Elektrik

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Ladungen

Punktladungen

Elektroskop

Stromkreis

Elektrolyt

Spannungsmessung

Felder

Kondensator

Schaltbilder

Ohm

Ferromagnetismus

Stabmagnet

Erdpole

 

 


Einführung:

Die Elektrizitätslehre, hier unter der Rubrik " Elektrik " eingeordnet, ist ein Teilgebiet der klassischen Physik. Zur Elektrizitätslehre gehören die Elektrostatik und die Elektrodynamik. Die Elektrostatik war bereits den Menschen in sehr früher Zeit bekannt. Sie beruht auf ruhenden elektrischen Ladungen und deren Wirkung auf die Umgebung. Im Gegensatz dazu steht die Elektrodynamik. Sie ist die Lehre von den bewegten elektrischen Ladungen. Auch die Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern gehört zur Elektrodynamik. Die Elektrodynamik führt zur Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verbundene Phänomene sind. Eine wichtige Erscheinung der Elektrodynamik sind die elektromagnetischen Wellen. Die Elektrodynamik gilt als klassische Theorie. Durch sie werden keine atomaren bzw. subatomaren Vorgänge beschrieben. 

Die Elektronik beruht auf den physikalischen Eigenschaften der freien Ladungsträger, vor allem der Elektronen " e- ". Hier entwickelten sich Halbleiterbauelemente und elektronische Schaltungen. Darauf aufbauend entstanden weitere Teilgebiete der Elektronik wie die Mikroelektronik und die Leistungselektronik.

Hinweis zum Schutz vor den Auswirkungen der Elektrizität.

Wärme können wir durch unser Wärmeempfinden relativ gut wahrnehmen. So sind wir teilweise vor zu großer Hitze geschützt. Für den elektrischen Strom hast Du ein solches "Warngefühl" nicht. Da gibt es keinen Empfindungssinn. Du kannst die Gefahr nur an ihren Wirkungen erkennen. Ein Stromschlag könnte aber schon lebensgefährlich sein. Deshalb sollte bei Versuchen mit Strom Dein Lehrer anwesend sein.

Wenn ein Kabel schon lange in Gebrauch war, mag die Isolierung Schaden erlitten haben. Wenn die stromführende Leitung frei liegt, kann es zu einem Kurzschluss kommen. Zu Hause im Badezimmer musst Du mit elektrischen Geräten besonders vorsichtig umgehen! Strom in Verbindung mit Wasser kann sehr leicht gefährlich werden. Niemals blanke Kontakte berühren oder elektrische Geräte mit nassen Händen oder Füßen bedienen.

Stromleitungen haben bei uns 220 Volt. Ein Stromschlag dieser Stärke kann einem Menschen sehr gefährlich werden. Der Strom, der durch Hochspannungsleitungen fließt, ist sogar noch um einiges höher. Er kann einige Meter weit "springen". Halte Dich von ihm fern!


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Wenn Du einen Hartgummistab mit einem Wolltuch reibst, so erlangt er die Fähigkeit, andere Gegenstände wie Papierschnitzel, Haare und ähnliches Material anzuziehen. Glas, Porzellan, Siegellack oder Bernstein zeigen die gleiche Eigenschaft. Diese haben durch Reibung eine neue physikalische Eigenschaft erlangt, die sich statische Elektrizität nennt. Körper werden elektrisch bzw. sie zeigen sich elektrisch geladen. Wir unterscheiden zwischen positiver und negativer elektrischer Ladung.

Anziehung und Abstoßung von elektrischen LadungenWillkürlich bezeichnet man einen Hartgummistab als negativ geladen, den geriebenen Glasstab dagegen als positiv geladen. Ladung ist an Materie gebunden. Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Die Verschiedenartigkeit der elektrischen Ladungen beruht darauf, dass durch Reibung die Elektronen verschoben werden. Durch Verschiebung ist am Hartgummistab ein Überschuss an Elektronen und am Glasstab ein Mangel an Elektronen entstanden.


