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Elektrische Spannung

Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit nötig ist bzw. frei wird, um ein Objekt mit einer bestimmten elektrischen Ladung entlang eines elektrischen Feldes zu bewegen. Das Formelzeichen der Spannung ist U bzw. im internationalen Sprachraum überwiegend E (Verwechslungsgefahr mit Feldstärke) oder V. Die Einheit ist das Volt, benannt nach Alessandro Volta.

Allgemeines

Wenn das elektrische Feld ein Potentialfeld ist (vgl. konservatives System), so ist die Arbeit, die auf dem Weg zwischen zwei Orten an einer Ladung verrichtet wird, wegunabhängig. Hieraus folgt, dass die elektrische Spannung zwischen diesen Orten eindeutig als die Differenz der jeweiligen Potentiale definiert ist. Deshalb wird die elektrische Spannung häufig auch Potentialdifferenz oder Galvanispannung (U = Δφ = φ₁-φ₂) genannt. Somit könnte das Formelzeichen U für Unterschied stehen. U soll jedoch von urgere (treiben) kommen. Eine positive Spannung zeigt somit immer vom Ort höheren Potentials zum Ort niedrigeren Potentials. Positive Ladungsträger bewegen sich also in Richtung der (positiven) Spannung, während negativ geladene Objekte sich einer positiven Spannung entgegen bewegen. Zu beachten ist aber, dass die Spannung eine skalare Größe darstellt; die in vielen Darstellungen verwendeten Spannungspfeile legen lediglich das Vorzeichen fest. Wichtig für die eindeutige Definition der Spannung ist, dass das elektrische Feld ein Potentialfeld darstellt, also wirbelfrei ist. Das bedeutet, dass die Arbeit, die an einer Ladung auf einem geschlossenen Weg verrichtet wird, gleich null ist. Um die Spannung zu messen, verwendet man ein Voltmeter, und um einen zeitlichen Spannungsverlauf aufzuzeichnen, benutzt man ein Oszilloskop. Der Begriff der elektrischen Spannung ist direkt mit dem des elektrischen Stroms verknüpft: Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z. B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger in Bewegung gesetzt werden und ein elektrischer Strom beginnt zu fließen. Auf "natürliche" Weise entsteht elektrische Spannung bei den Vorgängen der Reibungselektrizität, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meist durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt.

Formeln

\mathrm = \frac \qquad \mathrm \qquad U = \frac

\mathrm = \mathrm \cdot \mathrm \qquad \mathrm \qquad U = R \cdot I

\mathrm = \frac \qquad \mathrm\qquad U = \frac

In der Potentialschreibweise auch: :

U = \Delta \phi = \; \phi_2 - \phi_1 \qquad \qquad \mathrm \qquad \qquad \phi = \frac

Siehe auch: Ohmsches Gesetz, Coulombsches Gesetz, Leistung, Stromstärke, Widerstand, Ladung, Arbeit

Ab ca. 42 Volt ist Spannung für den Menschen gefährlich, weil der Übergang von der Haut zum Körperinneren überwunden wird und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers erheblich zunimmt.

Doch nicht allein die Spannung (U) sondern die Stromstärke (I) ist für einen tödlichen Schlag verantwortlich. Schon eine Stromstärke von 50 mA kann tödlich sein.

Wechselstrom

Effektivspannung ist die Spannung, die im Mittel zur Verfügung steht. Dieses wird bei gleichgerichteten, geglätteten Schaltungen deutlich. Für die effektive Spannung ergibt sich die Formel: :

\qquad U_ = \frac

Bezeichnungen

Spannungen bis 50 Volt nennt man Kleinspannung, 50 Volt bis 1000 Volt Niederspannung, und größer als 1000 Volt Hochspannung. In der Energiewirtschaft werden Spannungen über 1000 Volt (= 1 Kilovolt) unterteilt in
- Mittelspannung: 1 kV ... 50 kV
- Hochspannung: 50 kV ... 200 kV
- Höchstspannung: > 200 kV

Übliche Spannungen

Zahlreiche Spannungsgrößen sind weit verbreitet und genormt, dazu gehören: Andere Spannungsgrößen werden nur in ihrem eigenen Netz verwendet und sind nicht normativ festgelegt, beispielsweise:

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrische Spannung, Strom, Widerstand und Leistung]
- [http://taichi.dyndns.org/erwin/tesla.html Spannungsmessung im Megavolt-Bereich (Tesla-Anlage)]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m03_spannung.htm Versuche und Aufgaben zur elektrischen Spannung] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrostatik ja:電圧

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist ein Phänomen, das sich unserer direkten sinnlichen Wahrnehmung entzieht. Sie lässt sich lediglich indirekt nachweisen, beispielsweise über die Kräfte, die zwischen Ladungen wirken. Die elektrische Ladung ist Quelle des elektrischen Feldes. Ihre Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld wird über die Maxwell'schen Gleichungen und über die Coulomb- und Lorentzkraft beschrieben. Es gibt genau zwei einander entgegengesetzte elektrische Ladungen, die man durch ein unterschiedliches Vorzeichen kennzeichnet und dementsprechend als positive oder negative Ladungen bezeichnet. Die Wahl des Vorzeichen erfolgte völlig willkürlich. Festgelegt wurde, dass Protonen eine positive und Elektronen eine negative Ladung zugeordnet werden muss. Zwei gleich große, entgegengesetzte Ladungen (z. B. von Elektron und Proton) heben sich gerade auf. Als elektrisch neutral bezeichnet man daher Objekte oder Teilchen, die keine elektrische Ladung tragen, beziehungsweise deren Ladungen sich gegenseitig aufheben. Übertragen auf einen Körper bezeichnet eine positive Ladung den Überschuss an positiven Ladungsträgern und dementsprechend eine negative Ladung den Überschuss an negativen Ladungsträgern. Die elektrostatische Kraft (Coulombkraft) die im elektrischen Feld zwischen zwei Punktladungen auf die Ladungsträger wirkt, wird durch das Coulombsches Gesetz beschrieben. Das Formelzeichen der elektrischen Ladung ist Q oder q. Die Ladung wird im SI-Einheitensystem in der Einheit Coulomb gemessen, die von den Grundeinheiten Ampere und Sekunde abgeleitet wird. Die Ladung freier Objekte ist stets ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung und die Ladung der Quarks stets ein ganzzahliges Vielfaches eines Drittels der Elementarladung.

