Spannung, Strom, Widerstand und Ohmsches Gesetz - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:22

In diesem Tutorial behandelt

Wie elektrische Ladung mit Spannung, Strom und Widerstand zusammenhängt.

Welche Spannung, Strom und Widerstand sind.

Was das Ohmsche Gesetz ist und wie man es verwendet, um Elektrizität zu verstehen.

Ein einfaches Experiment, um diese Konzepte zu demonstrieren.

Schritt 1: Elektrische Ladung

Elektrische Ladung ist die physikalische Eigenschaft von Materie, die dazu führt, dass sie eine Kraft erfährt, wenn sie in ein elektromagnetisches Feld gebracht wird. Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen: positive und negative (üblicherweise von Protonen bzw. Elektronen getragen). Gleiche Ladungen stoßen ab und ungleiche ziehen an. Ein Fehlen einer Nettobelastung wird als neutral bezeichnet. Ein Objekt ist negativ geladen, wenn es einen Überschuss an Elektronen hat, und ist ansonsten positiv geladen oder ungeladen. Die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C). In der Elektrotechnik ist es auch üblich, die Amperestunde (Ah) zu verwenden; in der Chemie ist es üblich, die Elementarladung (e) als Einheit zu verwenden. Das Symbol Q bezeichnet oft Ladung. Frühes Wissen über die Wechselwirkung geladener Substanzen wird heute als klassische Elektrodynamik bezeichnet und ist immer noch genau für Probleme, die keine Berücksichtigung von Quanteneffekten erfordern.

Die elektrische Ladung ist eine grundlegende konservierte Eigenschaft einiger subatomarer Teilchen, die ihre elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt. Elektrisch geladene Materie wird von elektromagnetischen Feldern beeinflusst oder erzeugt diese. Die Wechselwirkung zwischen einer bewegten Ladung und einem elektromagnetischen Feld ist die Quelle der elektromagnetischen Kraft, die eine der vier Grundkräfte ist (Siehe auch: Magnetfeld).

Experimente des 20. Jahrhunderts zeigten, dass elektrische Ladung quantisiert ist; das heißt, es kommt in ganzzahligen Vielfachen einzelner kleiner Einheiten, die Elementarladung genannt wird, e, ungefähr gleich 1,602×10−19 Coulomb (außer bei Teilchen, die Quarks genannt werden, deren Ladungen ganzzahlige Vielfache von 1/3e sind). Das Proton hat eine Ladung von +e und das Elektron hat eine Ladung von −e. Die Untersuchung geladener Teilchen und wie ihre Wechselwirkungen durch Photonen vermittelt werden, wird als Quantenelektrodynamik bezeichnet.

Schritt 2: Spannung:

Spannung, elektrische Potentialdifferenz, elektrischer Druck oder elektrische Spannung (formal als ∆V oder ∆U bezeichnet, aber häufiger vereinfacht als V oder U, z Punkte pro Einheit elektrischer Ladung. Die Spannung zwischen zwei Punkten ist gleich der Arbeit, die pro Ladungseinheit gegen ein statisches elektrisches Feld geleistet wird, um die Testladung zwischen zwei Punkten zu bewegen. Dies wird in Volt (ein Joule pro Coulomb) gemessen.

Spannung kann durch statische elektrische Felder, durch elektrischen Strom durch ein Magnetfeld, durch zeitveränderliche Magnetfelder oder eine Kombination dieser drei verursacht werden.[1][2] Ein Voltmeter kann verwendet werden, um die Spannung (oder Potenzialdifferenz) zwischen zwei Punkten in einem System zu messen; oft wird als einer der Punkte ein gemeinsames Bezugspotential wie die Masse des Systems verwendet. Eine Spannung kann entweder eine Energiequelle (elektromotorische Kraft) oder verlorene, verbrauchte oder gespeicherte Energie (Potenzialabfall) darstellen.

Bei der Beschreibung von Spannung, Strom und Widerstand ist eine gängige Analogie ein Wassertank. In dieser Analogie wird die Ladung durch die Wassermenge, die Spannung durch den Wasserdruck und der Strom durch den Wasserfluss repräsentiert. Denken Sie für diese Analogie daran:

Wasser = Ladung

Druck = Spannung

Durchfluss = Strom

Betrachten Sie einen Wassertank in einer bestimmten Höhe über dem Boden. Am Boden dieses Tanks befindet sich ein Schlauch.

