Physik - 17. Folge Elektrischer Strom
Mit dieser Folge kommt etwas mehr Dynamik in die Elektrik. Nach dem Bereich der "Elektrostatik" werden nun fließende elektrische Ladungen näher untersucht. Eng verknüpft mit dem Begriff der elektrischen Stromstärke ist der Begriff des elektrischen Widerstands, der die Brücke zur elektrischen Spannung aus der letzten Sendung schlägt.
Die Folge gliedert sich in folgende Abschnitte:
Elektrischer Strom - Inhaltsübersicht
- 1. Leiter und Isolator
- 2. Stromfluss, mikroskopisch betrachtet
- 3. Elektrische Stromstärke
- 4. Elektrischer Widerstand
- 5. Veränderliche Widerstände
1. Leiter und Isolator
Einige der Experimente zur Elektrizität können Sie mit speziellen Experimentierbausätzen auch selbst durchführen. Beachten Sie dabei unbedingt eine Gefahrengrenze: Bei Experimenten mit Elektrizitätsquellen bis maximal 12 V ist ein elektrischer Unfall ausgeschlossen, Experimente mit höheren Spannungen erfordern die verlässlichen Kenntnisse eines Experten.
Leiter und Isolator - Beispiele
Beispiel 1
Einfaches Stromanzeigegerät
Ein Stromkreis besteht aus einer leitenden Verbindung zwischen den beiden Polen einer Elektrizitätsquelle, in die noch mindestens ein Bauteil eingeschaltet ist, das den Stromfluss begrenzt. Wird dafür eine Lampe verwendet, so erhält man zusätzlich auch ein einfaches Stromanzeigegerät.
Beispiel 2
Wenn man in den Stromkreis eine Lücke einbaut, kann man verschiedene Materialien darauf testen, ob sie Strom leiten können: Kupfer ist ein Leiter, Kunststoffe, bis auf Spezialtypen, sind Isolatoren.
Beispiel 3
Bei Elektrizität in der Nähe von Wasser ist von großer Gefahr auszugehen. Destilliertes Wasser wäre zwar ein Isolator, aber durch die Bestandteile von Mineralien und Salzen wird Leitungswasser bei höheren Spannungen ein guter Leiter.
Beispiel 4
Strom kann in Form eines Elektronenstrahls auch im Vakuum oder in verdünnten Gasen fließen. Darauf beruht die Funktionsweise einer Leuchtstofflampe.
Beispiel 5
Es sind drei Wirkungen der Elektrizität, die wir hauptsächlich nutzen: Die Wärme- und die Leuchtwirkung wie zum Beispiel in Glühlampen und den Elektromagnetismus, den wir in einer späteren Folge näher untersuchen.
2. Stromfluss - mikroskopisch betrachtet
Aufbau von Silicium
Um zu verstehen, warum einzelne Materialen Leiter oder Isolatoren sind, muss man sich den atomaren Aufbau der Festkörper näher ansehen. Ein Musterbeispiel ist Silicium, das in Reinstform ein Isolator ist. Lediglich kleinste, bewusst herbeigeführte Verunreinigungen sorgen für die gesteuerte Leitfähigkeit des bekannten Halbleitermaterials. Im Kristallaufbau von Silicium hat jedes Atom vier nächste Nachbarn. Damit bildet jedes der vier Valenzelektronen genau ein stabiles Bindungspaar; es bleiben keine freien Elektronen für einen Stromfluss.
Bei Metallen wie Kupfer liegt der Fall ganz anders. Wegen der sogenannten Metallbindung gibt jedes Atom Elektronen in ein gemeinsames "Elektronengas". Damit sind Metalle automatisch sehr gute elektrische Leiter. Vergleichen Sie bitte nebenstehendes Video und das Video ganz oben auf der Seite.
3. Elektrische Stromstärke
Formel und Einheit der Stromstärke nach Andre Marie Ampere (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Wenn an einen Leiter eine Spannung angelegt ist, dann erfahren die frei beweglichen Leitungselektronen eine Kraft hin zum Pluspol. Deshalb wird der elektrische Strom als Quotient aus fließender Ladung Δ Q und Zeitdifferenz Δ t festgelegt.
Drehspulinstrument
Zur Messung der Stromstärke stehen verschiedene Gerätetypen zur Verfügung. Die analogen Zeigergeräte sind fast durchweg Drehspulenistrumente. Dazu kommen moderne Digital-Amperemeter, in denen ein elektronischer Baustein die Stromstärke als Zahlenwert darstellt.
Die übliche Wortwahl "Stromverbrauch" ist völlig falsch!
Bei einer Vergleichsmessung mit verschiedenen Geräten an verschiedenen Stellen eines unverzweigten Stromkreises lässt sich zeigen, dass die Stromstärke überall gleich groß ist. Das gilt auch für die Anschlüsse vor und nach der Lampe.
4. Elektrischer Widerstand
Formel und Einheit des Widerstandes nach Georg Simon Ohm (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Elektrische Bauteile leiten den Strom bei einer bestimmten Spannung mehr oder weniger gut, dafür wurde der Begriff elektrischer Widerstand mit der Einheit 1 Ω eingeführt. Weil der griechische Buchstabe Omega so ähnlich wie "Ohm" klingt, wurde er als Maßsymbol gewählt.
Berechnungen zum elektrischen Widerstand (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Viele Leute denken in diesem Zusammenhang an das Ohmsche Gesetz. Dieses besagt, dass die Spannung und die Stromstärke zueinander proportional sind. Vorsicht - es ist eine besondere Eigenschaft, wenn der Widerstand eines Bauteils konstant ist. Viele Bauteile sind nicht ohmsch.
U-I-Diagramm (Klicken Sie bitte auf die Lupe)
Zur Überprüfung eignet sich zum Beispiel ein U-I-Diagramm, das in einem Stromkreis mit einem Amperemeter und einem Voltmeter ermittelt wird. Ergibt sich eine Ursprungsgerade, dann ist I proportional zu U; außerdem ist dann R konstant.
Achtung!
Klicken Sie bitte auf die Lupe!
Bei Rechnungen zu U, I und R muss man aufpassen: Den Widerstand darf man jederzeit ausrechnen, er muss ja nicht konstant sein. Die Formel R = U / I nach U oder I aufzulösen macht dagegen nur Sinn, wenn R konstant ist.
5. Veränderliche Widerstände
Temperatursensor
Für elektrische Anwendungen werden sehr oft Bauteile verwendet, bei denen der Widerstand nicht konstant ist. In einem Halbleitermaterial zum Beispiel ändert sich der Widerstand mit der Temperatur, je höher, desto mehr freie Elektronen werden aus Bindungen "freigeschüttelt". Dieses Verhalten nützt man für Temperatursensoren, wie sie in elektronischen Thermometern Verwendung finden.
Lichtsensor
In einem Halbleitermaterial mit einer großen Oberfläche und geringen Schichtdicke kann der Widerstand durch unterschiedliche Lichtstärke sehr verändert werden. Jedes einfallende Lichtteilchen mit einer ausreichend großen Energie kann ein Elektron freisetzen. Diese Bauteile werden als Lichtsensoren zum Beispiel in Lichtschranken oder automatischen Lichtschaltern benützt.
Testen Sie Ihr Wissen!
