Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen. Die Begriffe „elektrischer Strom“ und „Elektrizität“ sind jedem Menschen vertraut und werden in Gebäuden für Beleuchtung (Lampen, Scheinwerfer), im Transportwesen, in Fabriken usw. verwendet. Um zu verstehen, was elektrischer Strom ist, muss man sich mit einer Vielzahl von Phänomenen vertraut machen.
Elektrisieren des Körpers
Die alten Griechen bemerkten, dass Bernstein, wenn er mit Wolle gerieben wird, andere Objekte anzieht. Die alten Griechen nannten es „Elektron“ wegen seiner Fähigkeit, Objekte anzuziehen. Daher stammt der Begriff „Elektrizität“.
Ein Körper, der nach dem Reiben Objekte anzieht, wird als elektrisiert bezeichnet. Das Wissen über die Struktur von Atomen hilft, die Elektrifizierung von Körpern zu verstehen.
Im Zentrum eines Atoms befindet sich ein Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht, und Elektronen bewegen sich um den Kern. Ein Atom als Ganzes hat keine Ladung, es ist neutral, da die positive Ladung seines Kerns der negativen Ladung aller seiner Elektronen entspricht.
Ein Atom, das ein oder mehrere Elektronen verliert, ist nicht mehr neutral, sondern hat eine positive Ladung. Es wird dann als positiver Ion bezeichnet.
Ein überschüssiges Elektron, das einem neutralen Atom hinzugefügt wird, macht das Atom zu einem negativen Ion.
Unter normalen Bedingungen hat ein Körper die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen. Alle Elektronen sind gleich und tragen die kleinste negative Ladung. Alle Protonen sind ebenfalls gleich und tragen eine positive Ladung, die der Ladung eines Elektrons entspricht. Daher ist die Summe aller negativen Ladungen im Körper gleich der Summe aller positiven Ladungen, und der Körper als Ganzes hat keine Ladung: er ist elektrisch neutral.
Wenn ein neutraler Körper Elektronen von einem anderen Körper erhält, wird er negativ geladen. Ein negativ geladener Körper hat einen Überschuss an Elektronen.
Wenn ein neutraler Körper Elektronen verliert, wird er positiv geladen. Ein Körper ist positiv geladen, wenn ihm Elektronen fehlen.
Ein Körper erhält eine elektrische Ladung oder wird elektrisiert, wenn er Elektronen erhält oder verliert.
Wenn beispielsweise ein Ebonitstab an Wolle gerieben wird, wird der Ebonit negativ geladen, während die Wolle positiv geladen wird. Durch das Reiben wechseln Elektronen von der Wolle auf den Ebonit, von dem Material, in dem die Anziehungskräfte zum Atomkern schwächer sind, auf das Material, in dem diese Kräfte stärker sind. Der Ebonitstab hat dann einen Überschuss an Elektronen, während der Wolle Elektronen fehlen. Die Ladungen von Wolle und Ebonit sind absolut gleich, da die Wolle genauso viele Elektronen verloren hat, wie der Ebonit erhalten hat. Daher werden bei der Elektrifizierung von Objekten keine Ladungen erzeugt, sondern nur getrennt: Ein Teil der negativen Ladungen wechselt von einem Objekt zum anderen.
Die Elektronen, die sich in einem Atom bewegen und weiter vom Kern entfernt sind, werden weniger stark von ihm angezogen als die näheren Elektronen. Insbesondere werden diese entfernten Elektronen von den Atomen der Metalle sehr schwach gehalten. Die Elektronen, die am weitesten vom Kern entfernt sind, verlassen ihren Platz und bewegen sich frei zwischen den Atomen. Solche Elektronen werden als freie Elektronen bezeichnet. Es sind gerade diese freien Elektronen, die einen elektrischen Strom erzeugen.
Leiter, Halbleiter, Dielektrika
Substanzen, die freie Elektronen enthalten, werden als Leiter bezeichnet, während Substanzen, in denen die Elektronen fest an ihren Atomen gebunden sind und nicht frei bewegt werden können, als Nichtleiter oder Dielektrika bezeichnet werden. Neben Leitern und Dielektrika gibt es eine Gruppe von Substanzen, deren Leitfähigkeit zwischen Leitern und Dielektrika liegt. Diese Substanzen leiten Elektrizität nicht so gut wie Leiter, aber auch nicht so schlecht wie Dielektrika. Daher werden sie als Halbleiter bezeichnet. Diese Substanzen leiten oder leiten keinen Strom, abhängig von den auf sie einwirkenden Einflüssen. Zum Beispiel leitet Silizium bei niedriger Temperatur den elektrischen Strom schlecht, aber unter dem Einfluss von Licht oder Wärme nimmt die Leitfähigkeit zu.
Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen.
Um in einem Leiter Strom zu erzeugen, muss ein elektrisches Feld darin erzeugt werden. Unter der Wirkung dieses Feldes beginnen freie Elektronen, sich in Richtung der auf sie wirkenden elektrischen Kräfte zu bewegen. Wenn der Körper seine Ladung verliert, verschwindet das elektrische Feld im Leiter, und gleichzeitig verschwindet der elektrische Strom.
Ein elektrisches Feld ist der Raum um einen elektrischen Ladung. Die Kraft, mit der das elektrische Feld auf eine darin platzierte elektrische Ladung wirkt, wird als elektrische Kraft bezeichnet.
Damit ein elektrischer Strom in einem Leiter über einen längeren Zeitraum existieren kann, muss das elektrische Feld in ihm ständig aufrechterhalten werden. Diese Funktion wird von Stromquellen erfüllt. Stromquellen gibt es in verschiedenen Ausführungen, und in jedem von ihnen erfolgt die Arbeit zur Verteilung von negativen und positiven geladenen Teilchen. Getrennte Teilchen sammeln sich an den Polen der Stromquelle an. In Stromquellen erfolgt während des Betriebs die Umwandlung von mechanischer, chemischer oder anderer Energie in elektrische Energie durch die Verteilung der Teilchen.
Wirkung des elektrischen Stroms
Es ist unmöglich, die sich bewegenden Elektronen im Leiter oder die Ionen in einem Elektrolyten zu sehen. Auf die Existenz von Strom kann man durch die Phänomene schließen, die normalerweise durch elektrischen Strom verursacht werden, und diese Phänomene werden als Wirkungen des Stroms bezeichnet.
Wärmebildung durch Strom.
Es ist bekannt, dass die Temperatur des Leiters ansteigt, wenn Strom durch ihn fließt. Diese Leiter können verschiedene Metalle oder deren Legierungen, Halbmetalle oder Halbleiter sowie Elektrolyte und Plasmen sein. Zum Beispiel erwärmt sich ein Draht aus Nichrom erheblich, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt.
Ein Stück Draht erwärmt sich, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt. Je mehr Strom im Leiter fließt, desto mehr erwärmt er sich. Die Länge des erwärmten Leiters nimmt zu.
Chemische Wirkung des Stroms.
Die chemische Wirkung zeigt sich darin, dass beim Durchfließen von elektrischem Strom verschiedene chemische Reaktionen ausgelöst werden können. Substanzen setzen sich an den Elektroden – den Platten, die in die Lösung eingetaucht sind und mit der Stromquelle verbunden sind – ab. Bei der Elektrolyse zieht die Anode Anionen an und die Kathode Kationen an. Diese Wirkung des Stroms wird in der Galvanoplastik verwendet, um einige Oberflächen mit Metall zu beschichten. Verfahren wie Vernickeln, Versilbern, Verchromen sowie Verschließen und Vergolden von Oberflächen werden angewendet.
Magnetische Wirkung des Elektrischer Strom.
In jedem Leiter (fest, flüssig oder gasförmig) entsteht aufgrund des Vorhandenseins von elektrischem Strom ein Magnetfeld um den Leiter herum, d.h. der Leiter mit Strom erwirbt magnetische Eigenschaften. Die Natur des Magnetfelds besteht immer darin, dass es einen elektrischen Strom gibt.
Mechanische Wirkung des Stroms.
Um einen elektrischen Strom in einem Leiter zu erzeugen, muss ein elektrisches Feld darin erzeugt werden. Unter der Wirkung dieses Feldes beginnen freie Elektronen, sich in Richtung der auf sie wirkenden elektrischen Kräfte zu bewegen. Wenn der Körper seine Ladung verliert, verschwindet das elektrische Feld im Leiter, und gleichzeitig verschwindet der elektrische Strom.