Der Strom im Tank ist also bei höherem Widerstand geringer.

Schritt 3: Strom:

Elektrizität ist das Vorhandensein und der Fluss von elektrischer Ladung. Seine bekannteste Form ist der Elektronenfluss durch Leiter wie Kupferdrähte.

Elektrizität ist eine Energieform, die in positiver und negativer Form vorkommt, die natürlich auftritt (wie beim Blitz) oder produziert wird (wie beim Generator). Es ist eine Energieform, mit der wir Maschinen und elektrische Geräte antreiben. Wenn sich die Ladungen nicht bewegen, wird Elektrizität als statische Elektrizität bezeichnet. Wenn sich die Ladungen bewegen, handelt es sich um einen elektrischen Strom, der manchmal als "dynamische Elektrizität" bezeichnet wird. Blitze sind die bekannteste und gefährlichste Art von Elektrizität in der Natur, aber manchmal führt statische Elektrizität dazu, dass Dinge zusammenkleben.

Elektrizität kann gefährlich sein, besonders in der Nähe von Wasser, da Wasser eine Art Leiter ist. Seit dem 19. Jahrhundert wird Elektrizität in allen Bereichen unseres Lebens verwendet. Bis dahin war es nur eine Kuriosität, die man in einem Gewitter gesehen hat.

Strom kann erzeugt werden, wenn ein Magnet nahe an einem Metalldraht vorbeifährt. Dies ist die Methode, die von einem Generator verwendet wird. Die größten Generatoren befinden sich in Kraftwerken. Elektrizität kann auch erzeugt werden, indem Chemikalien in einem Glas mit zwei verschiedenen Arten von Metallstäben kombiniert werden. Dies ist die Methode, die in einer Batterie verwendet wird. Statische Elektrizität entsteht durch die Reibung zwischen zwei Materialien. Zum Beispiel eine Wollmütze und ein Plastiklineal. Reiben Sie sie aneinander, kann ein Funke entstehen. Strom kann auch mit Sonnenenergie wie in Photovoltaikzellen erzeugt werden.

Der Strom gelangt über Leitungen von dem Ort, an dem er erzeugt wird, in die Haushalte. Es wird von elektrischen Lampen, elektrischen Heizgeräten usw. verwendet. Viele Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Elektroherde verbrauchen Strom. In Fabriken gibt es Elektrizität, die Maschinen antreibt. Menschen, die in unseren Häusern und Fabriken mit Elektrizität und elektrischen Geräten umgehen, werden "Elektriker" genannt.

Nehmen wir nun an, wir haben zwei Tanks, wobei jeder Tank mit einem Schlauch von unten kommt. Jeder Tank hat genau die gleiche Wassermenge, aber der Schlauch an einem Tank ist schmaler als der Schlauch am anderen.

Wir messen den gleichen Druck am Ende eines jeden Schlauchs, aber wenn das Wasser zu fließen beginnt, ist die Durchflussmenge des Wassers im Tank mit dem schmaleren Schlauch geringer als die Durchflussmenge des Wassers im Tank mit dem breiterer Schlauch. Elektrisch gesehen ist der Strom durch den schmaleren Schlauch geringer als der Strom durch den breiteren Schlauch. Wenn der Durchfluss durch beide Schläuche gleich sein soll, müssen wir die Wassermenge (Ladung) im Tank mit dem schmaleren Schlauch erhöhen.

Schritt 4: Elektrischer Widerstand und Leitwert

In der hydraulischen Analogie ist der Strom, der durch einen Draht (oder Widerstand) fließt, wie Wasser, das durch ein Rohr fließt, und der Spannungsabfall über dem Draht ist wie der Druckabfall, der Wasser durch das Rohr drückt. Der Leitwert ist proportional dazu, wie viel Durchfluss bei einem bestimmten Druck auftritt, und der Widerstand ist proportional dazu, wie viel Druck erforderlich ist, um einen bestimmten Durchfluss zu erreichen. (Leitfähigkeit und Widerstand sind Kehrwerte.)

