Die grundlegenden Begriffe der Elektronik sind der elektrische Strom, die elektrische Spannung und der elektrische Widerstand. Doch was sind das für Größen und wie wirken sie sich aus?
- Elektrischer Strom
- Elektrische Spannung
- Elektrischer Widerstand
- Ohm’sches Gesetz
- Leistung
- Zusammenfassung
Elektrischer Strom
Der elektrische Strom beschreibt die Bewegung von Elektronen in einem Leiter, z.B. einem Kupferdraht. Bewegen sich viele Elektronen im Kupferdraht, so fließt ein hoher Strom, bewegen sich hingegen wenige Elektronen, fließt ein geringer Strom.
Dieser Stromfluss kann mit dem Wasserfluss, der im inneren eines Gartenschlauchs entstehen kann, vergliechen werden. Hier wird auch von einem „Wasser-Strom“, oder von einer Strömung gesprochen. Der Schlauch kann in diesem Fall als metallischer Leiter betrachtet werden. Das hindurchfließende Wasser repräsentiert dabei den Elektronenfluss. Fließt wenig Wasser, so ist die Strömung gering. Fließt hingegen mehr Wasser, so wird die Strömung stärker. Diese bestehende Analogie zwischen elektrischer Stromstärke und dem Wasserdruck soll durch die folgenden Abbildungen visualisiert bzw. nochmals dargestellt werden.
Der elektrische Strom (Formelzeichen I) wird in der Einheit Ampere (A) gemessen.
Elektrische Spannung
Bleiben wir bei der aufgestellten Analogie, so entspräche die elektrische Spannung dem Wasserdruck, der im Inneren des Schlauchs herrscht, und das Wasser in Bewegung versetzen würde.
Beispiel : Ein Schlauch, der zwar mit Wasser gefüllt ist, aber keine Wasserzufuhr (Wasserhan) erfährt, hat in seinem inneren kein Wasserfluss. Solange kein Wasser zugeführt wird, wird auch kein Wasser am Ausgang des Schlauchs herauskommen, weil der Druck, bzw. die Kraft fehlt, die das Wasser vorwärtstreibt (Wasserdruck).
Dieser Druck – analog zur elektrischen Spannung betrachtet – ist die Kraft, die die Elektronen durch den elektrischen Leiter treiben. Je höher diese Kraft – oder Spannung – ist, desto mehr Elektronen werden durch den elektrischen Leiter getrieben.
Die elektrische Spannung (Formelzeichen U) wird in der Einheit Volt (V) gemessen.
Beispiel „Modellversuch Gefäße“ : Die Gefäße befinden sind auf gleicher Höhe und besitzen gleich viel Wasser. Werden beide Gefäße mit einem Schlauch verbunden, so entsteht kein Wasserfluss im Schlauchinneren, da beide Behälterdrücke bezüglich der Schlauchenden identisch sind (Druckausgleich).
Dieser Sacherhalt ändert sich natürlich, wenn einer dieser Gefäße eine geringere Wassermenge aufweisen würde. Im Schlauchinneren würde sich ein Wasserfluss bildet, der das Wasser über den Schlauch verteilen würde bis ein Druckausgleich zwischen den Behältern entsteht. Die Abbildungen sollen diese Konstellation nochmal visualisieren. Das Wasser fließt hier vom linkem zum rechten Behälter hinüber bis die Druckdifferenz verschwindet.
Die Behälter besaßen unterschiedliche Wassermengen, so dass hier von differenzierten Druckpotenzialen gesprochen werden kann, die verschiedene Fähigkeit der Druckausübung besitzen. Analog verhält es sich auch bei der elektrischen Spannung. Zum Beispiel besitzt eine voll aufgeladene Batterie einen positiven Pol und einen neutralen oder negativen Pol. Diese Potenzialdifferenz zwischen beiden Polen wird Spannung genannt. Werden nun beide Pole verbunden, so fließen Elektronen vom Potentialüberfluss zum Potentialdefizit hin bis auch hier die Potenzialdifferenz beider Pole verschwindet. Die Batterie ist dann leer.
In der Elektrotechnik geht man davon aus, dass der Strom vom positiven zum negativen Potenzial fließt, bei der Batterie zum Beispiel von der „+ “ zur “ -“ Klemme hin.
Elekrtischer Widerstand
Die betrachtete Analoge kann auch den elektrischen Widerstand anschaulich darstellen und halbwegs erklären.
Der hypothetische Wasserschlauch liegt dabei in der Hand. Dabei ist dieser mit einem Wasserhahn verbunden, der Wasser durch den Schlauchquerschnitt treibt. Durch das Zusammendrücken sprudelt jetzt weniger viel Wasser aus dem Schlauchende heraus. Der verengte Schlauchquerschnitt erzeugt jetzt einen höhrenen Fließwiderstand und verringert dadurch die Wasserfließgeschwindigkeit. Ein Schlauch mit geringerem Durchmesser hätte den identischen Effekt. Durch das Reduzieren des Schlauchquerschnitts fließt durch ihn weniger Wasser in der gleichen Zeiteinheit hindurch. Der Fließwiderstand ist hier größer als bei einem Schlau mit größerem Querschnitt. Entsprechend verhält es sich mit der Schlauchlänge. Je länger der Schlauch ist, desto weniger schnell wird das Wasser am Ausgang herauskommen. Eine kurze Schlauchlänge verursacht eine höhere Fließgeschwindigkeit und lässt das Wasser am Schlauende schnell herausspritzen.