Die Wirkung des Stroms kann unterschiedlich intensiv sein – stärker oder schwächer. Die Intensität hängt von der Ladung ab, die pro Zeiteinheit – Sekunde – durch den Stromkreis fließt. Wenn ein freies geladenes Teilchen durch einen elektrischen Kreislauf bewegt wird, gibt es eine Verschiebung der Ladung. Je mehr Teilchen von einem Pol zum anderen verschoben werden, desto größer ist die Gesamtladung, die von den Teilchen übertragen wird. Diese Gesamtladung wird als die Menge an Elektrizität bezeichnet, die durch den Leiter fließt. Je mehr Elektrizität pro Querschnitt des Leiters in 1 s fließt, desto stärker ist der Strom im Leiter.
Die Stromstärke
Die Größe, die numerisch der Menge an Elektrizität (geladenen Teilchen) entspricht, die in einer Sekunde durch einen Querschnitt des Leiters fließt, wird als Stromstärke bezeichnet. Um die Stromstärke in einem Stromkreis zu bestimmen, muss die Menge an Strom, die durch ihn fließt, durch die Zeit geteilt werden, in der er fließt.
Elektrischer Strom
I – Stromstärke;
q – Menge an Elektrizität oder Elektrizitätsladung (Coulombs);
t – Zeit.
Die Stromstärke ist eine physikalische Größe, die gemessen werden muss, um sie zu bestimmen. Diese Einheit wird Ampere (A) genannt, benannt nach dem französischen Wissenschaftler André-Marie Ampère. Auf der Internationalen Konferenz für Maße und Gewichte im Jahr 1948 wurde beschlossen, die Definition der Stromstärke auf das Phänomen der Wechselwirkung von zwei stromführenden Leitern zu stützen. Am 16. November 2018 wurde jedoch auf der 26. Generalkonferenz für Maße und Gewichte eine neue Definition des Ampere angenommen.
Alte Definition
Zwei flexible gerade Leiter sind parallel zueinander angeordnet. Beide Leiter sind mit einer Stromquelle verbunden. Wenn der Kreis geschlossen ist, fließt Strom durch die Leiter, wodurch sie miteinander interagieren – sie ziehen sich an oder stoßen sich ab – abhängig von der Richtung der Ströme in ihnen. Die Wechselwirkungskraft kann gemessen werden, und diese Kraft hängt von der Länge der Leiter, dem Abstand zwischen ihnen, der Umgebung und vor allem von der Stromstärke in den Leitern ab. Wenn alle Bedingungen gleich sind, außer der Stromstärke, interagieren sie umso stärker miteinander, je größer die Stromstärke in jedem Leiter ist.
Stellen Sie sich vor, die parallelen Leiter sind sehr dünn und unendlich lang. Der Abstand zwischen ihnen beträgt 1 m, und sie befinden sich im Vakuum. Die Stromstärke ist gleich.
In der alten Definition wurde die Einheit der Stromstärke als die Stromstärke definiert, bei der Abschnitte solcher paralleler Leiter mit einer Länge von 1 m eine Wechselwirkungskraft von 2·10-7 N (0,0000002 N) aufweisen.
Neue Definition
Die Idee bestand darin, dass die neue Definition nicht auf von Menschen geschaffenen Artefakten beruhen sollte, die durch ein hypothetisches Experiment entstanden sind, sondern auf grundlegenden physikalischen Konstanten oder Eigenschaften von Atomen.
Daher wird die neue Definition nur durch eine Konstante ausgedrückt – die Elementarladung.
Neue Definition: basierend auf dem numerischen Wert der Elementarladung. Die am 20. Mai 2019 in Kraft getretene Formulierung besagt: Das Ampere, Symbol A, ist die Einheit des elektrischen Stroms im SI. Es wird definiert, indem der numerische Wert der Elementarladung als 1,602 176 634·10-19 C (Coulombs) festgelegt wird, wenn er in der Einheit C (Coulomb) ausgedrückt wird, die folgendermaßen definiert ist:
1 Coulomb = 1 Ampere × 1 Sekunde
oder
1 Ampere = 1 Coulomb/1 Sekunde
Die Stromstärke wird mit Amperemetern oder Multimetern gemessen. Sie wird auf der Skala mit dem Buchstaben A gekennzeichnet und in Schaltplänen als Kreis mit dem Buchstaben A im Inneren dargestellt.
