wie entsteht elektrischer strom?
wie entsteht elektrischer strom?(muss für physik lernen)
5 Antworten
Der elektrische Strom ist um Grunde nichts anderes als eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Damit wir also für einen Stromfluss sorgen können müssen wir Ladungen dazu bringen ihre Reise anzutreten. Aber wie machen wir das?
Stellen wir uns eine Ladung wie eine Kiste vor. Diese Kiste wiegt etwas, hat also eine Masse m. Was tust du um diese Kiste zu bewegen? Du wirkst du mit einer Kraft in die Richtung auf die Kiste ein, in welche du sie beschleunigen möchtest nicht wahr?
F=m*a
Bei Ladungen ist es genau das selbe. Du musst irgendwie mit einer Kraft auf Ladungen einwirken, damit diese sich bewegen, sie werden nicht von alleine gehen.
Hmm... überlegen... was bewegt Ladungen? Na Ladungen! Ladungen können andere Ladungen bewegen. Vielleicht kennst du den Satz, dass positive Ladungsträger und negative Ladungsträger sich anziehen während 2 gleichnamige Ladungsträger sich abstoßen. Das heißt offensichtlich bewegen sie sich gegenseitig und wirken aufeinander ein, sonst hätten wir ja keine anziehende oder abstoßende Wirkung.
Wo kommt diese Kraft her? Nun der Ursprung dieser Kraft ist die Ladung selbst. Wir nehmen Box indem wir ein Elektron rein werfen. Ein Elektron ist ein negativer Ladungsträger.
Alleine dadurch, dass sich da so ein einzelnes unscheinbares Elektron im Raum befindet führt jetzt dazu, dass sich ein sogenanntes elektrisches Kraftfeld radial in Alle Richtungen ausbreitet.
So weit so gut. Jetzt haben wir die benötigte Kraft. Doch eine Kraft alleine reicht nicht um das Ding jetzt zu bewegen. Wie war das noch mit der Statik und Dynamik? Solange sich die Dinge im Kräftegleichgewicht befinden tut sich nichts.
Wenn wir jetzt z.b. einen Kupfer Leiter so lassen wie er ist, dann werden sich die Elektronen nicht einfach so von ihren Strukturen Lösen und sich auch nicht auf Wanderschaft begeben. Die Kraft die auf die Ladungen wirkt ist einfach zu klein um sie zu bewegen. Jetzt wissen wir aber das ungleichnamige Ladungen sich gegenseitig anziehen.
Wir könnten also eine elektrisch Leitfähige Platte nehmen und auf diese Platte packen wir jetzt ganz viele positive Ladungsträger. Normalerweise sind positive Ladungsträger und negative Ladungsträger zusammen an einen Ort, doch solange sie zusammen bleiben werden sie nicht einfach so wieder gehen, wir müssen also mit anderen Worten Ladungen trennen. Sodass auf der einen Platte ganz viele positive Ladungsträger aber nur ganz wenige negative Ladungsträger sind und auf der anderen Platte ganz viele negative Ladungsträger aber nur ganz wenige positive Ladungsträger.
Das besondere bei Platten ist jetzt, da überall der Abstand gleich ist und die Ladungen sich gleichmäßig auf die Platten verteilen, entsteht nun zwischen den Platten ein sogenanntes "homogenes elektrisches Feld" das heißt, dass dieses elektrische Feld an jedem Punkt zwischen den Platten gleich stark ist.
Dieses elektrische Feld zieht jetzt regelrecht an den Ladungen, die negativen Ladungen werden an die Plattenfläche regelrecht gepresst, denn immerhin ziehen sie sich ja an. je stärker dieses sogenannte "ausgleichsbestreben" der Ladungen ist, das heißt je größer dieser Ladungsunterschied ist, desto stärker ziehen sie sich gegenseitig an. Aber wir können nun folgende wichtige Erkenntnisse daraus ziehen:
- das elektrische Feld geht von der Anwesenheit von Ladungen aus
- (das ist jetzt wichtig) elektrische Ladungen werden über das elektrische Feld beschleunigt.