Geschichte

Vermutlich wurden schon im antiken Griechenland Experimente durchgeführt, bei denen die von elektrischer Ladung ausgehenden Kräfte beobachtet werden konnten. Beispielsweise wurde eine anziehende Kraft von einem Stück Bernstein auf ein paar leichte Vogelfedern festgestellt, nachdem der Bernstein an einem trockenen Fell gerieben wurde. Deswegen hat man sich entschlossen derartige Phänomene nach dem griechischen Wort ελεκτρον (=Bernstein) „elektrisch“ zu nennen.

Berechnung von Ladungsverteilungen

Die Gesamtladung eines Raumgebietes (wahre Ladung) kann durch folgende Beziehung beschrieben werden:

Q=Q_++Q_-=\int_\;\mathrmQ

Folgende Spezialfälle der Ladungsverteilung können auftreten: Die allgemeine Formel für den Zusammenhang zwischen Ladung und Strom:

Q = I \cdot t

Q: elektrische Ladung
I: elektrischer Strom
t: Zeit Im Falle veränderlicher Ströme gilt genauer :

\mathrmQ=I(t)\cdot\mathrmt \;\;\Leftrightarrow\;\;Q=\int_t I(t)\mathrmt

dQ: Infinitesimale Veränderung der Ladung
dt: Infinitesimale Veränderung der Zeit
I(t) : Stromstärke zum Zeitpunkt t

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m01_ladungen.htm Versuche und Aufgaben zur elektrischen Ladung] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Physik ja:電荷 ko:전하

Formelzeichen

Ein Formelzeichen ist ein Symbol für den Namen eines Objekts zur Verwendung in Formeln. Prinzipiell kann jedes beliebige Symbol als Formelzeichen verwendet werden. Es wird anstelle des Objektnamens geschrieben und ist mit dessen Bedeutung identisch. Das bedeutet, dass ein Symbol immer durch den ihm zugeordneten Objektnamen ersetzt werden kann und umgekehrt. Formelzeichen werden vor allem in der Mathematik und in den Natur- und Ingenieurwissenschaften angewendet.

Normen

Zahlreiche Formelzeichen sind genormt (z. B. international

=

für „ist gleich“ oder

V

für das Volumen). Solche Normungen sind beispielsweise ISO 31 und DIN 1304. Sofern als Formelzeichen Buchstaben verwendet werden, kommen besonders häufig das deutsche (lateinische), griechische, altdeutsche und hebräische Alphabet zum Einsatz. Die meisten Buchstaben-Formelzeichen bestehen aus einem und nur wenige aus mehr als einem Buchstaben. Um den Zeichenvorrat zu erweitern, werden den Buchstaben oft Indizes aus Buchstaben oder Zahlen beigefügt.

Mathematische Formelzeichen

Veränderliche Objekte

In der Mathematik werden in der Regel Buchstaben als Formelzeichen verwendet, wenn es sich um veränderliche Objekte handelt. Für den Textsatz wird meist eine Serifenschrift verwendet. Beispiele zu Regelfällen des verwendeten Alphabets und des Textsatzes:
- Skalare:

a=7

- Vektoren: fett oder mit Über-Pfeil.

\vec F\equiv\mathbf=m \cdot \mathbf

. Früher auch Kleinbuchstaben in Frakturschrift:

\mathfrak = \left( 0\ 2\ 1 \right)^T

- Mengen: groß; fett oder mit doppelten senkrechten Linien

3 \in\mathbf\equiv\mathbb

- Matrizen: serifenlos

\det (\mathsf)=4

. Früher auch: Großbuchstaben in Frakturschrift

\mathfrak := \begin 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 1 \end

Übrige Objekte

Andere Objekte, die z.B. Anweisungen enthalten, bekommen spezielle Symbole zugewiesen, die nur zum Teil (ursprünglich) aus Alphabeten stammen. Beispiele:
-

:=

Zuweisungsoperator:

a:=3

<

Vergleich „kleiner als“:

a<7

>

Vergleich „größer als“:

7>a

- + Additionsoperator:

a+4=7

\sum

Summe:

a=\sum_^a_

- ( ) Ändern der Auswertungsreihenfolge:

3a+7 \neq 3(a+7)

- Konstanten:

\pi\approx 314159

Physikalische Formelzeichen

Die in der Physik verwendeten Formelzeichen bestehen aus einem lateinischen oder griechischen Buchstaben. Ihr Satz erfolgt (nach DIN 1313) kursiv mit Serifen. Anwendungsbeispiele:
-

R = \quad

bedeutet „Der elektrische Widerstand ist gleich der elektrischen Spannung dividiert durch die elektrische Stromstärke.“
-

E=\quad

bedeutet „Die Energie ist gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.“ Siehe auch:
Liste der physikalischen Formelzeichen

Formelzeichen in Programmiersprachen

Die in Programmiersprachen verwendeten Formelzeichen weichen aus praktischen Gründen meist von denen des Schriftsatzes ab. Sie beschränken sich auf die standardmäßig auf der Tastatur verfügbaren Zeichen, eine Ausnahme bildet APL. Beispiel: Kleiner oder gleich
- Schriftsatz:

\leq

- zahlreiche Programmiersprachen: <=
- LaTeX: \leq Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mathematik Kategorie:Beschreibungssprachen

Maßeinheit

Eigenschaften

Bedingung dafür, dass eine Größe skalierbar ist und als Maßeinheit definiert werden kann, ist:
- Es gibt einen Referenzwert (eine Referenzbeobachtung), auf den sich der Ausgangspunkt der Skala (gewöhnlicherweise der Nullpunkt oder auch ein anderer definierter Punkt wie beispielsweise der Siedepunkt) beziehen kann.
- Es existiert eine eindeutige Vorgabe der Abstufung bzw. Unterteilung der Skala, mit der die beobachteten Werte definiert werden können. Maßeinheiten werden immer dann definiert, wenn sich Größen skalieren lassen. Neben Maßeinheiten für physikalische Größen gibt es auch Maßeinheiten für nicht-physikalische Größen, z. B. wahrnehmungsbezogene Größen wie die Tonheit, Lautheit etc. Eine Übersicht über physikalische Maßeinheiten findet sich unter Physikalische Größe.

Einheitensysteme

Oft fasst man heute Einheiten zu Einheitensystemen zusammen, in denen nur noch einige Grundeinheiten definiert werden müssen, und alle anderen Einheiten sich aus diesen ergeben.

Einheitenzeichen

Einheitenzeichen sind Buchstaben oder Buchstabengruppen, die stellvertretend für die Einheitennamen verwendet werden. In Gleichungen können sie in eckige Klammern oder auch ohne dargestellt werden.

Geschichte

Einheitenzeichen] In früheren Zeiten wurden Maßeinheiten meistens über Referenzkörper (sog. "Maßverkörperungen") definiert, die die entsprechende Eigenschaft hatten. Gut geeignet sind dazu Längenmaße, Volumen, Massen, die über Metallstäbe, Kugeln oder Hohlgefäße darstellbar sind. An repräsentativer Stelle befestigt, häufig in der Fassade des Rathauses eingemauert, ermöglichte es ein solches Maß jedem, seine eigenen Messgeräte zu eichen. Im Einheitensystem SI ist das Kilogramm derzeit die einzige Maßeinheit, die auf diese Weise definiert ist. Maßeinheiten wurden früher sehr willkürlich und oft ohne Beziehung zueinander, aber nach praktischen Gesichtspunkten, wie Längenabmessungen am menschlichen Körper festgelegt. Abstrakterere Maßeinheiten hatten zu der Zeit im Alltag nur eine untergeordnete Bedeutung. Derartige Einheiten muss man über Meßvorschriften definieren, die vergleichsweise einfach mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren sind.- Im fachlichen Bereich unterscheidet man jedoch zwischen "Definition" und "Realisierungsvorschrift"; die geeigneten Realisierungsverfahren unterscheiden sich oft von dem in der Definition festgelegten Verfahren. Welches Verfahren geeignet ist, hängt von den Genauigkeits-Anforderungen ab. Beispielsweise kann für die "Darstellung" einer Maßeinheit als nationales Normal viel höherer Aufwand betrieben werden als beim Eichen von Handelswaagen. Je nach Genauigkeitsanforderung können auch heute noch verkörperte Maße aktuell sein. Siehe auch: Geschichte von Maßen und Gewichten

Beispiele

Im SI-Einheitensystem ist das Kilogramm definiert durch die Masse des Urkilogramms in Paris. Alle Massen werden als Vielfache dieser Masse angegeben, z. B. bedeutet die Angabe "5 kg" soviel wie "5 mal so große Masse wie die Masse des Urkilogramms in Paris". Die Geschwindigkeitseinheit Meter/Sekunde ist im SI eine von den Basiseinheiten Meter und Sekunde abgeleitete Einheit. Hingegen ist die Geschwindigkeitseinheit Mach nicht von anderen Einheiten abgeleitet und nicht in ein Einheitensystem eingebunden. Weitere Beispiele mit teilweise veralteten Einheiten: Beispiele von alten Einheiten:
- Pferdestärke (PS): Leistung, die benötigt wird, um 75 kg in einer Sekunde einen Meter zu heben.
- Torr (bzw. mm Hg): Druck, der einer Quecksilbersäule von 1 mm entspricht
- Kilopond (kp): Kraft, die der Gravitationskraft von 1 kg entspricht

Siehe auch

- Geschichte von Maßen und Gewichten
- Physikalische Größe
- Liste der physikalischen Formelzeichen

Weblinks

- [http://calc.skyrocket.de/de Online Einheiten Umrechner: Umrechnung sehr vieler Maßeinheiten]
- [http://jumk.de/calc/index.shtml Online Einheiten Umrechner: Umrechnung sehr vieler Maßeinheiten]
- [http://www.h-bauer.de/index.html?unitconv,ger Kompakter Einheitenumrechner für den PC (Freeware)]
- [http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_2/basics/b2_1_3.html Einführung in die Maßeinheiten verschiedener Fachgebiete]
- [http://www.magazinusa.com/lv2/info/i_info_measures.asp Einige Maße & Gewichte] ! ja:物理単位

Volt

Das Volt ist die abgeleitete SI-Einheit der elektrischen Spannung mit dem Einheitenzeichen V. Das Volt ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt. Ein Volt ist gleich der elektrischen Spannung zwischen zwei Punkten eines homogenen, gleichmäßig temperierten Linienleiters, in dem bei einem stationären Strom von einem Ampere zwischen diesen beiden Punkten die Leistung ein Watt umgesetzt wird. :

