Elektrizitätslehre

Elektrische Grundgrößen

Ladung und Strom - Einführung

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

Ladung und Strom - Einführung

In einem Stromkreis fließt Ladung. Der nebenstehende Versuch zeigt sehr schön den Übergang vom diskreten Löffeln der Ladung zum kontinuierlichen Ladungstransport, einem Strom.

Berührt die zunächst neutrale Kugel den linken Pol an dem Elektronenüberschuss herrscht, so gehen auf die Kugel Elektronen über. Dieser kurzzeitige Ladungstransport wird durch ein kurzes Aufblitzen der linken Elektrode der linken Glimmlampe angezeigt (negatives Glimmlicht: es leuchtet die Elektrode auf, die näher zum Minuspol ist).

Berührt die Kugel den rechten Pol an dem Elektronenmangel herrscht, so fließen die überschüssigen Elektronen der Kugel zum Pluspol. Dieser kurzzeitige Ladungstransport wird durch ein kurzes Aufblitzen der linken Elektrode der rechten Glimmlampe angezeigt (negatives Glimmlicht: es leuchtet die Elektrode auf, die näher zum Minuspol ist). Schließlich herrscht auch auf der Kugel Elektronenmangel.

Berührt nun die positiv geladene Kugel (auf der Kugel herrscht Elektronenmangel) den Minuspol, so wiederholt sich das oben Gesagte.

Bewegt man die Kugel immer schneller zwischen den Polen hin und her, so verstreicht immer weniger Zeit zwischen dem Aufblitzen der Glimmlampen. Verbindet man die Pole durch einen Draht, so fließt ein dauerhafter Strom (erkennbar am permanenten Leuchten der beiden Glimmlampen).

1 Strom als zuerst diskreter und später als kontinuierlicher Ladungstransport

Den Zusammenhang zwischen der Größe "elektrische Ladung" (Formelzeichen \(Q\)) und der Größe "elektrische Stromstärke" (Formelzeichen \(I\)) erkennt man gut, wenn man zunächst zwei mechanische Analogien betrachtet.

Verkehrsanalogie

2 Analogie zwischen elektrischem Strom und Autoverkehr

Die "Verkehrsstromstärke" \({I_{{\rm{Verkehr}}}}\) ist umso größer, je größer die Zahl \(Z\) der Autos ist, die pro Zeiteinheit die gestrichelte Linie überfahren: \[{\rm{Verkehrsstromstärke}}\;{\rm{ = }}\;\frac{{{\rm{Zahl}}\;{\rm{der}}\;{\rm{Autos}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\]\[{I_{{\rm{Verkehr}}}} = \frac{Z}{{\Delta t}}\]Hinweis: Der griechische Buchstabe \(\Delta \) ("Delta") stellt den Großbuchstaben D dar, er steht für das Wort Differenz. So bedeutet \({\Delta t = {t_2} - {t_1}}\) die Zeitspanne zwischen den zwei Zeitpunkten \({{t_1}}\) und \({{t_2}}\). Dabei ist \({{t_1}}\) der Zeitpunkt an dem die Zählung beginnt und \({{t_2}}\) der Zeitpunkt an dem die Zählung beendet wird.

Wasseranalogie

3 Analogie zwischen elektrischem Strom und Wasserfluss

Betrachtet man das strömende Wasser in einer Röhre, so ist die "Wasserstromstärke" \({I_{{\rm{Wasser}}}}\) umso größer, je mehr Wasservolumen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche fließt. \[{\rm{Wasserstromstärke = }}\frac{{{\rm{Wasservolumen}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\] \[{I_{{\rm{Wasser}}}} = \frac{{\Delta V}}{{\Delta t}}\] Beachte, dass bei unterschiedlichem Rohrquerschnitt das Wasser - bei gleicher Wasserstromstärke - unterschiedlich schnell fließt (vergleiche: Flussenge).

Man könnte ähnlich wie bei der Verkehrsanalogie die elektrische Stromstärke feststellen, indem man die Elektronen zählt, die pro Zeiteinheit durch einen Testfläche treten. Da dies in der Praxis nicht möglich ist (einzelne Elektronen sind nur mit einem Riesenaufwand registrierbar), geht man bei der Definition der elektrischen Stromstärke wie bei der Wasseranalogie vor.

Definition der elektrischen Stromstärke

Abb. 4 Definition der elektrischen Stromstärke

Im elektrischen Stromkreis ist die Stromstärke umso größer, je mehr Ladungen pro Zeiteinheit durch eine gedachte Testfläche im Leiter fließen. Man legt fest:\[{\rm{elektrische}}\;{\rm{Stromstärke}}=\frac{{{\rm{Ladung}}\;{\rm{durch}}\;{\rm{Testfläche}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\]\[I = \frac{{\Delta Q}}{{\Delta t}}\quad \Leftrightarrow \quad \Delta Q = I \cdot \Delta t\]

Beachte: Gleiche Stromstärke heißt nicht gleiche Geschwindigkeit der Ladungsträger.

5 Erreichen einer bestimmten Stromstärke, indem sich dicht beieinander befindende Ladungen mit relativ kleiner Geschwindigkeit durch die Testfläche bewegen.

Eine bestimmte Stromstärke kann z.B. dadurch erreicht werden, indem sich dicht beieinander befindende Ladungen (wir sagen Ladungen mit hoher Dichte) mit relativ kleiner Geschwindigkeit durch die Testfläche bewegen.

6 Erreichen einer bestimmten Stromstärke, indem sich weniger dicht beieinander befindende Ladungen mit relativ großer Geschwindigkeit durch die Testfläche bewegen.

Die gleiche Stromstärke kann aber auch dadurch erreicht werden, indem sich weniger dicht beieinander befindende Ladungen (wir sagen Ladungen mit geringer Dichte) mit relativ größer Geschwindigkeit durch die Testfläche bewegen.

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