Grundlagen der Elektrizitätslehre

In der Elektrizitätslehre beschäftigen wir uns mit elektrischen Ladungen, Strom und Stromkreisen. Wenn du verschiedene Körper aneinander reibst, können sie sich elektrisch aufladen. Ungleichnamig geladene Körper ziehen sich an, während sich gleichnamig geladene Körper abstoßen.

Am Elektroskop kannst du diese Ladungen nachweisen. Je stärker ein Kunststab gerieben wird, desto stärker schlägt der Zeiger aus. Das zeigt: Elektrische Ladungen kommen in unterschiedlich großen "Portionen" vor.

Die elektrische Ladung gibt an, wie groß der Elektronenmangel oder -überschuss eines Körpers ist. Hat ein Körper einen Elektronenüberschuss, ist er negativ geladen. Bei einem Elektronenmangel ist er positiv geladen. Die Ladung wird mit dem Formelzeichen Q angegeben und in der Einheit Coulomb (C) gemessen.

💡 Atome sind die Grundbausteine: Jedes Atom besteht aus einem Kern mit positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen, sowie einer Hülle aus negativen Elektronen. Ein neutrales Atom hat genau so viele Elektronen wie Protonen.

Mit Hilfe von Feldlinien können wir elektrische Felder veranschaulichen. Je mehr Feldlinien in einem Gebiet verlaufen, desto stärker ist die Kraft, die auf einen geladenen Körper wirkt. Feldlinien entspringen immer aus positiven Ladungen (Quellen) und enden in negativen Ladungen (Senken).

Elektrische Felder und Strom

Es gibt zwei Arten von elektrischen Feldern: homogene Felder mit parallel verlaufenden Feldlinien (wie zwischen zwei unterschiedlich geladenen Platten) und inhomogene Felder, deren Feldlinien nicht parallel verlaufen (z.B. zwischen zwei geladenen Kugeln). Ein Spezialfall ist das Radialfeld einer einzelnen geladenen Kugel, bei dem die Feldlinien vom oder zum Mittelpunkt verlaufen.

Wenn es zu einem Ladungsausgleich kommt (wie bei einem Blitz), werden Ladungen übertragen. Die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern nennen wir elektrischen Strom. Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung sich in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Leiters bewegt. Sie wird mit dem Formelzeichen I angegeben, in der Einheit Ampere (A) gemessen und mit einem Amperemeter nachgewiesen.

Damit Strom fließen kann, brauchen wir Elektrizitätsquellen. Diese versetzen elektrische Ladungen in Bewegung. Beispiele dafür sind Solarzellen, Generatoren (wie dein Fahrraddynamo), Batterien und Netzgeräte.

💡 Strom hat viele Wirkungen: Lichtwirkung (Lampen, Displays), magnetische Wirkung (Türklingeln, Elektromotoren), Wärmewirkung (Herd, Föhn) und chemische Wirkung (Elektrolyse).

Der elektrische Stromkreis

Ein einfacher elektrischer Stromkreis besteht aus einer Elektrizitätsquelle (z.B. Batterie), einem elektrischen Gerät (z.B. Lampe) und elektrischen Leitungen (meist aus Kupfer). Wichtig zu wissen: Elektrischer Strom kann nur in einem geschlossenen Kreis fließen! Elektrische Stromkreise werden in Schaltplänen mit standardisierten Symbolen dargestellt.

Zum Messen von Stromstärke und Spannung benutzt man Amperemeter und Voltmeter. Diese Messgeräte haben Anschlussbuchsen, Skalen und Einstellmöglichkeiten für Gleich- oder Wechselstrom sowie verschiedene Messbereiche.

Beim Umgang mit diesen Messgeräten solltest du einige wichtige Dinge beachten: Wähle zuerst zwischen Gleich- und Wechselstrom, stelle zu Beginn immer den höchsten Messbereich ein und wechsle zu einem kleineren Messbereich, wenn der Zeigerausschlag zu klein ist.

💡 Messgeräte richtig anschließen: Das Amperemeter wird in Reihe zum Verbraucher geschaltet, das Voltmeter parallel zum Bauteil, dessen Spannung du messen willst.