[U]_=\mathrm=\frac
=\frac
=\frac

Woher das im deutschen übliche Formelzeichen U kommt, ist nicht bekannt. International ist das Formelzeichen für Spannung dagegen ein E, im angelsächsischen Sprachraum auch häufig ein V (Voltage). Siehe auch: Elektrizität Kategorie:SI-Einheit Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:ボルト (単位) ko:볼트

Potentialfeld

Als Potential bzw. Potentialfeld bezeichnet man ein Skalarfeld, das jedem Raumpunkt, in dem es definiert ist, einen skalaren Wert proportional zur potentiellen Energie zuordnet. Es wird oft auch nur einfach Potential genannt. Das Schwerefeld der Erde, aber auch das elektrische Potential φ (Phi) sind Beispiele dafür. Von einem Potentialfeld ausgehend erhält man ein zugehöriges Kraftfeld/Vektorfeld durch Gradientenbildung. Eine der wichtigsten Eigenschaften des sich daraus ergebenden Vektorfeldes ist, dass es konservativ ist, d.h. jedes geschlossene Arbeitsintegral ergibt 0. Eine dazu gleichwertige Eigenschaft ist die Wirbelfreiheit. Das heißt, dass keine Rotationsanteile nach dem Helmholtzschen Zerlegungssatz vorliegen. An Flüssigkeitsoberflächen gibt es das Zetapotential. Siehe auch: Vektoranalysis, Elektrodynamik

Weblinks

- [http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/eich/node1.html Vektorpotential und skalares Potential] Kategorie:Theoretische Physik

Differenz

Der Ausdruck Differenz bezeichnet im Allgemeinen einen Unterschied auf der Grundlage eines expliziten Vergleichsmaßstabs. Im Besonderen versteht man darunter: #In der Mathematik das Ergebnis einer Subtraktion. #in der Systemtheorie, siehe Differenz (Systemtheorie) #in der Philosophie, siehe Differenz (Philosophie) und Différance #in der Psychologie die Unterscheidung zwischen dem Ich und dem Anderen, siehe Differenz (Psychologie) # Sprachwissenschaft: Ferdinand_de_Saussure#Zeichen_und_Bedeutung: Bedeutung ist was relatives # Sprachwissenschaft: Michail Michailowitsch Bachtin: Bedeutung existiert nur im Dialog mit dem anderen (vgl. Anderheit) #Anthropologie: Claude_Levi-Strauss#Zentrale_Themen: Kultur basiert auf Differenz #Psychoanalyse: das Subjekt ist niemals vollständig: Ödipuskomplex, Spiegelstadium

Siehe auch

- Einheit
- Abweichung simple:Difference

Potential

Das Potenzial (eng. potential) (lat.: potentialis, von potentia Macht, Kraft, Leistung) kennzeichnet die einem System oder einer Person innewohnende Fähigkeit, Macht, Kraft zur Verrichtung einer Aufgabe.

Das Potential in der Physik

In der Physik ist das Potential die Fähigkeit eines Feldes, eine Arbeit zu verrichten, unabhängig von den beteiligten Körpern. In diesem Zusammenhang wird das Potential häufig durch den Buchstaben

\phi\!

bezeichnet.

U\!

verwendet man meist für eine Potentialdifferenz (Spannung)

U = \Delta \phi = \; \phi_2-\phi_1\!

. Das Potential beschreibt die Wirkung des Feldes auf Massen, Ladungen, etc. unabhängig von den Massen, Ladungen, etc. selbst. Das Kraftfeld erhält man durch partielle Ableitung des Potentials nach dem Ort (Position), also sozusagen aus dem Gefälle des Potentials: :

\vec G = -\mbox\,\phi = -\vec\,\phi = -\partial\,\phi/\partial\vec r.

Die Ableitung nach

\vec r

bei der Bildung des Gradienten

\vec\phi

von

\phi\!

symbolisiert dabei eine Ableitung nach allen Komponenten (Koordinaten) von

\vec r

. Im eindimensionalen Fall ist der Gradient die gewöhnliche Ableitung. Die tatsächlich wirkende Kraft hängt von der Masse, Ladung, etc. ab. Man erhält sie aus: :

\vec F=m \cdot \vec G.

Energie und Potential

Energie und Potential werden oft nicht genau unterschieden, da sie beide ihre Ursache im Kraftfeld haben. Das Potential ist eine dem Kraftfeld äquivalente Felddarstellung. Der oben erwähnte Zusammenhang ermöglicht es, das im Allgemeinen dreidimensionale Kraft-Vektorfeld mit Hilfe von Skalaren darzustellen, ohne dass dabei Informationen über das Feld verloren gehen. Das führt zur Vereinfachung vieler Rechnungen. Allerdings ist der Rückschluss auf den das Feld verursachenden Körper nicht mehr eindeutig. So hat z.B. eine homogene Vollkugel das gleiche Gravitationspotential wie eine Punktmasse (zumindest außerhalb der Vollkugel). Die Energie ist aus physikalischer Sicht die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Das Potential dient zur Beschreibung der Fähigkeit eines Feldes, einen Körper Arbeit verrichten zu lassen. Eine Potentialdifferenz ist also ein körperunabhängiges Maß für die Stärke eines Feldes. Der Zusammenhang zwischen Energie und Potential ist:

E=m \cdot \phi.

Beispiel: Gravitationspotential und Schwerefeld

Experimentell ist zwischen zwei Massen die Kraft :

F = \gamma\,\frac

feststellbar, wobei :

\gamma = 6,6742 \cdot 10^\;\frac

die Gravitationskonstante (die oft auch mit

G\!

bezeichnet wird) und r der Abstand der beiden Massen m₁ und m₂ zueinander sind. Für die Erde und einen Körper der Masse m gilt für r > r_E: :

F=m\cdot \gamma \frac \mathrm\ M_E:\ \mathrm\ r_E:\ \mathrm\!