Der Spannungsabfall (d. h. die Differenz zwischen den Spannungen auf einer Seite des Widerstands und der anderen), nicht die Spannung selbst, liefert die treibende Kraft, die Strom durch einen Widerstand drückt. In der Hydraulik ist es ähnlich: Die Druckdifferenz zwischen zwei Seiten eines Rohres, nicht der Druck selbst, bestimmt den Durchfluss. Beispielsweise kann über dem Rohr ein hoher Wasserdruck herrschen, der versucht, Wasser durch das Rohr nach unten zu drücken. Unterhalb des Rohres kann jedoch ein ebenso großer Wasserdruck herrschen, der versucht, das Wasser wieder durch das Rohr nach oben zu drücken. Sind diese Drücke gleich, fließt kein Wasser. (Im Bild rechts ist der Wasserdruck unter dem Rohr Null.)

Der Widerstand und die Leitfähigkeit eines Drahtes, Widerstands oder anderen Elements werden hauptsächlich durch zwei Eigenschaften bestimmt:

• Geometrie (Form) und
• Material

Die Geometrie ist wichtig, da es schwieriger ist, Wasser durch ein langes, schmales Rohr zu drücken als durch ein breites, kurzes Rohr. Ebenso hat ein langer, dünner Kupferdraht einen höheren Widerstand (geringere Leitfähigkeit) als ein kurzer, dicker Kupferdraht.

Auch Materialien sind wichtig. Ein mit Haaren gefülltes Rohr schränkt den Wasserfluss stärker ein als ein sauberes Rohr gleicher Form und Größe. Ebenso können Elektronen frei und leicht durch einen Kupferdraht fließen, aber nicht so leicht durch einen Stahldraht der gleichen Form und Größe, und sie können im Wesentlichen überhaupt nicht durch einen Isolator wie Gummi fließen, unabhängig von seiner Form. Der Unterschied zwischen Kupfer, Stahl und Gummi hängt mit ihrer mikroskopischen Struktur und Elektronenkonfiguration zusammen und wird durch eine Eigenschaft namens spezifischer Widerstand quantifiziert.

Neben Geometrie und Material gibt es verschiedene andere Faktoren, die Widerstand und Leitwert beeinflussen.

Es liegt auf der Hand, dass wir bei gleichem Druck nicht so viel Volumen durch ein schmales Rohr passen können wie ein breiteres. Das ist Widerstand. Das schmale Rohr "widersteht" dem Wasserfluss, obwohl das Wasser den gleichen Druck hat wie der Tank mit dem breiteren Rohr.

Elektrisch gesehen wird dies durch zwei Stromkreise mit gleichen Spannungen und unterschiedlichen Widerständen dargestellt. Der Stromkreis mit dem höheren Widerstand lässt weniger Ladung zu, was bedeutet, dass der Stromkreis mit dem höheren Widerstand weniger Strom durchfließt.

Schritt 5: Ohmsches Gesetz:

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom durch einen Leiter zwischen zwei Punkten direkt proportional zur Spannung an den beiden Punkten ist. Führt man die Proportionalitätskonstante, den Widerstand ein, gelangt man zu der üblichen mathematischen Gleichung, die diesen Zusammenhang beschreibt:

wobei I der Strom durch den Leiter in Ampere ist, V die über den Leiter gemessene Spannung in Volt ist und R der Widerstand des Leiters in Ohm ist. Genauer gesagt besagt das Ohmsche Gesetz, dass R in dieser Beziehung unabhängig vom Strom konstant ist.

Das Gesetz wurde nach dem deutschen Physiker Georg Ohm benannt, der in einer 1827 veröffentlichten Abhandlung Messungen der angelegten Spannung und des Stroms durch einfache elektrische Schaltkreise mit unterschiedlichen Drahtlängen beschrieb. Ohm erklärte seine experimentellen Ergebnisse durch eine etwas komplexere Gleichung als die moderne Form oben (siehe Geschichte).

In der Physik wird der Begriff Ohmsches Gesetz auch verwendet, um auf verschiedene Verallgemeinerungen des ursprünglich von Ohm formulierten Gesetzes zu verweisen.