Bei der Messung der Stromstärke wird das Amperemeter in Reihe mit dem Gerät geschaltet, dessen Stromstärke gemessen werden soll. Der gesamte Strom fließt durch das Amperemeter, um keinen zusätzlichen Widerstand im Stromkreis zu erzeugen, sollte der Widerstand des Amperemeters gering sein.
Die elektrische Spannung
In jedem geschlossenen Stromkreis verrichtet der elektrische Strom Arbeit. Man kann sagen, dass die Arbeit von der Stromstärke abhängt, sie hängt jedoch von einer weiteren Größe ab, die als elektrische Spannung bezeichnet wird.
Die elektrische Spannung an den Enden eines Abschnitts des Stromkreises entspricht numerisch der Arbeit, die bei der Passage eines positiven Ladungsträgers durch diesen Abschnitt verrichtet wird. Je größer die Arbeit ist, desto größer ist die Spannung an den Enden des Abschnitts des Stromkreises. Die Spannung wird mit dem Buchstaben U bezeichnet.
Die Maßeinheit der Spannung heißt Volt und wird zu Ehren des italienischen Wissenschaftlers Alessandro Volta mit (V) abgekürzt.
1 Volt – dies ist die Spannung, bei der auf einem Abschnitt des Stromkreises Arbeit verrichtet wird, die 1 Joule entspricht, wenn 1 Coulomb Elektrizität oder eine elektrische Ladung durch diesen Abschnitt fließt.
Voltmeter werden zur Messung der Spannung verwendet. Voltmeter werden immer parallel angeschlossen. Die Klemmen des Voltmeters werden an diejenigen Punkte des Stromkreises angeschlossen, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll.
Der elektrische Widerstand
Der Widerstand (elektrischer Widerstand) ist die Eigenschaft eines jeden Leiters, dem elektrischen Strom, der durch ihn fließt, Widerstand zu leisten. Je dünner und länger der Leiter ist, desto größer ist sein elektrischer Widerstand. Das Material, aus dem er hergestellt ist, spielt ebenfalls eine große Rolle.
Wenn die Elektronen im Leiter keine Hindernisse für ihre Bewegung hätten, würden sie sich aufgrund ihrer Trägheit unbegrenzt lange ohne die Einwirkung eines elektrischen Feldes bewegen. Tatsächlich interagieren Elektronen jedoch mit den Ionen des kristallinen Gitters, was die geordnete Bewegung verlangsamt, den Strom verringert und die Temperatur erhöht.
Um den Widerstand zu berechnen, muss die Spannung an den Enden des Leiters durch die Stromstärke geteilt werden.
Die Einheit des Widerstands ist der Ohm, und ein Ohm entspricht dem Widerstand eines Leiters, bei dem bei einer Spannung von 1 Volt an seinen Enden der Strom 1 Ampere beträgt.
Das Ohmsche Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises
Es wurden drei Größen betrachtet: Stromstärke, Spannung und Widerstand. Diese Größen sind miteinander verbunden.
Die Abhängigkeit der Stromstärke von der an den Enden eines Abschnitts des Stromkreises angelegten Spannung und dem Widerstand dieses Abschnitts wird als das Ohmsche Gesetz bezeichnet. Es ist nach dem deutschen Wissenschaftler Georg Simon Ohm benannt, der dieses Gesetz im Jahr 1827 entdeckte.
Das Ohmsche Gesetz lautet wie folgt: Die Stromstärke in einem Leiter ist direkt proportional zur angelegten Spannung und umgekehrt proportional zum Widerstand des Leiters.
I – Stromstärke;
U – Spannung;
R – Widerstand.
Arbeit des elektrischen Stroms
Die Spannung an den Enden eines Abschnitts eines Stromkreises entspricht numerisch der Arbeit, die bei der Durchführung eines Coulombs verrichtet wird. Wenn nicht nur ein Coulomb, sondern mehrere durchgehen, wird entsprechend mehr Arbeit verrichtet.
Die Arbeit des Stroms ist eine physikalische Größe, die die Änderung der elektrischen Energie des Stroms charakterisiert – ihre Umwandlung in andere Formen.