Man nennt

g=\gamma \frac

das Schwerefeld der Erde. Mit Hilfe des Schwerefeldes kann man leicht die Schwerkraft

F_g\!

auf Körper ermitteln:

F_g=m\cdot g.\!

Das Potential P berechnet sich aus dem Zusammenhang:

\vec G = -\mbox\,\phi

. Im Eindimensionalen vereinfacht sich das zu

g = -\frac.

Damit ergibt sich das Potential der Erde:

P=-\int_ g\, \mathrmr=-\int_^ \gamma \frac\, \mathrmr=\gamma \frac.

Die Energie einer Masse m in der Höhe h über der Erdoberfläche ist:

E=m \cdot P(h+r_E).

Anschauliche Erklärung

Das Gravitations- und das elektrische Potential lassen sich gut mit einem Wasserlauf vergleichen. Zwischen der Quelle des Wassers auf einem Berg (Punkt mit höherem Potential) und der Mündung im Meer (Punkt mit niedrigerem Potential) gibt es einen Höhenunterschied (Potentialdifferenz, Spannung). Das Wasser fließt bergab (vom Berg zum Meer) - es folgt dem Gefälle und damit der Schwerkraft. Ebenso fließen im Leiter die Ladungsträger, die den elektrischen Strom bilden, vom Punkt mit dem höheren Potential zum Punkt mit dem niedrigeren Potential.

Siehe auch

- Geopotenzial
- elektrisches Potential, siehe auch Elektrizität
- Vektorpotential des Magnetfelds
- elektrochemisches Potential
- thermodynamisches Potential
- Strömungspotential
- Potenzialtheorie
- Coulombwall
- Yukawa-Potenzial
- Potential eines Harmonischen Oszillators

Weblinks

- http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_2/basics/b2_1_7.html (Definition math.-vektoriell)
- http://www.uni-tuebingen.de/uni/pki/skripten/V6_1A_Potvgl.DOC (elektr.-mechanisch) Kategorie:Physik

Potentialfeld

Weblinks

- [http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/eich/node1.html Vektorpotential und skalares Potential] Kategorie:Theoretische Physik

Voltmeter

Ein Spannungsmessgerät (auch als 'Spannungsmesser' oder 'Voltmeter' bezeichnet, bei digitalen Voltmetern findet man auch häufig die Abkürzung DVM) dient zur Messung elektrischer Spannungen in (Volt). Dazu wird die Messgröße in eine Anzeige (Zeigerausschlag) umgewandelt. Das Voltmeter besteht aus dem eigentlichen Messwerk und gegebenenfalls einem Vorwiderstand zur Anpassung des Messbereiches. :::bild:Messwerk_V.PNG :::Schaltzeichen eines Voltmeters Hierbei wird nur bei einem statischen Voltmeter wirklich die Spannung direkt in einen Zeigerausschlag umgesetzt. Die mechanische Wirkung beruht in diesem Falle auf der Abstoßung gleichnamiger bzw. der Anziehung ungleichnamiger Ladungen. Das einfachste statische Voltmeter ist das Elektroskop. In den meisten Fällen erfolgt die Spannungsmessung in Wirklichkeit über eine Strommessung. Der Strom I durch ein Messwerk mit dem Eigenwiderstand (Innenwiderstand) R_i ist zu der anliegenden Spannung U gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional. Das Instrument misst also eigentlich einen Strom, aber die Skala ist mit den entsprechenden Spannungen beschriftet. Das Messwerk war historisch meist ein Drehspulmesswerk, ist in moderneren, digitalen und mechanisch unempfindlicheren Messgeräten ein Analog-Digital-Wandler. Benutzung: Das Voltmeter wird mit den beiden Punkten einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Dies kann mit Prüfspitzen geschehen, ohne dass dazu in die Schaltung eingegriffen werden muss. Daher ist die Spannungsmessung die häufigste Form der elektrischen Kontrolle. Sogar Strommessungen können häufig durch Spannungsmessungen ersetzt werden; wenn man den Wert R des Widerstandes kennt, durch den der Strom fließt, kann über das Ohmsche Gesetz aus der gemessenen Spannung U die Stromstärke I = U/R berechnet werden. Messbereich: Ein Messwerk hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag bei einer bestimmten maximal möglichen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es seinen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, liegt eine gewisse maximal mögliche Spannung an, die sich nach dem Ohmschen Gesetz zu ::U_max = R_i · I_max berechnet. Bei Überschreiten der maximalen Spannung bzw. der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skala entspricht die maximale Spannung dem Vollausschlag. Um das Messwerk an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand R_v in Reihe geschaltet. Von der zu messenden Spannung U entfällt dann höchstens ein Teil U_max auf das Messwerk, der Rest U_v = U - U_max auf den Vorwiderstand. ::Messbereichserweiterung für Spannungen Beispiel: Das Messwerk habe einen Innenwiderstand R_i = 200 Ω und schlage beim Maximalstrom I_max = 0,002 A (2 mA) voll aus. Es soll in einem Voltmeter für den Messbereich U = 10 V verwendet werden. Über dem Messwerk liegt bei Vollausschlag die Spannung U_max = R_i · I_max = 200 Ω · 0,002 A = 0,4 V. Es müssen also U_v = 10 V - 0,4 V = 9,6 V am Vorwiderstand liegen. Da auch durch ihn der Strom von 0,002 A fließt, berechnet sich hieraus R_v = U_v/I_max = 9,6 V/0,002 A = 4800 Ω (4,8 kΩ). Der Umstand, dass (außer im Falle des statischen Voltmeters) durch das Spannungsmessgerät Strom fließt, führt dazu, dass jede Messung die ursprünglichen Verhältnisse am Messobjekt verfälscht, da zur Messung ein zusätzlicher Strom entnommen wird. Daher sollte dieser möglichst klein gehalten werden, d.h. der Widerstand des Voltmeters (R_v+R_i) sollte möglichst hoch sein. Um dies einzuschätzen, wird bei Voltmetern der Widerstand angegeben, und zwar in Ω/V (Ohm pro Volt Messbereich). Diese Angabe ist mit dem Vollausschlag des jeweiligen Messbereiches zu multiplizieren, um den tatsächlichen Widerstand zu erhalten. Beispiel: Das oben berechnete Messgerät hat einen Widerstand von 200 Ω bei einem Messbereich von 0,4 V. Daraus folgt 200 Ω/0,4 V = 500 Ω/V. Wenn man es für einen Messbereich von 10 V einsetzt, hat es demnach den Widerstand 10 V · 500 Ω/V = 5000 Ω (5 kΩ), der sich aus dem eigentlichen Widerstand des Messwerks R_i = 200 Ω und dem Vorwiderstand R_v = 4.800 Ω zusammensetzt. Sollte das Messobjekt in diesem Falle seinerseits einen Widerstand von z. B. 500 Ω haben, so wird durch die Messung ein Strom von 10 % des ursprünglichen zusätzlich entnommen und das Ergebnis in dieser Größenordnung verfälscht. Vorverstärker: Um den Widerstand des Voltmeters möglichst groß zu bekommen, werden in hochwertigeren Modellen Operationsverstärker als Vorverstärker eingesetzt. Damit gelingt es, den Eingangswiderstand auf einige Millionen Ω (MΩ) zu erhöhen, so dass die Messung weniger verfälscht wird. Siehe auch: Amperemeter, Genauigkeitsklasse, Messgerät Kategorie:Elektrische Messtechnik Kategorie:Messgerät ja:電圧計

