Lektion 12.docx

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Lektion12

Lektion1StromunddessenWärme-undLichtwirkung

Text1ElektrischerStrom

UnterelektrischemStromverstehtmandasWandernvonfreienElektronen,auchValenzelektronengenannt.Diesbedeutet,daßeinelektrischerStromnurinStoffenfließenkann,dieinihrenAtomenfreieElektronenhaben.

1Ionisation

Esistohneweiteresmöglich,einemAtomeinValenzelektronwegzunehmenoderzuzufügen.WurdeeinElektronweggenommen,wirddieNeutralitätdesAtomsaufgehoben.DurchdasFehlendesnegativgeladenenElektronswirktdasAtomnachaußenpositiv.EsentstehteinpositivesIon,einsogenanntesKation.

EineAnhäufungvonElektronenistz.B.vordemÜberspringeneinesFunkensvorhanden.HierwirddurchdieüberspringendenElektronendieGas-oderLuftstreckezwischendenPolenionisiert,d.h.eswerdenausdenGasatomenElektronenmitgerissen.DadurchentstehenpositivgeladenelonenzwischendenPolen,welchedieFunkenstreckefürdienegativgeladenenElektronenleitfähigmachen.

2Stromleitfähigkeit

DerAtomaufbaubzw.dieAnzahlderElektronenaufderjeweilsäußerenSchalebestimmtdaschemischeundphysikalischeVerhaltenderverschiedenenElemente.

Manunterscheidet:

ØLeiter

ØNichtleiter

ØHalbleiter

ElektrischeLeitersindStoffe,beidenendieäußereSchalederAtomenichtvollmitElektronenbesetztist.DiestrifftvorallembeiMetallenzu.DurchdenunterschiedlichenAufbauderStoffeistdieAnzahlderValenzelektronenverschieden.DadurchistdieLeitfähigkeitderStoffeunterschiedlich.MansprichtdeshalbauchvongutenundschlechtenLeitern.

NichtleitersindStoffe,dieinihrenAtomenkeineValenzelektronenhaben.EingroßerTeilderNichtmetallesindNichtleiter.Siewerdenalslsolatorenverwendet.

HalbleiternehmeneineSonderstellungein.SielassendenStromnurineinerRichtungfließen.ManverwendetsiedeshalbalsDiodenundTransistoren.

Text2Stromkreis

DerelektrischeStromistdiegerichteteBewegungvonElektroneninLeitern.

EinelektrischerStromfließtnur,wennderStromkreisverschlossenistundeineelektrischeSpannunganliegt.DerStromkreiswirdvielfachzumbesserenVerständnismiteinemWasserkreislaufverglichen.HierbeiistdiePumpederGenerator,derMotorwirdalsVerbraucherangesehen.

1ElektrischeSpannug

AlsSpannungsquelleverwendetmanmeisteineBatterieodereinenGenerator.UnterdemEinflußderSpannugsquelleergibtsicheineAnsammlungvonElektronen,diebeigeschlossenemStromkreisdurchdenLeiterfließen.DieHöhederSpannungwirddurchdenElektronenüberschußandemeinenPolunddenElektronenmangelandemanderenPolbestimmt.

DieSpannungwirdmitdemSpannungsmesserinVoltgemessen（VoltnachdemitalienischenPhysikerAlessandroVolta）.AnSteckdosenundSchalternkannmanauchmiteinemPhasenprüferfeststellen,obeineSpannuganliegt.DieGlimmlampedesPhasenprüfersleuchtet,weilderStromüberdenmenschlichenKörperzurErdefließt.DabeiwirdderStromimPhasenprüferdurcheinenSchutzwiderstandsobegrenzt,daßerfürdenMenschenungefährlichist.

ØGleichspannug

ØWechselspannug

DieWechselspannugwechseltihrePolaritätunddenWertderSpannung.DerzeitlicheVerlaufderSpannungslinieistsinusförmig.SieerreichtsowohleinenpositivenalsaucheinennegativenHöchstwert.DieshateinenständigenRichtungswechseldesElektronenstromeszurFolge.

