Elektrik

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Elektrischer Strom
• Elektrische Spannung
• Elektrischer Widerstand
• Elektrische Arbeit und Leistung

Elektrischer Strom

Der elektrische Strom beschreibt einen Fluss von elektrischen Ladungsträgern durch einen Leiter. Damit dieser Strom fließen kann, müssen in dem Leiter freie bewegliche Ladungsträger (z. B. Elektronen) vorhanden sein und es muss eine elektrische Spannung an dem Leiter anliegen. Ohne angelegte elektrische Spannung bewegen sich die freien Elektronen relativ ungerichtet um die positiven Atomrümpfe. Erst wenn eine Spannung angelegt wird, bewegen sich die Ladungsträger in eine bestimmte Richtung.

Die elektrische Stromstärke I ist ein Maß dafür, welche Menge an elektrischer Ladung Q in einer bestimmten Zeit t durch den Querschnitt eines Leiters fließt:

$I=\frac{Q}{t}$.

Wenn mehr Elektronen (oder Ionen) einen Leiterabschnitt in einer bestimmten Zeit durchlaufen, ist auch die elektrische Stromstärke größer. Die elektrische Stromstärke wird in Ampere angegeben. Eine Stromstärke von 1 Ampere bedeutet, dass 1 Coulomb an Ladung pro Sekunde den Querschnitt eines Leiters passiert. Die Ladungsträger bewegen sich dabei mit einer (Drift-)Geschwindigkeit im Bereich von 10−4 m/s = 0,1 mm/s durch den Leiter.

Elektrische Spannung

Eine elektrische Spannung ergibt sich durch eine unterschiedliche Konzentration von Ladungsträgern, z. B. durch mehr Elektronen an einer Stelle gegenüber einer anderen Stelle.

Bei einem Ladungsgefälle sind die positiven und negativen Ladungen durch elektromagnetische Wechselwirkung bestrebt, sich auszugleichen. Die Ladungstrennung erzeugt also eine Art Antrieb für die Ladungsträger: die elektrische Spannung.

Das kannst du dir vorstellen wie bei einem Wasserfall, bei dem die unterschiedliche Lage von Wassermolekülen auf verschiedenen Ebenen eine Spannung erzeugt. Die potentielle Energie des Wassers auf einer höheren Ebene erzeugt einen Wasserfluss, wenn es keinen Widerstand gibt, der den Fluss verhindert.

Eine Spannung kann durch eine Spannungsquelle, zum Beispiel eine Batterie, erzeugt werden. An einem ihrer Pole besitzt die Batterie eine erhöhte Konzentration von Elektronen, wodurch zwischen den Polen eine elektrische Spannung besteht. Die elektrische Spannung U entspricht dabei der Arbeit W, die bei der Ladungstrennung aufgewendet wird. Sie wird in Volt angegeben: Eine Spannung von einem Volt bedeutet, dass für die Ladungstrennung einer Ladung von einem Coulomb eine Arbeit von einem Joule aufgebracht werden muss.

Elektrischer Widerstand

Wenn freie Elektronen durch einen Leiter fließen, treten Wechselwirkungen zwischen ihnen und den festen positiven Atomrümpfen auf. Dabei wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, ähnlich wie bei der mechanischen Reibung. Der elektrische Widerstand R ist ein Maß für diese Wechselwirkungen, die den Stromfluss behindern.

Unter dem elektrischen Widerstand R versteht man das Verhältnis zwischen einer angelegten Spannung U an einem Leiter und der daraus folgenden Stromstärke I:

$R=\frac{U}{I}$.

Er wird in Ohm angegeben. Ein elektrischer Widerstand von einem Ohm drückt aus, dass eine Spannung von einem Volt angelegt werden muss, um in einem elektrischen Leiter eine Stromstärke von einem Ampere zu bewirken.

Der Zusammenhang zwischen den drei Größen Spannung, Stromstärke und Widerstand wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:

$U=R\cdot I$.

Elektrische Arbeit und Leistung

Häufig sieht man auf elektrischen Geräten neben den Angaben von Stromstärke und Spannung noch eine dritte Größe: die elektrische Leistung $P$. Ihre Einheit ist das Watt W. Für die verrichtete elektrische Arbeit $W_{el}$ zahlen wir am Ende des Monats unsere Stromrechnung. Auf der Rechnung wird sie zumeist als Kilowattstunde angegeben, kWh, die Grundeinheit ist aber die Wattsekunde Ws. Diese entspricht genau einem Joule J.

$P=U \cdot I$

$[P]=1\,\text{W}$

$W_{el}=P \cdot t$

$[W_{el}]=1\,\text{Ws}=1\,\text{J}$