Nun haben wir alle Erkenntnisse um uns nun die Gesetzmäßigkeit herzuleiten welche Lautet:
F=E*Q was für Massen F=m*a ist ist für Ladungen F=E*Q
Das ist sozusagen unsere Bedingung die mindestens erfüllt sein muss. Der Sinn des elektrischen Stroms ist ja jetzt nicht, dass er einfach so von - nach + (Physikalische Stromrichtung) fließt, wir wollen ja eine Arbeit verrichten, etwas betreiben und Energieumwandeln. Wir wollen diese elektrische Energie nutzen und das schauen wir uns jetzt mal genauer an.
Die verrichtete Arbeit W ist ja bekanntermaßen W=F*s also Kraft * Weg.
Unsere Kraft haben wir aber was ist s? Naja. Wir haben ja Ladungen GETRENNT. Logischerweise mussten wir ja einen WEG zurück legen während wir dabei eine Kraft angewendet haben. Wir haben also eine Kraft über einen Weg aufgewandt. Währe dem nicht so, dann hätten wir ja keine Ladung getrennt.
Wir haben also 2 Platten über denen wir Ladungen getrennt haben. Auf der einen Platten sind positive Ladungsträger auf der anderen negative. Aber was ist der Weg? Ganz einfach, das ist der Abstand d zwischen diesen beiden Platten :)
Wir überlegen uns jetzt also wie viel Energie müssen wir beim Aufbau von dem elektrischen Feld, mit dem wir ja unsere Ladung beschleunigen möchten (Wir wollen ja Strom) reinstecken müssen. F was war nochmal F. F ist ja die Kraft und bei Ladungen hatten wir ja F=E*Q schreiben wir doch anstelle von F einfach E*Q:
W=E*Q*d
Überlegen wir nochmal... Wir haben jetzt ein elektrisches Feld. Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Man könnte ja sagen, dass sie regelrecht auf Spannung sind, denn was würde passieren, wenn ich jetzt eine leitende Verbindung zwischen Platten herstelle? Dann würden doch die Elektronen sofort von der Platte mit dem Elektronen Überschuss auf die Platte mit den Elektronen Mangel fließen oder?
Die Elektronen scheinen ja regelrecht auf Spannung zu sein. Wie verhält sich diese "Spannung" jetzt? Wenn durch die Trennung weiterer Ladungen das elektrische Feld größer mache, dann wird die Kraft die die Elektronen anzieht doch größer oder? Jetzt muss nur noch geklärt werden was passiert, wenn ich den Abstand zwischen den Platten vergrößere. Naja ich trenne die Ladungen doch über eine längere Strecke oder? das heißt auch dann müssen die Elektronen noch mehr auf "Spannung" gehen, da ich ja die Ladung noch weiter trenne. Also muss die Beziehung doch folgendermaßen aussehen:
U=E*d Also die elektrische Spannung man kann also sagen der "Wille der Elektronen sich auszugleichen" wir umso größer je größer die elektrische Feldstärke und/oder je größer die Strecke wird über die die Ladungen getrennt werden. Das nennen wir einfach elektrische Spannung. Die elektrische Spannung hat den Formelbuchstaben U und wird in Volt gemessen.
hmm. U=E*d Formen nach E um. E=U/d jetzt setzen wir das in unsere Gleichung ein:
W=(U/d)*Q*d Jetzt noch ein kleines bisschen Mathematik betreiben: d/d kürzt sich weg und es bleibt
W=U*Q nach U umstellen:
U=W/Q
AHA! Die elektrische Spannung ist die verrichtete Arbeit pro Ladung. Wir können also auch sagen, dass die elektrische Spannung uns Auskunft darüber gibt, wie groß das Potential von Ladungen ist eine Arbeit zu verrichten, denn genau das sollen Ladungen ja tun. Wenn wir einen Heizlüfter betreiben soll es ja warm werden, diese Energie entspricht U=W/Q Beim Licht ist es das selbe wenn eine Glühbirne leuchtet.
Ganz so ist es aber nicht denn Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Wenn wir 2 oder 3 Ladungen auf die Platten bringen, wird es uns am Anfang recht leicht fallen, da ist genug Platz für mehr Ladungen. Doch je mehr Ladungen wir jetzt auf die Ladungen pressen, desto schwerer wird es uns fallen. Das heißt die verrichtete Arbeit pro Ladung steigt mit jeder weiteren Ladung.