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist in der Elektrotechnik und der Physik die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ein Strom stellt sich ein, wenn sich frei bewegliche Ladungsträger in einem elektrischen Feld befinden. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz „Strom“ genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet. Das Fließen eines elektrischen Stromes kann man an verschiedenen Wirkungen feststellen. Hauptsächlich sind dies die Wärmewirkung, die magnetische Wirkung und die chemische Wirkung. Die großtechnische Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgt im Kraftwerk, seine Verteilung zu den Verbrauchern im Stromnetz. Die ausreichende Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Funktionieren einer Volkswirtschaft.
- Formelzeichen Stromstärke: I - bei zeitabhängiger Stromstärke auch i oder i(t) (Stromstärke zur Zeit t)
- Einheit Stromstärke: Ampere
- Einheitenzeichen: A

Technische Stromarten: Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom (Unterart des Wechselstrom)

Technische Stromarten:
- Gleichstrom (engl. DC = Direct Current)
- Wechselstrom (engl. AC = Alternating Current)
- Mischstrom / Periodischer Strom.
Ein Mischstrom liegt vor, wenn sich in einem Stromkreis gleichzeitig eine Gleich- und eine Wechselstromquelle auswirken können. Periodische Ströme sind damit eine Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom.

Gleichstrom

Im einfachsten Fall fließt ein zeitlich konstanter Strom. Einen solchen Strom nennt man Gleichstrom (engl. direct current). Zu beachten ist die Technische Stromrichtung: Vereinbarungsgemäß wird eine Stromrichtung von Plus nach Minus angenommen. Diese Stromrichtung geht auch in alle physikalischen Gleichungen ein, die den Strom als solchen betreffen. Eine elektrische Spannungsdifferenz ist jedoch immer von Plus nach Minus positiv. Daher ist die technische Stromrichtung sinnvoll und wird üblicherweise verwendet, damit die Richtung von Strom und Spannung identisch ist. Die technische Stromrichtung ist nich zu verwechseln mit der Flussrichtung der Elektronen (negative Ladungträber), die entgegen der technischen Stromrichtung fließen. Physikalische Stromrichtung: Um den Mechanismus des Stromflusses zu verstehen und bestimmte elektrische Eigenschaften von Materialien herzuleiten, betrachtet man die wirkliche Bewegung der Ladungsträger. In Metallen bewegen sich in der Regel Elektronen, also negative Ladungsträger, die vom Minus-Pol zum Plus-Pol fließen, denn am Minus-Pol herrscht ein Überschuss an Elektronen, und/oder am Plus-Pol ein Mangel, der durch den elektrischen Strom ausgeglichen wird sobald der Stromkreis geschlossen wird. In elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten sind gegebenenfalls positive und negative Ladungsträger oder reduzierbare und oxidierbare Stoffe vorhanden, die sich zu den jeweiligen Polen hinbewegen. An den Polen werden sie reduziert bzw. oxidiert, nehmen also an einem Pol Elektronen auf und geben Elektronen an dem anderen Pol ab und überbrücken dadurch die Übertragung von Elektronen im Stromkreis. In einem Experiment mit einer wäßrigen Lösung zur Feststellung der Stromrichtung wurde die physikalisch falsche, technische Stromrichtung ermittelt, da nur die positiven Ladungsträger sichtbar waren, die sich allerdings auf den Minus-Pol zubewegen. Ein anderer Fall tritt bei p-dotierten Halbleitern auf: Hier verhalten sich fehlende Elektronen (so genannte Löcher oder Defektelektronen) wie positive Ladungsträger mit Masse. Als Gleichspannungsquelle kommen galvanische Zellen (Batterien), entsprechende Dynamos (zum Teil mit nachgeschalteter Gleichrichtung), Photovoltaische Zellen (Solaranlagen) oder Schaltnetzteile in Frage. In der Technik häufig anzutreffen ist auch eine Kombination von Transformator und Gleichrichter. Fällt bei gleichbleibender Stromrichtung die Spannung (und damit, sofern ein Verbraucher angeschlossen ist, die Stromstärke) periodisch stark ab, so spricht man von einer pulsierenden Gleichspannung. Gleichrichter liefern beim Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung meist pulsierende Gleichspannung, sofern die Spannung nicht durch Kondensatoren oder andere Maßnahmen geglättet wird.