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Das Coulomb ist die Einheit der elektrischen Ladung. Die Ladung hat das Einheitenzeichen " Q " im Internationalen Einheitensystem. Jeder elektrisch geladene Körper erzeugt in seiner Umgebung auf Grund seiner Ladung ein elektrisches Feld. Das Feld ist die Ursache für auftretende Anziehungskräfte oder Abstoßungskräfte.

Kraft und Feldlinienbild von " Punktladungen "

Das hängt ganz davon ab, ob es sich um entgegengesetzt geladene oder gleich geladene Körper handelt. Solche geladenen Körper üben eine Kraft " F " aufeinander aus. Diese Kraft ist dem Produkt ihrer Ladungen " Q mal Q " oder wie in der Abbildung " A mal B " direkt proportional. Gleichzeitig ist diese Kraft dem Quadrat der Ladungs-Entfernungen " r ² " umgekehrt verhältnisgleich bzw. proportional. Dieses Gesetz ist von Charles Augustin Coulomb gefunden und nach ihm benannt worden. Es gilt auch für Magnetpole und deren Felder bei Ersatz der entsprechenden elektrischen Größen durch magnetische Größen.


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Das Elektroskop ist ein Gerät aus der Elektrostatik. Es dient zum Nachweis von geringen Mengen an elektrischer Ladung. Von oben führt ein Messingstab in das Innere des Elektroskops. An dem Messingstab ist ein feines, schmales Aluminium-Blättchen angeheftet. Der Messingstab ist durch ein Stück Hartgummi von dem übrigen Gehäuse getrennt. Auf diese Weise besteht keine leitende Verbindung zwischen Gehäuse und Blättchen.

Aluminium-Blättchen-Elektroskop zum Nachweis von LadungenWenn Blatt und Stab geladen werden, stoßen sie sich voneinander ab. Das Blatt biegt sich weg, wie Du in der Abbildung erkennen kannst. Je höher die Ladung, desto größer ist der Ausschlag des Blättchens. Nähern wir z.B. eine positiv geladene Glasstange der Messingkugel, so werden Elektronen von der Kugel angezogen. Positive Ladungen bleiben auf Stab und Blatt. Da diese sich abstoßen biegt sich das Blatt zur Seite. Der Ausschlag verschwindet allerdings wieder, sobald Du die geladene Glasstange weiter entfernst. Der Vorgang bei dem ein Leiter durch einen anderen geladenen Körper aufgeladen wird hat einen speziellen Namen: Wir nennen diese Erscheinung " Induktion ".


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Stoffe wie Messing, Kupfer aber auch Kohle leiten den elektrischen Strom. Ein Strom entsteht, wenn sich zwei entgegengesetzt geladene Körper berühren. Auf diese Weise erfolgt aber lediglich ein Ausgleich der entsprechenden Ladungen. Um einen Stromkreis zu erlangen, brauchen wir zusätzlich eine Quelle, die ständig Ladung liefert. Dafür eignet sich z.B. ein Dynamo oder eine Batterie. Wenn Du deren Pole mit dem Stromkreis verbindest, kann sich ein ständig fließender Strom aufbauen.

Der einfache geschlossene Stromkreis

Dann findet ein Ladungstransport von Elektronen statt. Aufrechterhalten wird dieser Ladungsfluss durch die elektrische Spannung der Stromquelle. Stromquellen wirken also wie " Elektronenpumpen ". Mit Glühlampe, Batterie und Kabel gelingt der Versuchsaufbau für einen einfachen Stromkreis. Den Schaltplan für diesen Versuchsaufbau siehst Du in der Abbildung. Am Pluspol der Stromquelle werden Elektronen " abgesaugt " und am Minuspol nachgeliefert.