Bei der Bewegung von Ladungen in einem elektrischen Kreis wird Arbeit verrichtet. Numerisch kann die Arbeit, die bei der Übertragung einer elektrischen Ladung q zwischen zwei Punkten verrichtet wird, zwischen denen eine Spannung U herrscht, durch die Formel bestimmt werden.
A = U
A – Arbeit;
U – Spannung
q – Menge an Elektrizität (Anzahl der elektrischen Ladungen)
Die Menge an Elektrizität, die durch einen Abschnitt des Kreises fließt, wird berechnet als:
q = It
Durch Verwendung dieses Verhältnisses erhalten wir die Formel für die Arbeit des Stroms, die bequem für Berechnungen ist:
A = UIt
Die Arbeit des elektrischen Stroms, die in einem Abschnitt des Kreises verrichtet wird, ist direkt proportional zur Stromstärke im Stromkreis, zur Spannung in diesem Abschnitt und zur Zeit der Stromwirkung.
Die Arbeit wird in Joule gemessen: 1 Joule = 1 Volt
Die Arbeit des Stroms wird gemessen und berechnet mit speziellen Geräten – Zählern, die diese drei Instrumente enthalten.
Leistung des elektrischen Stroms
Die Leistung ist numerisch gleich der in 1 Sekunde verrichteten Arbeit. Sie wird mit dem Buchstaben P bezeichnet.
Um die Leistung zu finden, muss die Arbeit durch die Zeit geteilt werden:
Da bekannt ist, dass A = UIt, können wir die Formel erhalten:
oder
P = UI
Als Einheit für die Leistung gilt 1 Watt, was 1 Joule pro Sekunde entspricht.
1 Watt = 1 J/s.
Aus der Formel für die Leistung des Stroms folgt:
1 Watt = 1 Volt
In der Praxis werden Einheiten der Leistung verwendet:
1 Hektowatt (hW) = 100 Watt
1 Kilowatt (kW) = 1000 Watt
1 Megawatt (MW) = 1000000 Watt.
Die Leistung des Stroms wird mit einem Wattmeter gemessen.
Ausdruck der Arbeit des Stroms durch die Leistung
Anhand der Leistung kann die Arbeit des Stroms für einen Zeitraum berechnet werden, unter Verwendung der Formel
woraus folgt,
A = Pt
Indem die Leistung in Watt und die Zeit in Sekunden ausgedrückt werden, erhalten wir die Arbeit in Joule:
1 Watt = 1 J/s, daher 1 J = 1 Watt · s
In der Praxis wird die Arbeit des Stroms oft nicht in Joule, sondern in anderen Einheiten ausgedrückt:
1 Wattstunde (Wh) = 3600 Joule
1 Kilowattstunde (kWh) = 1000 Watt · 1 Stunde = 3600000 Joule
Erwärmung von Leitern durch elektrischen Strom (Joule-Lenz-Gesetz)
Elektrischer Strom erwärmt den Leiter. Dies geschieht, weil freie Elektronen in Metallen oder Ionen in Elektrolyten sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen und mit den Molekülen oder Atomen des Leitermaterials interagieren, wodurch sie ihre Energie übertragen.
In ruhenden metallischen Leitern geht die gesamte Arbeit des Stroms in die Erwärmung des Leiters, das heißt, in die Erhöhung seiner inneren Energie. Das Maß für die innere Energie eines Körpers ist die Menge an freigesetzter Wärme.
Daher entspricht die Menge an Wärme, die im Leiter freigesetzt wird, der Arbeit des Stroms.
Die Arbeit des Stroms wird durch die Formel A = UIt berechnet. Bezeichnen wir die Menge an Wärme als Q. Daher gilt Q = A oder Q = UIt. Die Menge an Wärme wird in Joule gemessen.
Unter Verwendung des Ohm’schen Gesetzes kann die Menge an Wärme, die bei der Arbeit des Stroms in einem Abschnitt des Kreises freigesetzt wird, durch den Strom, den Widerstand des Kreisabschnitts und die Zeit ausgedrückt werden. Dazu ersetzen wir in der Formel Q = UIt die Spannung durch den Strom und den Widerstand des Kreisabschnitts: U = IR
Wir erhalten Q = IRIt
also
Q = I²Rt.
Die Menge an Wärme, die bei der Erwärmung eines Leiters durch elektrischen Strom freigesetzt wird, ist proportional zum Quadrat des Stroms, zum Widerstand des Leiters und zur Zeit.