Wechselstrom

Neben dem Gleichstrom gibt es auch noch den Wechselstrom (engl. alternating current). Wechselstrom zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromrichtung periodisch wechselt (beim Haushaltsstrom in Europa beispielsweise 100 mal pro Sekunde). Die Frequenz (oft auch als Netzfrequenz bezeichnet) des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der Strom in dieselbe Richtung fließt, dementsprechend hat der europäische Haushaltsstrom bei 230 Volt Nennspannung (eine Phase gegen Nullleiter, eine Phase gegen eine andere Phase 400V) eine Frequenz von 50 Hz. In den USA sind das bei 117 Volt Nennspannung dagegen 60 Hz. Ein Wechselstrom wechselt seine Richtung in jeder Periode zweimal. In Summe über eine Periode gleicht sich der Wechselstrom üblicherweise aus. Um trotzdem Aussagen über die Stromstärke treffen zu können, wird eine effektive Stromstärke für Wechselströme definiert; diese Größe gibt einen Gleichstrom an, mit dem ein dem Betrag nach gleich großer Ladungstransport wie mit dem Wechselstrom erfolgen würde. Für einen sinusförmigen Wechselstrom ergibt sich die effektive Stromstärke als Wurzel des mittleren Quadrates der Stromamplitude.

I=\frac

Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, so spricht man auch von Mischstrom.

Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom

Zur Energieübertragung wird heutzutage meistens Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom verwendet. Beim Drehstrom fließt der Strom in drei Leitern, die Ströme sind jeweils zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben, so dass die Summe aller drei Ströme zu jedem beliebigen Zeitpunkt bei gleicher Last auf jeder Phase sich auf Null ausgleicht. Zusätzlich ist, je nach Schaltung, noch ein Neutralleiter vorhanden (Sternschaltung), der Restströme aufnimmt, die durch unterschiedliche Lasten der Ströme in den drei Phasen entstehen. In einem Hauhalt wird üblicherweise (Ausnahme Drehstromsteckdosen) nur eine Phase und der Nulleiter (Neutralleiter) verwendet. Daher gleichen sich die Ströme auf den 3 Phasen üblicherweise nicht aus. Ein Drehstromnetz ist eine elegante Möglichkeit der Wechselspannungsübertragung: Im in Deutschland üblichen 400-V-Drehstromnetz mit jeweils 400 V Wechselspannung zwischen den drei sogenannten Außenleitern herrscht zwischen jedem der Außenleiter und dem Neutralleiter eine Wechselspannung von 230 V. Während man für die Übertragung von drei unabhängigen Wechselspannungen insgesamt sechs Leiter („Drähte“) bräuchte, kommt man in einem Drehstromnetz mit nur vier Leitern aus, wobei der vierte Neutralleiter noch dünner ausgeführt werden kann, da sich bei der angestrebten gleichen, „symmetrischen“ Belastung in den 3 Wechselstromkreisen die Ströme im Neutralleiter sogar völlig aufheben – Einzelheiten siehe Dreiphasenwechselstrom. Aufgrund der unterschiedlichen Last in einem Haushalt sind die Phasen und die Nullleiter mit identischer Stärke versehen. Eine andere Möglichkeit ist das Anschließen eines 400-V-Wechselstrom-Verbrauchers an zwei Außenleitern, denn die Differenz zweier (phasenverschobener) sinusförmiger Spannungen ist wieder eine sinusförmige Spannung (400V). Gleichstrom und Wechselstrom dürfen nicht mit Gleichspannung bzw. Wechselspannung verwechselt werden. Allerdings führt im geschlossenen linearen Stromkreis eine Gleichspannung zu Gleichstrom und eine Wechselspannung zu Wechselstrom.

Physikalischer Mechanismus: Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol), auf der anderen Seite herrscht Elektronenarmut (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung. Ladungsträger, die einer Spannungsdifferenz ausgesetzt sind, erfahren durch selbige eine Beschleunigung. Wenn man die beiden Pole der Batterie durch einen elektrischen Leiter mit einem gegebenen elektrischen Widerstand verbindet, bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol: Ein elektrischer Strom fließt (technisch von Plus nach Minus). Die Trennung der Ladungen erforderte (chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt. In einem solchen Stromkreis bestimmen die aufgebaute Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes, R, die Stromstärke I. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand kann durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt werden: :

I=\frac \qquad [I]=\frac=A

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist heute eine der meist verwendeten Möglichkeiten des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Autos mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomographen bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben. Elektrische Energie wird zumeist zentral in Elektrizitätswerken erzeugt und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, z. B. mittels Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern, gefördert. Wichtige Einrichtungen (z. B. Krankenhäuser) sind mit Notstromaggregaten ausgestattet, damit auch bei einem Stromausfall elektrische Energie zur Verfügung steht. Ist eine permanente Verbindung mit dem Stromnetz nicht möglich, z.B. bei Autos oder mobilen Geräten, so muss die elektrische Energie entweder zwischengespeichert oder direkt im Gerät erzeugt werden (z. B. mittels kleiner Solarzellen für Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie ist nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Batterien oder Akkumulatoren, in einer anderen Größenordnung z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Ausnahme bilden die Kondensatoren, die aber nur relativ kleine Energiemengen aufnehmen können. Der umgangssprachliche Ausdruck "Strom verbrauchen" ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinausfließt. In der Tat ist es beim üblichen Haushaltsstrom sogar so, dass die Elektronen nur im Leiter ein kleines Stück hin- und her "wackeln", ohne dass tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Elektronen aus der Leitung ins Gerät fließt. Was tatsächlich "fließt", ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z.B. in mechanische Energie (Motor), Wärmeenergie (Haartrockner) und chemische Energie (z.B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der "Stromverbrauch" auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt. Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen. Die Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich.