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Ein elektrischer Strom kann sich außer durch metallische Drähte auch durch Flüssigkeiten bewegen. In Flüssigkeiten wird die Ladung durch sogenannte Ionen transportiert. Diese können beim Auflösen von Elektrolyten in Wasser entstehen. Bei einem starken Elektrolyt sind fast alle Moleküle aufgespalten. Dann gäbe es nur noch positive Ionen und negative Ionen. Die positiven Ionen heißen Kationen und die negativen Ionen heißen Anionen. Die stromführenden Elektroden heißen entsprechend Anode und Kathode. Die Anode ist mit dem Pluspol einer Stromquelle verbunden und die Kathode mit dem Minuspol. Bei Stromzufuhr bewegen sich die positiven Ionen zur Kathode und die negativen Ionen zur Anode.

Stromdurchgang durch eine elektrolytische LösungDort erhalten sie wieder ( ihre ) Elektronen oder geben wieder Elektronen ab. Durch diese Entladung entstehen ( neutrale ) Atome. Diese werden als Metalle oder Gase abgeschieden, -- ein Vorgang, der sich zum Teil im Experiment beobachten lässt.

Die Elektrolyse hat viele technische Anwendungen gefunden.


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Das Voltmeter ist ein Gerät zur Messung der elektrischen Spannung " U ". Entsprechend wird die Spannung in Volt angegeben. Statt Spannung ist auch der Name Potentialdifferenz gebräuchlich. Nach der Definitionsgleichung ist die elektrische Spannung gleich dem Quotienten aus der elektrischen Energie " E " und der Ladung " Q ".
Messung von Spannung und Strom

Also

U = E durch Q

Ein Voltmeter oder den Spannungsmesser musst Du parallel zu dem Gerät schalten, an dem die Spannung abgelesen werden soll. 

Das Amperemeter ist ein Gerät zur Messung des elektrischen Stroms. Entsprechend wird der elektrische Strom in Ampere " A " angegeben. Die Stromstärke " I " ist eine Basiseinheit im Internationalen Einheitensystem. Ein Strommesser wird immer in den Stromkreislauf, also ohne Verzweigung geschaltet. Nach dem Ohmschen Gesetz sind Spannung " U " und Strom " I " zueinander proportional. Es gilt:

U = R mal I

Wegen dieser Abhängigkeit kann zur Spannungsmessung auch ein Strom-Messgerät herangezogen werden. Hierzu musst Du nur den inneren Widerstand " R " des Messgeräts kennen.


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Ein Feld im physikalischen Sinne verändert einen stofferfüllten oder leeren Raum. Jedem Ort eines Feldes kann ein bestimmter Wert einer physikalischen Größe zugeordnet werden. Wir müssen wieder zwischen skalaren und vektoriellen Größen unterscheiden. Das Temperaturfeld eines heißen Körpers zum Beispiel ist allein durch seinen Betrag gekennzeichnet. Somit ist es ein Skalarfeld, weil es schon durch eine Zahl bestimmt werden kann.

Kugelsymmetrisches Feld von PunktladungenIm Gegensatz dazu stehen elektrische Felder. Ein elektrisches Feld kann nur durch Betrag und Richtung eindeutig beschrieben werden. Elektrische Felder wie das elektrische Feld einer Punktladung in der Abbildung werden an ihren Wirkungen erkannt. Durch Felder können Kräfte auf leicht bewegliche Teilchen jeder Art und jedes Stoffes ausgeübt werden. Die elektrischen Feldlinien einer Punktladung beginnen an einer positiven Ladung und enden an einer negativen Ladung. Sie lassen sich sogar durch feingepulverte Gipskristalle sichtbar machen.


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Wir schließen zwei Metallplatten von geringem Abstand an eine Spannungsquelle an. Mit einem Elektroskop können wir feststellen, ob und dass Ladungen auf die Platten geflossen sind. Die Aufladung des Kondensators bleibt erhalten, auch wenn die Verbindung zur Stromquelle unterbrochen wird. Durch eine isolierte Gegenüberstellung von zwei flächenhaften Leitern ist ein Plattenkondensator entstanden. Beim Aufladen ergibt sich im Inneren des Plattenkondensators ein nahezu homogenes elektrisches Feld.

