Ep001 - Ladung und Strom
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Ladung

Elektrizität besteht aus elektrischer Ladung. Es ist wichtig, zunächst das Konzept von elektrischer Ladung zu verstehen.

Es gibt positive und negative Ladungen. Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an und sind bestrebt sich gegenseitig aufzuheben und so einen neutralen, ungeladenen Zustand herzustellen.

In einem System mit einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Ende (zum Beispiel einer Batterie) nennt man die geladenen Enden Plus-Pol und Minus-Pol.

Das Formelzeichen der Ladung ist Q , ihre Einheit ist das Coulomb mit dem Einheitszeichen C.

Formelzeichen und Einheitszeichen

Mit einem Formelzeichen wird eine physikalische Grösse bezeichnet. Z.Bsp. sind t für Zeit (time) und l für Länge (length) häufig verwendete Formelzeichen. Diese sagen jedoch nichts über die Einheit aus. So kann man Zeit zum Beispiel in Sekuden oder Stunden messen. Für diese Einheiten gibt es Einheitszeichen die nicht nur die physikalische Grösse sondern auch eine Einheit angeben. Z.bsp: s für Sekunden oder h für Stunden.

Wird ein Formelzeichen mehrmals benötigt, z.Bsp. weil unterschiedliche Ladungen betrachtet werden, dann werden diese üblicherweise mit Indices (angehängten Nummern die oftmals tiefgestellt gesetzt werden) voneinander unterscheidbar gemacht.

In einer Gleichung werden in der Regel entweder ausschliesslich Formelzeichen oder ausschliesslich Einheitszeichen verwendet. Manchmal hat ein Buchstabe sowohl als Formelzeichen als auch als Einheitszeichen eine grosse Verbreitung. So ist z.Bsp. s als Formelzeichen für die Strecke durchaus üblich.

Lediglich um Formelzeichen konkreten Werten zuzuordnen werden Formelzeichen und Einheitszeichen in einer Gleichung verwendet:

[TeX Formel: Q_1 = 42 \mathbf C \qquad Q_2 = 23 \mathbf C \qquad Q_3 = 1.23 \mathbf C]

Wenn möglich setzen wir in den Texten auf diesen Seiten Formelzeichen kursiv, Einheitszeichen fett und Indices tief.

Strom

Bewegte elektrische Ladungen heissen elektrischer Strom. Elektrischer Strom entsteht, da Ladungen bemüht sind sich gegenseitig zu neutralisieren und sich daher aufeinander zubewegen.

Bei fliessendem Wasser würde man den Strom beispielsweise in Litern pro Sekunde messen. Elektrischer Strom wird in Coulomb pro Sekunde gemessen. Diese Einheit hat einen eigenen Namen: Das Ampere mit dem Einheitszeichen A. Das Formelzeichen des elektrischen Stromes ist übrigens I .

[TeX Formel: I = \frac{Q}{t}
\qquad
\mathbf A = \frac{\mathbf C}{\mathbf s}
]

Wenn Strom fliesst dann fliessen die positiven Ladungen vom Plus- zum Minus-Pol und die negativen Ladungen vom Minus- zum Plus-Pol. Der Einfachheit halber betrachtet man immer nur eine Ladungsart. In der Elektronik betrachtet man für gewöhnlich nur die positiven Ladungen und sagt daher, der Strom fliesse vom Plus- zum Minus-Pol. Dieses Bild nennt man "technische Stromrichtung".

Stromkreis, Kirchhoffsche Regel

Der Strom in einem Stromkreis wird nicht weniger. Derselbe Strom, der aus der Batterie fliesst, fliesst auch wieder in sie zurück.

Verallgemeinert gilt für jeden Punkt einer Schaltung und für jede Teilschaltung: Die Summe der zufliessenden Ströme ist gleich der Summe der abfliessenden Ströme. Dieses Naturgesetz nennt man die erste Kirchhoffsche Regel.

Das erste Experiment und der erste Schaltplan

[Bild: stromkreis.png] [Bild: multimeter.png] Der erste Versuchsaufbau ist relativ trivial: Strom fliesst aus dem Plus-Pol einer Batterie (technische Stromrichtung!), durch einen Verbraucher und über den Minus-Pol der Batterie in diese zurück.

Das Bild auf der linken Seite zeigt den entsprechenden Schaltplan. Ein Schaltplan ist eine grafische Repräsentation einer Schaltung. Schaltpläne erleichtern es Schaltungen zu entwerfen und zu dokumentieren.

Das Symbol auf der linken Seite im Schaltplan steht für eine Batterie und das Symbol auf der Rechten für einen elektrischen Widerstand, den wir hier als Platzhalter für einen beliebigen Verbraucher eingesetzt haben. Die Linien geben an wie die Teile miteinander zu verbinden sind.

Im Experiment ist der Verbraucher eine Lampe. Sowie der Versuch fertig aufgebaut ist fliesst Strom und die Lampe leuchtet.

Alle Schaltpläne funktionieren nach diesem Muster: Es gibt Symbole für die einzelnen Bauteile und diese werden mit Linien so miteinander verbunden, wie sie in der realen Schaltung mit elektrischen Leitern (zum Beispiel Kabeln) miteinander verbunden sind.

Um die Strommenge, die fliesst, zu messen müssen wir das Messgerät (Multimeter) mit dem Verbraucher (Lampe) in Serie schalten. Jetzt fliesst der Strom der durch die Lampe fliesst auch durch das Messgerät und die Anzeige im Messgerät verrät uns wieviel Strom genau fliesst. Dieser Aufbau ist im unteren Schaltplan dargestellt.

Manchmal möchte man in Schaltplänen den Strom einzeichnen, so wie wir es in unserem Beispiel getan haben. Dann zeichnet man einfach neben den Symbolen einen Pfeil der in die technische Stromrichtung zeigt und beschriftet ihn entsprechend. (In unserem Beispiel heisst der Strom I1 ).

Da in diesem Schaltplan überall der gleiche Strom fliesst (es gibt keine Verzweigungen), ist es egal an welche Stelle man den Pfeil setzt. Es hat sich jedoch eingebürgert den Strom immer horizontal in eine Schaltung einzuzeichnen.

Errata zum Video

Das Element mit der Ordnungszahl 3 (Lithium) ist selbstverständlich ein elektrischer Leiter.
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