Elektrizitätslehre

Elektrische Grundgrößen

Elektrische Größen

  • Was bedeuten eigentlich Volt …
  • … und Ampère?
  • … und was hat es mit dem OHMschen Gesetz auf sich?
  • Wie funktionieren elektrische Messgeräte?

Elektrische Größen

Motivation für die Verwendung von Größen

Wenn du eine Wanderung machst und einen Einheimischen fragst, wie weit es noch zu deinem geplanten Ziel ist und er gibt dir zur Antwort "Die Strecke ist noch lang." so hat diese Information für dich schon einen gewissen Wert. Mit einer präziseren Angabe wie "Es sind noch 8 km." wäre dir mehr geholfen.

  • In der Elektrizitätslehre haben wir bisher von großen und kleinen Strömen gesprochen, genaue Angaben haben wir aber nicht gemacht.
  • Wir wissen inzwischen, dass man sich den elektrischen Strom als das Fliesen von Ladungen vorstellen kann, einen "zahlenmäßigen" (quantitativen) Zusammenhang zwischen Ladung und Strom kennen wir noch nicht.
  • Bei der Charakterisierung von elektrischen Quellen sprachen wir - etwas nebulös - von deren "Stärke" oder "Voltzahl", aber genauer haben wir diese Begriffe nicht geklärt.

In diesem Abschnitt soll nun etwas Licht ins Dunkel gebracht werden. Du wirst mehr über elektrische Größen erfahren, wenngleich eine ganz genaue Festlegung erst in einer späteren Stufe erfolgen wird.

1 Modellhafte Vorstellung des elektrischen Stromflusses in einem Stromkreis

Atomare Vorstellung von Elektrizität

In einem metallischen Leiter, der noch nicht an eine Quelle angeschlossen ist, befinden sich bereits Ladungsträger: leicht bewegliche Elektronen und ortfeste positive Atomrümpfe. Die Elektronen sind wohl in Bewegung, jedoch fliest insgesamt noch kein Strom. Vergleiche hierzu auch die Seite über "Elektrizität atomar".

Einfluss der elektrischen Quelle

Damit es zu einem Strom kommt, muss von außen eine elektrische Quelle an den Leiter angeschlossen werden, welche die Leitungselektronen antreibt, am Pluspol die Elektronen des Leiters aufnimmt und am Minuspol wieder Elektronen einspeist. Für die Fähigkeit einer Quelle, in einem angeschlossenen äußeren Stromkreis einen Strom aufrechtzuerhalten, haben die Physiker den Begriff der elektrischen Spannung eingeführt. Die Spannung charakterisiert die "Stärke" einer elektrischen Quelle, sie ist die Ursache für den Strom. Als Symbol für die Spannung verwendet man den Großbuchstaben \(U\).

Auch für den elektrischen Strom haben die Physiker ein Symbol eingeführt, den Großbuchstaben \(I\).

Stromfluss hängt vom Stromkreis ab

Welchen Strom ein und die selbe Quelle (mit fester Spannung U) bewirkt, hängt vom angeschlossenen Stromkreis ab. In folgenden drei Versuchen wird eine elektrische Quelle mit stets gleicher Stärke verwendet.

Stromkreis mit leuchtender Lampe
Abb.
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Stromkreis mit leuchtender Lampe

Im ersten Versuch leuchtet das Lämpchen mit normaler Helligkeit.

Stromkreis mit kurzgeschlossener Lampe
Abb.
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Kurzgeschlossene Lampe

Im zweiten Versuch leuchtet das Lämpchen nicht, da zu ihm parallel ein Draht geschaltet ist (Kurzschluss).
Der Draht hemmt den Elektronenfluss weniger als das Lämpchen, so dass nahezu alle Elektronen über diesen Draht vom Minus- zum Pluspol fließen.

Stromkreis mit langem Draht und Lampe
Abb.
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Mit langem Draht und Lampe

Der lange Draht (aufgewickelt auf einer Spule), der in Reihe zum Lämpchen geschaltet wurde, hemmt - wie das Lämpchen - den Elektronenfluss, so dass eine geringere Helligkeit wie beim ersten Versuch festzustellen ist.

Widerstand eines Stromkreises

Um das "Hemmungsvermögen" eines Stromkreises (oder eines Elementes davon) charakterisieren zu können, hat man die physikalische Größe Widerstand eingeführt. Dem Widerstand wird der Großbuchstaben \(R\) zugeordnet.

Eigenschaften von physikalischen Größen

1)Für jede physikalische Größe muss entweder eine Messvorschrift festgelegt sein1 oder eine Rechenvorschrift bestehen, wie die Größe aus anderen physikalischen Größen zu bestimmen ist2.
1z.B. muss klar definiert sein, wie die physikalische Größe Länge (die Länge einer Strecke) zu messen ist.
2 z.B. ist die Fläche \(A\) eines Rechtecks nach der Formel \(A=\ell \cdot b\) genau festgelegt (\(\ell:\) Länge des Rechtecks; \(b:\) Breite des Rechtecks)

2)Jeder physikalischen Größe wird ein Symbol zugeordnet (z.B. für die Streckenlänge ein \(\ell\), welches kursiv geschrieben werden sollte.
Die Längenangabe \(\ell=8\,\rm{km}\) enthält die Maßzahl \(8\) und die Maßeinheit \(\rm{km}\).

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