2ElektrischerStrom

DerelektrischeStromistdiedurcheinenLeiterquerschnittfließendeZahlvonElektronenineinerZeiteinheit.Stromkannnurfließen,wenneineSpannunganliegtundderStromkreisgeschlossenist.

DasMaßfürdenStromistdasAmpére,benanntnachdemfranzösischenPhysikerAndréAmpére.DieGrößedeselektrischenStromeswirdmitdemindenStromkreisgeschaltetenStrommessergemessen.EsfließtdabeidergesamteStromüberdasMeßgerät.

AbhängigvonderSpannugundderSchaltungvonGeneratorenunterscheidetman

ØGleichstrom

ØWechselstrom

ØDrehstrom

DerGleichstromfließtdurchdasAnlegeneinerGleichspannugimmerineineRichtung.DieseRichtungwurdeinderTechnikvomPluspolzumMinuspolfestgelegt.

InWirklichkeitistdieBewegungsrichtungderElektronenentgegengesetzt.

DerWechselstromändertseineRichtungperiodisch.Erschwingtalsoständighinundher.DieSchwingungszahlproSekundewirdalsFrequenzbezeichnet.DieMaßeinheitfürdieFrequenzwirdnachdemdeutschenPhysikerHertzbenannt.EineSchwingungproSekundeisteinHertz.

DerDrehstrom,auchalsDreiphasen-Wechselstrombezeichnet,isteinStrom,beidemdreiWechselströmeaufeinemVierleitersystemzusammengefaßtsind.DiegemeinsameRückleitung,auchNulleitergenannt,istinderRegelgeerdet.DieAußenleiterführengegenüberdemNulleitereineSpannugvon220Volt.DieSpannungzwischendenAußenleiternbeträgt380Volt.Durchdieumjeweils120°versetzteAnordnungderWicklungenimGeneratorerreichtauchdieSpannungindenAußenleiternumjeweils120°zeitlichversetztihrenMaximalwert.DiesezeitlicheVerschiebungnenntmanPhasenverschiebung.DieFrequenzimStromversorgungsnetzderKraftwerkebeträgtinEuropa50Hertz.

3ElektrischerWiderstand

ElektrischeGerätesetzendieelektrischeEnergieinandereEnergieformenum.Sowirdz.B.ineinemMotordieelektrischeEnergieinmechanischeEnergieumgewandelt.InderGlühlampewirddieelektrischeEnergieinLichtundimHeizstrahlerinWärmeumgewandelt.AlleGerätewerdenalsStromverbraucherbezeichnet.SiesetzendemStromflußeinenWiderstandentgegen.

DieMaßeinheitfürdenWiderstandistdasOhm,benanntnachdemdeutschenPhysikerGeorgSimonOhm.Strom,SpannungundVerbraucherstehennachdemOhmschenGesetzineinembestimmtenVerhältnis.

DerdurcheinenWiderstandfließendeStromistumsogrößer,jegrößerdieSpannungundjekleinerderWiderstandist.Darausergibtsich,daßjedesGerätnurmitdervorgegebenenSpannungbetriebenwerdendarf.EinehöhereSpannunghatineinemGerätmitgegebenemWiderstandeinenhöherenStromzurFolge.DiesführtzurÜberbelastungundsomitzurZerstörungdesGerätes.EinezuniedereSpannungergibteinenzukleinenStrom,dasGerätkannseinegeforderteLeistungnichterbringen.

4ElektrischeLeistung

DieLeistungistdasProduktausSpannungundStromstärke.DievorgeschriebeneSpannungunddieLeistungsaufnahmeistbeielektrischenGerätenaufdemTypenschildangegeben.DieMaßeinheitfürdieLeistungistdasWatt,benanntnachdemenglischenPhysikerJamesWatt.

5ElektrischeArbeit

DieelektrischeArbeitergibtsichausderLeistungsaufnahmeundderBetriebsdauerdesGerätes.DiedabeidemStromnetzentnommeneArbeitwirdinKilowattstundengemessen.