Homogenes Feld im PlattenkondensatorMit dem Kondensator können wir elektrische Ladung speichern. Zwischen die Platten eines Kondensators lassen sich unterschiedliche sogenannte Dielektrika ( Einzahl: Dielektrikum ) einfügen. Je nach Art des Dielektrikums kann die Aufnahmefähigkeit des Kondensators erhöht werden. Gängige Dielektrika sind wie in der Abbildung außer Luft auch Glas, Hartgummi oder Öl. Die Aufnahmefähigkeit eines Kondensators hängt von der Fläche der Platten und ihrem Abstand voneinander ab. Die beschriebene Art von Plattenkondensator hat geringere technische Bedeutung. Diese Art dient aber der Anschauung. Mit ihr lässt sich das Prinzip des Kondensators verstehen.


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Schalter, Lampen und Batterien sind in den drei Schaltbildern der Abbildung durch Leitungen bzw. Drähte miteinander verbunden. In den Drähten können sich Elektronen frei bewegen. Dadurch fließt ungehindert Elektrizität. Es sei denn es entsteht eine Lücke durch Luft oder einen anderen Isolator. Solche Lücken werden mit einem Schalter überbrückt, der sich je nach Bedarf öffnen oder schließen lässt. So können wir Strom anschalten oder ausschalten.

SchaltbilderIn der Abbildung A sind zwei Batterien in Reihe geschaltet, sie liegen hintereinander. Zwei Batterien liefern den doppelten Strom gegenüber einer Batterie und die Lampe leuchtet entsprechend heller.

In Abbildung B sind zwei Batterien parallel geschaltet. Bei geschlossenem Schalter fließt der gleiche Strom wie mit einer Batterie, aber die Batterien halten etwa doppelt so lange verglichen mit der Lebensdauer einer Batterie.

In Abbildung C liegt eine Parallelschaltung vor. Der Strom teilt sich in zwei Teilströme auf. Mit einer Stromquelle können zwei Lampen gleichzeitig zum Leuchten gebracht werden. Über Schalter 1 werden bei Bedarf beide Lampen ausgeschaltet. Durch Schalter 2 wird nur die zweite Lampe ausgeschaltet. Dann brennt die erste Lampe weiter.


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Wir suchen den Zusammenhang zwischen der Spannung und der Stromstärke in einem elektrischen Stromkreis. In unserem Versuch verdoppeln und verdreifachen wir die Spannung und messen jeweils die dazugehörige Stromstärke. Als " Widerstand " in diesem Versuch benutzen wir einen Konstantan-Draht. Konstantan ist ein Metall. Genau beschrieben besteht Konstantan aus einer temperaturunabhängigen Kupfer-Nickel-Legierung.
Ohmsches Gesetz für Konstantan

Nach Auswertung der erhaltenen Messwerte stellen wir fest, dass bei doppelter oder dreifacher Spannung auch der doppelte bzw. dreifache Strom fließt. Spannung und Stromstärke sind demnach beim ( temperaturunabhängigen ) Konstantan einander direkt proportional. Oder anders ausgedrückt: U ist verhältnisgleich zu I .Den Quotienten aus Spannung U und Strom I bezeichnen wir als Ohmschen Widerstand R. Demnach gilt:

U = R mal I

wobei R konstant ist. Dieser Zusammenhang wird als das Ohmsche Gesetz bezeichnet. Die Beziehung lässt sich im Schaubild durch eine Gerade darstellen. Bei Einsatz verschiedener Konstantan-Drähte mit voneinander abweichenden Widerständen ergeben sich als Kennlinien immer Geraden. Diese Geraden weisen aber unterschiedliche Steigungen auf. Auch für Wolfram und Kohle gilt das Ohmsche Gesetz in dieser Form, wenn der Strom gering ist und die jeweiligen Leiter gekühlt werden.