Elektrische Spannung und Kennlinien

Die elektrische Spannung gibt an, wie stark der Antrieb des Stromes durch eine Elektrizitätsquelle ist. Sie zeigt, wie stark die Ladungsträger in Bewegung versetzt werden. Das Formelzeichen ist U, die Einheit Volt (V) und gemessen wird sie mit einem Voltmeter.

Beim Messen musst du das Voltmeter immer parallel zu dem Bauteil schalten, dessen Spannung du messen möchtest. Im Gegensatz dazu wird das Amperemeter in Reihe geschaltet.

Eine Kennlinie zeigt grafisch die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung für ein bestimmtes Bauteil. Um sie zu erstellen, misst du für verschiedene Spannungen jeweils die zugehörige Stromstärke und trägst die Werte in ein I$U$-Diagramm ein. Aus dieser Kurve kannst du dann wichtige Erkenntnisse über das Verhalten des Bauteils gewinnen.

💡 Übungsaufgaben Stromstärke, Spannung, Widerstand helfen dir, diese Zusammenhänge zu verstehen. Probiere selbst eine Kennlinie für eine Glühlampe zu erstellen und zu interpretieren!

Das Ohm'sche Gesetz und Widerstände

Das Ohm'sche Gesetz wurde nach Georg Simon Ohm benannt und beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung U und Stromstärke I. Es gilt nur, wenn die Temperatur während des Vorgangs konstant bleibt! Bei einer Glühlampe ändert sich die Temperatur mit steigender Stromstärke, weshalb sich auch der Widerstand ändert.

Der elektrische Widerstand gibt an, wie stark Ladungsträger bei ihrer Bewegung durch einen Leiter behindert werden. Er hat das Formelzeichen R und die Einheit Ohm $Ω$. Die Formel lautet: R = ρ · l/A (Widerstandsgesetz).

Anschaulich kannst du dir das so vorstellen: Die Ladungsträger (freie Elektronen) bewegen sich im elektrischen Feld von Minus zum Pluspol. Die Atome im Leiter schwingen um ihre Ruhelage, und die Elektronen stoßen mit ihnen zusammen, was ihre Bewegung behindert.

💡 Unterschiede in den Kennlinien: Bei einem Festwiderstand ist die Kennlinie eine Gerade (U ~ I), der Widerstand bleibt konstant. Bei einer Glühlampe ist die Kennlinie gekrümmt, da sie ein Kaltleiter ist – ihr Widerstand steigt mit zunehmender Temperatur.

Die Kenntnisse über Widerstände werden vielfältig angewendet, zum Beispiel in Widerstandsthermometern, Vorwiderständen in LEDs oder in Schutzschaltungen gegen zu starke Erwärmung.

Widerstandsgesetze

Das Widerstandsgesetz beschreibt, wie sich der elektrische Widerstand eines Leiters berechnet: R = ρ · l/A. Dabei ist ρ der spezifische elektrische Widerstand des Materials in Ω·mm²/m, l die Länge des Leiters in m und A die Querschnittsfläche in mm².

Der Widerstand ändert sich, wenn du verschiedene Materialien verwendest, die Dicke oder die Länge des Leiters änderst. Aus dem Widerstandsgesetz ergeben sich wichtige Zusammenhänge:

1. Der Widerstand ist proportional zum spezifischen Widerstand des Materials (R ~ ρ). Je größer der spezifische Widerstand, desto größer ist der elektrische Widerstand.

2. Der Widerstand ist proportional zur Länge des Leiters (R ~ l). Je länger ein Leiter ist, desto größer ist sein Widerstand.

3. Der Widerstand ist indirekt proportional zur Querschnittsfläche (R ~ 1/A). Je größer die Querschnittsfläche, desto kleiner ist der Widerstand.

💡 Beispielaufgabe: Ein Kupferdraht mit einer Länge von 0,5 m und einer Querschnittsfläche von 1,5 mm² hat einen spezifischen Widerstand von 0,017 Ω·mm²/m. Sein Widerstand beträgt dann R = 0,017 Ω·mm²/m · $0,5m/1,5mm²$ = 0,0057 Ω.

Bei Physik Stromkreis Übungen Klasse 8 kannst du dein Verständnis der Widerstandsgesetze vertiefen und anhand von Berechnungen überprüfen, ob du alles richtig verstanden hast.