Jedes Bauteil, jeder Leiter und Luft besitzt einen konkreten Widerstand. Zum Beispiel kann bezüglich der Analogie der Widerstand eines elektrischen Leiters erhöht werden, wenn dessen Querschnitt verdünnt und dessen Länge erhöht wird. Wird der Querschnitt wieder verdickt und die Länge reduziert, so verringert sich dessen Widerstandswert wieder. Die folgenden Abbildungen sollen den Sachverhalt nochmal bildlich wiederspiegeln.
Der elektrische Widerstand (Formelzeichen R) wird in Ohm (Ω) gemessen.
Ohm’sches Gesetz
Die beschriebenen elektrischen Größen stehen in Wechselwirkung zueinander. Bei Größenänderung einer Komponenten werden die anderen beiden Größen verändert.
Dieser Zusammenhang wird über das ohmsche Gesetz beschrieben.
Der Strom ist abhängig von der anliegenden Spannung und dem Widerstand.
Das ohmsche Gesetz besagt also, je höher die Spannung ist oder je geringer der Widerstand ist, desto mehr Strom fließt.
Bei einem 100Ω Widerstand, der an eine 1,5V Batterie klemmt, wird nach dem ohmschen Gesetz ein Strom von
15 Milliampere errechnet. Durch Einsatz eines elektrischen Messinstruments ( Amperemeter ) kann dieser Wert in etwa gemessen werden.
Leistung
Die Bestimmung des Leistungsverbrauch einer elektrischen Schaltung ist immens wichtig. Netzbetreiber ermitteln den Stromverbrauch der Haushalte, um eine korrekte Stromabrechnung aufzustellen.
Jeder Haushalt besitzt dafür einen sogenannten „Stromzähler“. Dieser Stromzähler misst jedoch nicht nur den durchlaufenden Strom bezüglich eines Zeitintervalls, sondern auch die Leistung. Die Leistung errechnet sich hier durch die Spannung multipliziert mit dem Strom und kann formal durch folgende Formel beschrieben werden:
Die Leistung (Formelzeichen P) wird in Watt (W) angegeben.
Eine Schaltung aus 1,5V Batterie und 100Ω Widerstand weist einen Stromn von 0,015A auf ( siehe : Ohm’sches Gesetz ). Die Leistung der Schaltung errechnet sich durch die Formel zu
Dabei wird 22,5mW Leistung durch den Widerstand verbraucht“.
Bei Bauteilen nimmt die Leistung eine wichtige Rolle ein. Bei der Dimensionierung ist sie ein entscheidender Faktor. Dieser Sachverhalt wird später noch genauer betrachtet, dennoch soll hier ein kurzes Beispiel aufgeführt werden.
Jedes Bauteil besitzt eine Leistungsobergrenze. Wird diese überschritten, so wird das entsprechende Bauelement zerstört.
Alte Glühlampen haben eine Leistungsobergrenze von etwa 100W, moderne Leuchtmittel haben dabei einer Obergrenze zwischen 4W bis 10W. Bei einem Spannungsanstieg würde sich entsprechend die Leistungszufuhr erhöhen bis der Leuchtkörper zerstört werden würde.
Zusammenfassung
Folgende wichtige Erkenntnisse sollen hier nochmal kurz zusammengefasst werden.
Die elektrischen Größen Strom, Spannung und Widerstand bilden die Grundlage jedes elektrischen Systems. Ohne diese drei Größen wäre eine Beschreibung von elektrischen Systemen, bzw. elektrischer Strom generell nicht möglich.
Der Strom gibt die Anzahl an Elektronen an, die sich in einem Leiter, z.B. einem Kupferdraht bewegen. Strom wird in Ampere gemessen.
Die Spannung gibt Auskunft über die Kraft, bzw. das Potenzial, das an einem Punkt in Referenz zu einem anderen Punkt anliegt. Je höher die Spannung, also die Kraft ist, desto mehr Strom fließt, wenn die beiden Punkte verbunden werden. Spannung wird in Volt gemessen.
Der Widerstand ist eine Eigenschaft des vom Strom durchflossenen Leiters. Je höher der Widerstand ist, desto schwerer fällt es dem Strom den Leiter zu durchfließen, das heißt, es fließt weniger Strom. Widerstand wird in Ohm gemessen.
In diesem Kapitel wurde die Analogie zwischen Strom und Wasserfluss aufgestellt. Dieser Vergleich eignet sich sehr gut, um schwierige elektrotechnische Zusammenhänge darzustellen und zu erklären. Die kommenden Kapitel sollen dementsprechend ebenfalls Bezug zur Analogie wahren.