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Magnetisierbare Gegenstände werden als magnetisch bezeichnet. Der Begriff " ferromagnetisch " kennzeichnet ein sehr starkes magnetisches Material. Dazu gehören Eisen, Kobalt, Nickel sowie einige ihrer Legierungen. Magnete können " hart " oder " weich " sein. Der Begriff hart bezeichnet ein ferromagnetisches Material, das nach dem Magnetisieren seine Magnetkraft behält. Dazu gehört Stahl. Aus Stahl werden sogenannte Dauermagnete wie eine Kompassnadel gemacht.

Eine Erklärung für den Ferromagnetismus

Der Begriff weich beschreibt ein ferromagnetisches Material, das nach dem Magnetisieren seine Magnetkraft wieder verliert. Ein Beispiel für diese Erscheinung ist reines Eisen. Eine einfache Theorie für den Magnetismus besagt, dass ferromagnetische Stoffe aus Elementarmagneten bestehen, die miteinander wechselwirken. Sie sind in " Weissschen  Bezirken " ( hat nichts mit der Farbe zu tun ) angeordnet. Im unmagnetischen Zustand liegen die Bezirke, wie aus dem linken Teil der Abbildung zu ersehen ist, durcheinander. Sie heben sich in bezug auf ihre magnetische Kraft nach außen auf. Im maximalen magnetisierten Zustand dagegen sind die Weissschen Bereiche vollständig geordnet. Solch ein Magnet kann nicht noch stärker werden. Er gilt als gesättigt.


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Jeder Magnet ist von einem unsichtbaren Magnetfeld umgeben. So erzeugt auch ein Stabmagnet in seiner Umgebung ein magnetisches Feld. Wie schon beim elektrischen Feld geschehen, kannst Du das magnetische Feld durch Feldlinien beschreiben. Du kannst es sogar durch Eisenfeilspäne sichtbar machen. Am stärksten ist dieses Feld an den Enden, an seinen sogenannten Polen. Die Kraftwirkung nimmt aber mit dem Quadrat der Entfernung von den Polen ab. Praktisch ist das Feld begrenzt, theoretisch reicht es bis in das Unendliche.

Feldlinienverlauf  beim Stabmagneten

Bei einem barrenförmigen oder stabförmigen Magnet liegen die Pole jeweils an den Enden. Man unterscheidet zwischen Nordpol und Südpol. Die Pole sind nach den Polen der Erde benannt, von denen sie angezogen werden. Die magnetischen Feldlinien durchdringen viele Stoffe wie Papier, Holz und Glas und auch den leeren Raum. Ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab. Das ist genauso, wie bei den elektrischen Ladungen der statischen Elektrizität.




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Unsere Erde verhält sich wie ein großer Stabmagnet, dessen Südpol im Norden und dessen Nordpol im Süden liegt. Du kannst ihn Dir wie einen riesigen Stabmagneten im Inneren der Erdkugel vorstellen. Die magnetischen Pole unterscheiden sich von den Polen, um die sich die Erde dreht. Die magnetischen Pole liegen dicht neben  geographischen Polen.
Die Erde als Magnet
In Deutschland zeigt eine Magnetnadel mit ihrem Nordpol annähernd nach Norden. Der Südpol der Magnetnadel zeigt nach Süden. Das Magnetfeld der Erde krümmt sich um den Planeten herum. Am Äquator verlaufen die Magnet-Feldlinien deshalb parallel zum Boden. An den magnetischen Polen treffen sie senkrecht auf die Erde. Bei der Orientierung mit einem Kompass kann die letztgenannte Erscheinung zu unruhigen Kreisel-Bewegungen der Magnetnadel führen.






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