aufgrund der Definition von elektrischem Strom, können wir die Stromstärke folgendermaßen definieren:

Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Ladungen bzw. wie viele Ladungsträger in einer bestimmten Zeit durch einen Leiter hindurchfließt.

Die Anzahl an einzelnen Ladungsträgern ist jedoch riesig groß (s.u.), so dass man nicht von einzelnen Ladungsträgern spricht, sondern von einer Ladungsmenge.

Die Ladungsmenge hat das Formelzeichen Q und die Einheit Coulomb. Für die Stromstärke verwendet man das Formelzeichen I (von Intensität, gemeint ist die Stärke des Stroms).

Die Einheit der Stromstärke ist Ampere, abgekürzt A.

Eine Stromstärke von 1 Ampere bedeutet, es fließt innerhalb einer Sekunde eine Ladungsmenge von 1 Coulomb durch den Leiter.

Damit lässt sich die Stromstärke folgendermaßen definieren.

Elektrische Stromstärke  Die elektrische Stromstärke I gibt an, welche Ladungsmenge Q in einer bestimmten Zeit t durch den Leiterquerschnitt fließt.

$Stromstärke=\dfrac {Ladungsmenge}{Zeit}$

Als Formel:    $I=\dfrac {Q}{t}$

Die Einheit der Stromstärke ist Ampere (A).

Es gilt:     $1A=1 \frac {C}{s}$     (Coulomb pro Sekunde)

Die Ladungsmenge Q – wie viele Ladungen fließen bei  I = 1 A?

Die Anzahl der Ladungen bzw. Elektronen, die bei einer Stromstärke von einem Ampere (I = 1 A) durch den Leiter fließen, ist unvorstellbar groß:

Es sind 6,25 · 10¹⁸ Elektronen – über 6 Trillionen. Das ist eine 6 mit 18 Nullen.

Die Ladungsmenge 1 Coulomb entspricht genau dieser Anzahl an Elektronen bzw. Protonen.

Wenn Du im Physikunterricht in der Schule ein Experiment zur Elektrizität durchführst, dann ist die Stromstärke in Deinem Stromkreis in der Regel deutlich kleiner als 1 A. Kleinere Stromstärken unter 1 A werden meist in mA (Milliampere) angegeben.

Die Vorsilbe “Milli” bedeutet wie bei anderen Einheiten auch “Tausendstel“. Ein Milliampere ist also ein Tausendstel eines Amperes.

Damit gilt:     1 A = 1000 mA        bzw.        1 mA = 0,001 A

Damit Du eine Vorstellung von Stromstärken bekommst, die in bestimmten elektrischen Geräten fließen, hier ein paar Beispiele für Stromstärken (alle Werte sind ca.-Werte):

Quiz zur elektrischen Stromstärke

Spannung als Charakterisierung der "Stärke" einer Quelle

Elektrischer Strom fließt nicht von selbst, sondern benötigt eine elektrische Spannung als Ursache. Elektrische Spannung wiederum ist das Ergebnis einer Ladungstrennung, beispielsweise einer Erhöhung der Konzentration an Elektronen an einer Stelle gegenüber einer anderen Stelle.

Entsprechend ist für das Fließen eines elektrischen Stromes eine gezielte Anhäufung von elektrischer Ladung notwendig. Umso stärker die Elektronen an einer Stelle verdichtet werden, also je mehr Arbeit bei der Ladungstrennung investiert wird, desto steiler ist das Konzentrationsgefälle an elektrischer Ladung und damit die elektrische Spannung.

Definition:

Die elektrische Spannung $U$ ist gleich der Menge an Arbeit $W$, die bei der Ladungstrennung auf eine Ladungsmenge $Q$ aufgewendet wird:

$U=\frac{W}{Q}$

Einheit:

Die elektrische Spannung wird in Volt angegeben. Eine Spannung von $1 V$bedeutet, dass für je 1 Coulomb an Ladung eine Arbeit von 1 Joule zur Ladungstrennung aufgewendet wird.