Elektrischer Strom – Gleichstromkreise

Zusammenfassung

Elektrizität bewirkt erst dann etwas, wenn die Ladungsträger zu wandern beginnen und dabei Arbeit verrichten. In diesem Kapitel werden wir verschiedene Grundlagen und Prinzipien an fließenden Elektronen erarbeiten, doch sie gelten ebenso für Ionen in Schmelzen und Lösungen. Damit legen wir das Fundament für das Verständnis der physikalischen Seite der Elektrochemie.

Zusammenfassung

• Ladungen sind gequantelt und betragen immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung.

• Die Nettoladung eines Systems bleibt erhalten, solange es keine Zu- oder Abflüsse von Ladungen gibt.

• In Leitern erster Klasse fließen Elektronen, in Leitern zweiter Klasse Ionen.

• Durch Influenz trennen sich Ladungen in einem elektrischen Feld voneinander.

• Das Coulomb’sche Gesetz gibt an, welche Kraft Ladungen aufeinander ausüben.

• Das elektrische Feld gibt die Richtung und die Stärke dieser Kraft für jeden Punkt im Raum an.

• Einzelne Ladungen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt.

• Elektrische Dipole erfahren in einem homogenen elektrischen Feld ein Drehmoment, in einem inhomogenen Feld werden sie zusätzlich beschleunigt.

• Feldlinien zeigen die Kraftrichtung eines elektrischen Felds und durch ihre Dichte dessen Stärke an. Sie gehen von positiven Ladungen aus und laufen auf negative Ladungen zu.

• Für makroskopische Körper rechnen wir nicht mit Einzelladungen, sondern mit Ladungsdichten.

• Für elektrische Felder gilt das Superpositionsprinzip, wonach das Gesamtfeld an einem Punkt die Summe der Einzelfelder ist.

• Nach dem Gauß’schen Gesetz ist der Unterschied in der Anzahl der Feldlinien, die eine geschlossene Oberfläche verlassen und in sie eintreten, proportional zu der Gesamtladung, die von der Fläche umhüllt wird.

• Der elektrische Fluss gibt die Menge der Feldlinien an, die durch eine Fläche treten.

• In einem elektrischen Leiter befinden sich alle Ladungen an der Oberfläche, das Innere ist feldfrei.

• Ein Faraday’scher Käfig schirmt mit einem induzierten Feld das Innere vom Äußeren ab, sodass im Inneren kein elektrisches Feld vorkommt.

• Die elektrische Potenzialdifferenz oder Spannung entspricht dem Unterschied in der elektrischen potenziellen Energie zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld.

• Die Einheit der Spannung ist das Volt.

• Den Nullpunkt für das elektrische Potenzial können wir willkürlich setzen. Häufig wird ein Ort in unendlicher Entfernung gewählt, der außerhalb des elektrischen Felds liegt.

• Die elektrische Energie an einem Punkt entspricht der Arbeit, die aufgewandt werden muss, um eine Ladung aus unendlicher Entfernung an diesen Ort zu bringen.

• Für überlappende elektrische Felder gilt das Superpositionsprinzip.

• Punkte mit gleichem elektrischen Potenzial bilden in einem elektrischen Feld Äquipotenzialflächen. Sie entsprechen den Höhenlinien im Gravitationsfeld eines Hügels.

• Überschreitet die Feldstärke eines elektrischen Felds die Durchschlagsfestigkeit eines Isolators, durchbricht die Ladung das Material in einem elektrischen Durchschlag, der als Funkenentladung oder Bogenentladung sichtbar sein kann.

• Die Kapazität eines Leiters gibt an, wie viel Ladung mit einem Volt Spannung auf ihn übertragen werden kann. Die Einheit der Kapazität ist das Farad.

• Zwei Leiter, die mit entgegengesetzter Ladung bestückt werden, bilden einen Kondensator.

• Die Arbeit, um einen Kondensator zu beladen, ist im elektrischen Feld zwischen seinen Platten gespeichert.

• Werden Kondensatoren parallel geschaltet, addieren sich ihre Kapazitäten. Bei einer Reihenschaltung von Kondensatoren ist die Gesamtkapazität niedriger als die kleinste Einzelkapazität.

• Ein Dielektrikum ist ein nichtleitendes Medium, das in einem elektrischen Feld polarisiert und so ausgerichtet wird, dass es ein entgegen gerichtetes eigenes Feld aufbaut. Dadurch schwächt ein Dielektrikum ein äußeres Feld.

• Elektrischer Strom fließt per Konvention vom positiveren zum negativeren Potenzial.

• Die Stromstärke ist die Ladung, die in einer Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt. Sie wird in der Einheit Ampere angegeben.

• Die Stromdichte ist die Stromstärke, bezogen auf eine einheitliche, senkrecht zum Ladungsfluss stehende Fläche.

• Wandern mehrere Arten von Ladungsträgern, beispielsweise verschiedene Ionensorten, besteht der Gesamtstrom aus der Summe der Einzelströme.

• Der elektrische Widerstand gibt an, welche Spannung notwendig ist, um einen Strom von 1 A durch ein Bauteil zu bewegen. Er wird in der Einheit Ohm angegeben.

• Das Ohm’sche Gesetz stellt die Verbindung von Spannung, Strom und Widerstand her.

• Der spezifische Widerstand bezieht den Widerstand auf eine vorgegebene Geometrie des Bauteils und ist daher nur von den Eigenschaften des Materials abhängig.

• Die elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Sie wird in Siemens pro Meter angegeben.

• Der elektrische Widerstand ist von der Temperatur abhängig.

• Bei Stromfluss geht ein Teil der Energie, die in eine Schaltung gespeist wird, als Joule’sche Wärme verloren.

• Die Quellenspannung ist die Potenzialdifferenz einer idealen Spannungsquelle ohne inneren Widerstand. Die Leerlaufspannung herrscht zwischen den Polen, solange kein Strom fließt. Die Klemmenspannung ist die zu einem beliebigen Zeitpunkt gemessene Spannung an den Polen der Spannungsquelle.

• Jede reale Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand, über dem ein Teil der Spannung abfällt.

• Die gespeicherte elektrische Energie einer Batterie oder eines Akkus hängt von ihrer Ladung und ihrer Quellenspannung ab.

• Bei einer Reihenschaltung addieren sich Einzelwiderstände zu einem Gesamtwiderstand.

• Bei einer Parallelschaltung von Widerständen addieren sich die Kehrwerte der Einzelwiderstände. Der Gesamtwiderstand ist niedriger als der kleinste Einzelwiderstand.

• Bei Schaltungen, die mit Gleichstrom betrieben werden, lassen sich die wesentlichen Größen mit den Kirchhoff’schen Regeln bestimmen.

• Nach der Knotenregel ist an jeder Verzweigung die Summe der eingehenden Ströme gleich der Summe der ausgehenden Ströme.

• Nach der Maschenregel heben sich die Spannungen innerhalb einer geschlossenen Masche gegenseitig auf.

• In RC-Stromkreisen, in denen Widerstände und Kondensatoren in Reihe verbaut sind, ändert sich die Stromstärke mit dem Beladungszustand des Kondensators.

• Die Geschwindigkeit des Auf- und Entladens des Kondensators hängt von der Kapazität und dem Widerstand ab.

• Die Zeitkonstante eines exponentiellen Abfalls gibt den Zeitraum an, in dem der Messwert auf ein e-tel absinkt.

• Die Energie beim Aufladen eines Kondensators geht zur Hälfte in die elektrische Energie des beladenen Kondensators über, die andere Hälfte geht als Joule’sche Wärme verloren.