Elektrischer Strom ist die Bewegung elektrisch geladener Teilchen.
Die geladenen Teilchen können z.B. Elektronen oder Ionen sein. Bei Elektronen spricht man von elektrischem Strom (oder meist auch nur Strom), bei Ionen von Ionenstrom. Im Allgemeinen spricht man auch von der Bewegung von Ladungen.
Achtung: „Strom“ ist das Phänomen der sich bewegenden Ladungen, „Stromstärke“ ist die physikalische
Größe, die gemessen wird.
Das verwendete Formelzeichen für die Stromstärke ist $I$, von Intensität, die Einheit ist das Ampère.
$$
[I] = 1 \text{ A}
$$
Gemessen wird, wie viele Ladungen pro Sekunde an der Messstelle vorbei fließen. Je mehr Ladungen fließen und/oder je schneller die Ladungen fließen, desto größer ist die Stromstärke.
Um die Stromstärke zu messen, muss sich das Messgerät in der Leitung befinden. Man sagt, dass das Stromstärkemessgerät in Reihe zum Verbraucher eingebaut wird. Wichtige Voraussetzung für die Messung ist allerdings, dass das Messgerät den Stromfluss nicht behindert. Ein Stromstärkemessgerät muss einen sehr kleinen Widerstand (Innenwiderstand) haben.
Der Einbau zweier Bauteile in Reihe bedeutet, dass ein einzelner Strompfad nacheinander durch die Bauteile führt.
Die Spannung ist die Ursache und der Antrieb des elektrischen Stroms. Dabei gilt, dass die Stromstärke umso größer ist, je größer die Spannung ist.
Strom bedeutet, dass sich Ladungen bewegen. Die Bewegung findet statt, weil Ladungen sich so verteilen, dass überall die gleiche Konzentration, bzw. die gleiche Anzahl an Ladungen vorhanden ist. Stromfluss bedeutet demnach ein Ausgleich von Ladungsunterschieden.
Spannung kann so auch definiert werden als Ladungsdifferenz. Je größer die Ladungsdifferenz ist, desto größer ist die Spannung.
Das Formelzeichen ist $U$, die Einheit ist das Volt. $$ [U] = 1 \text{ V} $$
Die Spannung kann auch gedeutet werden als die zur Verfügung stehende Energie. Wird nun ein Verbraucher von einem Strom durchflossen, geben die Ladungsträger kleine Energiemengen an den Verbraucher ab, der die Energie umwandelt. Damit ist die zur Verfügung stehende Energie vor dem Verbraucher größer als nach dem Verbraucher. Man spricht davon, dass an dem Verbraucher eine bestimmte Spannung abfällt.
Um diesen Spannungsabfall zu messen, muss das Spannungsmessgerät parallel zum Verbraucher eingebaut werden. Durch das Spannungsmessgerät darf kein Strom fließen, damit der gesamte Stromfluss durch den Verbraucher führt. Das Spannungsmessgerät muss einen sehr großen Widerstand (Innenwiderstand) haben.
Parallel eingebaute Bauteile bedeutet, dass sich ein Strompfad an einem Knotenpunkt aufteilt, gleichzeitig durch die parallelen Bauteile führt und anschließend wieder zusammen als ein Pfad weiterführt.
Widerstand ist die Behinderung des Stroms. Hier gilt der Zusammenhang, dass die Stromstärke sinkt, wenn der Widerstand zunimmt.
Das Formelzeichen ist $R$ (resistance), die Einheit ist das Ohm. $$ [R] = 1 \, \Omega $$ Das Einheitenzeichen ist das große griechische Omega, man spricht aber "Ohm".
Der Kehrwert des Widerstands wird als Leitfähigkeit bezeichnet. Sie beschreibt die Fähigkeit eines Materials oder eines Bauteils, den elektrischen Strom zu leiten. Das Formelzeichen für die Leitfähigkeit ist $G$, die Einheit das Siemens $$ [G] = 1 \text{ S} $$ Es gilt der Zusammenhang: $G = \frac{1}{R}$.
Um das ohmsche Gesetz zu überprüfen, wird ein Widerstand an eine Spannungsquelle angeschlossen. Daraufhin wird bei unterschiedlichen Spannungen die Stromstärke gemessen, die durch den Widerstand fließt (Versuch 1). Im Anschluss wird bei konstanter Spannung der Widerstand verändert (Versuch 2).
Der Stromkreis dazu sieht so aus:
Für den ersten Versuch wurde ein Widerstand von 100 Ω verwendet. Die Spannungen wurden variiert (5 V, 10 V, 15 V) und die
jeweilige Stromstärke gemessen.
| Widerstand in Ω |
Spannung in V |
Stromstärke in A |
|---|---|---|
|
100 100 100 |
5 10 15 |
0,05 0,1 0,15 |
| Widerstand in Ω |
Spannung in V |
Stromstärke in A |
|---|---|---|
|
50 100 150 |
5 5 5 |
0,1 0,05 0,03 |
Trägt man die Ergebnisse des ersten Versuch in ein $U-I-$Diagramm ein, erhält man eine Ursprungsgerade. Die
Steigung dieser Geraden entspricht der Leitfähigkeit des Widerstands. Führt man den Versuch mehrfach mit unterschiedlichen
Widerständen durch, erhält man z.B. die rechts stehende Darstellung.
Je größer der Widerstand, desto flacher die Gerade.
Das Ohmsche Gesetz gilt nur für konstante, d.h temperaturunabhängige Widerstände (bzw. Leitfähigkeiten).
Wenn es sich um einen ohmschen Widerstand handelt, gelten die folgenden formalen Zusammenhänge:
\begin{align}
U = R \cdot I \\ \\
I = \frac{U}{R} \\ \\
R = \frac{U}{I}
\end{align}
Das ist das sogenannte Ohmsche Gesetz, entdeckt von Georg Simon Ohm (in der endgültigen Form) 1827. Das Gesetz besagt im
Wesentlichen, dass die Spannung und die Stromstärke proportional zueinander sind. Der Proportionalitätsfaktor wird als Widerstand $R$
bezeichnet.
Im Falle der Leitfähigkeit wird das Ohmsche Gesetz zu: $$ I = G \cdot U $$ Weil der elektrische Strom erst fließen kann, wenn eine Spannung vorhanden ist, ist die Betrachtung mit Hilfe der Leitfähigkeit die physikalisch sinnvollere, da der Zusammenhang, nämlich die Proportionalität zwischen Stromstärke und Spannung in der Form $I = G \cdot U$, dann auch mathematisch sinnvoll ist.
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