DiekleinsteMaßeinheitfürArbeitistdieWattsekunde（Ws）.

1Ws=1Joule.1JouleistdieArbeit,dieeinelektrischerStromvon1Averrichtet,wenner1SekundelangdurcheinenWiderstandvon1Ωfließt.

6Schaltkreis

BeiSchaltungenvonWiderständenbzw.VerbrauchernunterscheidetmanParallelschaltungundReihenschaltung.

Parallelschaltung

WerdenmehrereGeräteaneinenStromkreisparallelangeschlossen,erhaltenallediegleicheBetriebsspannung.EsfließtaufgrunddesgegebenenWiderstandesinjedemGerätderentsprechendeStrom.DieSummederEinzelströmeergibtdenGesamtstrom.DieseSchaltungsartwirddortangewandt,woineinemStromkreisGerätebeliebigzu-undabgeschaltetwerden,z.B.amöffentlichenStromnetzundinKraftfahrzeugen.

Reihenschaltung

BeiderReihenschaltungwerdendieWiderständehintereinandergeschaltet.DerStromfließtderReihenachdurchalleWiderstände.DieshatzurFolge,dassinallenhintereinanderliegendenWiderständendergleicheStromfließt.DieGrößedesStromeswirddurchdenGesamtwiderstandallerEinzelwiderständebestimmt.

BeiderReihenschaltungistdieSummederTeilspannungen,hinterdenWiderständenabgegriffen,gleichderamEingangderReihenschaltungangelegtenGesamtspannung.DerdeutschePhysikerKirchhoffhatdieseKirchhoff'scheRegelaufgestellt.

DieReihenschaltungwirdz.B.beiChristbaum-Beleuchtungenangewandt.IsteineGlühlampedefekt,istderStromkreisunterbrochen.SomitbrennenauchalleanderenGlühlampendiesesStromkreisesnichtmehr.

Text3WärmewirkungundLichtwirkung

DieEnergiedeselektrischenStromswirddurchdenWiderstandinWärmeenergieumgewandelt.InBügeleisen,Kochplatten,Lötkolbenusw.sindHeizwendelnmitentsprechendemWiderstandeingebaut.DiesewerdendurchdenelektrischenStromerhitztundgebenWärmeab.

UmeinDurchbrennenderHeizwendelzuverhindern,werdenbesondereLegierungen,wiez.B.WolframundNickellegierungen,fürdieHerstellungderWendelverwendet.DieseLegierungenhabendieEigenschaft,daßsieihrenWiderstandmitzunehmenderTemperaturstarkerhöhenundsomitdenStromverringern.

DadieZuleitungenzudenVerbraucherndemStromeinenWiderstandentgegensetzen,erwärmensichdieseLeitungenebenfalls.UmzuhoheTemperaturenzuvermeidenunddamitauchdenSpannungsabfallbiszumVerbraucherzuverringern,istdiezulässigeStromdichteprommLeiterquerschnittfestgelegt.EineFreileitungkannmitgrößererStromdichtebelastetwerdenalseineSpulenwickungmitschlechterWärmeabführung.

NichtfestangezogeneAnschlußklemmenführenzueinemÜbergangs-widerstandunddadurchzuWärmeentwicklung.EinebesondereArtderWärmewirkungentstehtbeimLichtbogenschweißen.HierwirdbeimÜberspringenderElektronenaufdasWerkstückdieSchweißelektrodeamEndesostarkvondemLichtbogenerhitzt,daßdieElektrodeabschmilztunddasflüssigeMetallmiteinanderverschweißt.

InderGlühlampewirdeindünnerDrahtdurchdenelektrischenStromsostarkerhitzt,daßerhellglühtundsomitLichtausstrahlt.DerGlaskolbenderGlühlampeistmeistmitStickstoffodereinemEdelgasgefüllt.UmbesondershoheGlühtemperaturenundsomitno