Wenn wir U*Q rechnen ist es so als würden wir den Flächeninhalt eines Rechtecks berechnen nur das wir hier die Seitenlängen U und Q nennen können genauso gut a und b heißen. Das Problem ist nur, dass unsere Fläche unter der Roten Linie kein Rechteck sondern ein Dreieck sehen. Wir müssen den Spaß also noch durch 2 Teilen deshalb heißt unsere korrekte Formel auch nicht W=U*Q sondern
W=U*Q/2
Jetzt haben wir uns Mühselig eine elektrische Spannungsquelle zurechtgebastelt damit jetzt ein elektrischer Strom fließen kann müssen wir den Stromkreis schließen. einfach dazu - und + Pol zu verbinden währe ziemlich doof. Zum einen hätten wir den Sinn des gnazen verfehlt und zum anderen würden wir dadurch direkt einen sogenannten Kurzschluss erzeugen, Je nach dem wie die "Spannungsquelle" aufgebaut ist und wie viele Ladungen vorhanden sind, kann so ein gewaltig hoher Strom entstehen und unsere Spannungsquelle zerstören. Dann währe unsere ganze Bemühung für die Katz.
Ein Stromkreis besteht immer mindestens neben der Spannungsquelle aus folgenden Elementen:
- Ein Schalter um den Stromfluss zu zulassen oder zu unterbrechen
- Ein Verbraucher z.b. eine Glühbirne
- ein elektrisch Leitfähiges Material z.b. Kupferkabel um die Elemente miteinander zu verbinden.
Schauen wir uns das elektrisch leitfähige Material nochmal an. Wieso muss der Stoff elektrisch "Leitfähig" sein und was bedeutet es für unseren Strom? Nun. Unterschiedliche Stoffe leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Das nennt man Stoffspezifische elektrische Leitfähigkeit. Dieser kann gemessen werden und wird in Siemens angegeben und Trägt den Formelbuchstaben G.
Der elektrische Leiter ist hier unser Medium durch welchen wir unseren elektrischen Strom leiten. Am besten währe es, wenn dieses Medium unendlich gut leitfähig währe aber das geht leider nicht, ein solcher Leiter wird übrigens "Supraleiter" genannt.
Der Kehrwert des elektrischen Leitwertes 1/G entspricht den elektrischen Widerstand R und wird in Ohm (Ω) gemessen. Dieser sagt exakt das Gegenteil über den elektrischen Leiter aus nämlich wie schlecht der elektrische Leiter den Strom fließen lassen kann.
Dieser elektrische Widerstand ist wie eine Kraft der auf die Ladungen im Stromfluss wirkt und die Bewegung der Ladung zu hemmen versucht. Das heißt er der elektrische Widerstand des Stoffes will sozusagen die Ladungen dagegen hindern durch den elektrischen Leiter zu fließen. Aus diesem Grund hat ein guter elektrischer Leiter wie Kupfer einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Isolatoren hingegen haben einen sehr hohen Widerstand, sodass ein Stromfluss nicht möglich ist.
Die Stromstärke I gibt beim fließenden Strom die Anzahl an Ladungen pro Zeit an, setzt also Stromstärke und Zeit in ein Verhältnis: I=Q/t.
Die Beziehung zwischen Stromstärke, elektrische Spannung und elektrischen Widerstand werden im Ohmschen Gesetz beschrieben:
I=U/R je kleiner der elektrische Widerstand bei gleichbleibender Spannung, desto größer die elektrische Stromstärke I in Ampere.
Indem Elektronen vom Minus- zum Pluspol bzw. von der Kathode zur Anode wandern oder indem ein elektrischer Leiter ein Magnetfeld schneidet.
elektrischer strom entsteht durch Ladungstrennung / verschiebung. das kann auf die folgenden weisen geschehen:
magnetisch: ein Leiter kreuzt das Feld eines Magneten. dabei reißen die Feldlinien Elektronen aus den Umlaufbahnen der Atome
Statisch: beim Reiben zweier unterschiedlicher materialien aneinander trennen sich postiive und negative ladungsteillchen... (kennen wir aus der natur als blitz)
chemisch: 2 unterschiedliche materialien mit unterschiedlichen elektrischen eigenschaften z.b. Zink und Kohle sind über ein elektrolyt miteinander verbunden. werden sie über einen draht z.b. mit einader verbunden, ensteht ein kreislauf, und der elektonenüberschuss kann entweichem... es fließt strom
lg, anna
Steht nichts in Deinen Unterlagen? Nichts in Deinem Physikbuch?