Stromverbrauch Privathaushalte

Deutschland 2002 : 135,7 Terawattstunden Der Stromverbrauch aus den Netzen der allgemeinen Versorgung blieb im ersten Quartal 2004 mit 130 Milliarden Kilowattstunden konstant. Somit nutzt die Wirtschaft ca. 3/4 des erzeugten Stroms und die privaten Haushalte 1/4.

Stromverbrauch nach Haushaltsgeräten in %

- Haushaltsgeräte Kühlen 30 %
- Haushaltsgeräte Kochen, Bügeln, Wäschetrocknen 18 %
- Heizung 17 %
- Klimaanlagen 17 %
- PC, TV, Audio, Telefon 10 %
- Licht 8 %

Stromverbrauch pro Nutzungseinheit

- Wäschetrockner ca. 2 kWh pro Trocknung
- Geschirrspülmaschine ca. 1 kWh pro Füllung
- Kühlschrank alt: 65 Watt = 1,56 kWh pro Tag; 569,4 kWh pro Jahr
- Kühlschrank neu: 20 Watt = 0,48 kWh pro Tag; 175,2 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" alt: 10 Watt = 0,24 kWh pro Tag; 87,6 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" modern: 2 Watt = 0,048 kWh pro Tag; 17,52 kWh pro Jahr; (Anm.: Ungefährangaben, und sollten noch präzisiert werden) Manche örtlichen Stromversorgungsunternehmen verleihen Energieverbrauchsmessgeräte, mit denen jedes Haushaltsgerät einzeln gemessen werden kann (Momentane Leistung in Watt und Energieverbrauch in kWh in einem Zeitintervall) .

Stromstärketabelle

- Stromstärke I beim Zusammenziehen von Muskeln: 0,015 A = 15 mA
- Loslassgrenze (ab dieser Stromstärke ist der Mensch nicht mehr in der Lage, den Leiter loszulassen, da die Muskeln verkrampfen und nicht mehr von Willen gesteuert werden können): ca. 0,01 A = 10 mA
- Schmerzen und Verkrampfen der Atmung: ca. 0,02 A = 20 mA
- Tödlicher Stromstoß für Menschen: ca. 0,5 A = 500 mA (Diese Stromstärke wird aufgrund des Innenwiderstandes des menschlichen Körpers (ca. 1000 Ohm) erst ab bestimmten Spannungen erreicht, so dass gewöhnliche Batterien sowie elektrische Spannungen bis etwa 12 V in der Regel harmlos sind.) Die Einwirkungsdauer des Stromflusses ist entscheidend für die physiologischen Auswirkungen.
- Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
- Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA
- Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1000 mA)
- Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
- Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A Ein Fehlerstrom von ca. 300 mA (z.B. durch Isolationsfehler) kann bei Netzspannung von 230 V bereits als Zündquelle für leicht entzündliche Stoffe wirken.

Physikalische Zusammenhänge

- Die Stromstärke I (in Ampere) ist: :

I = \frac

Ladung Q (in Coulomb)
Zeit t (in Sekunden)
:

I = \frac = \frac = \sqrt

Spannung U (in Volt)
Widerstand R (in Ohm)
Elektrische Leistung P (in Watt)

Siehe auch

- Elektrizität
- Elektrostatik
- Elektrodynamik
- Stromerzeugung
- Ableitstrom
- Strom-Spannungs-Kennlinie
- Liste der größten Stromproduzenten

Weblinks

- [http://www.technikbase.de/index.php?&id=1_20_1_9&popup=uri POPUP-MiniTool für Strom Spannung Widerstand]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrischer Strom]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m02_stromstaerke.htm Versuche und Aufgaben zur Stromstärke]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Das ohmsche Gesetz]
- [http://www.elektronikinfo.de/strom/strom.htm Elektrischer Strom - CC-Info] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:電流 ko:전류

Gewitter

Ein Gewitter ist eine mit elektrischen Entladungen (Blitz) und Donner verbundene Wettererscheinung. Es wird meist von kräftigen Regen- oder Schneeschauern begleitet. Manchmal treten sie in Verbindung mit Hagelschauern, böigen Winden und in seltenen Fällen auch mit Tornados auf. Starke Gewitter werden auch als Unwetter bezeichnet. Durch aufsteigende feuchtwarme Luftmassen baut sich eine große Gewitterwolke (auch Cumulonimbus genannt) auf. Die turbulente Luftströmung trennt kondensierende Wassertröpfchen in unterschiedliche elektrische Potentiale auf. Diese Potentiale zeichnen sich durch Spannungsgefälle aus, welche sich durch Blitze plötzlich ausgleichen. Blitze werden akustisch durch Donner begleitet, da sie die Luft schlagartig auf 30.000°C erhitzen, eine 5 mal höhere Temperatur als man auf der Sonnenoberfläche antrifft.

Entstehung von Gewittern

Donner

Entstehungsbedingungen

Gewitter können entstehen, wenn hochreichend ein hinreichend großer vertikaler Temperaturgradient vorhanden ist, d. h. wenn die Temperatur mit zunehmender Höhe so stark abnimmt, dass eine bedingt labile Atmosphärenschichtung vorliegt. Weiter braucht es für die Entstehung eines Gewitters eine feuchte Luftschicht in Bodennähe, welche über die latente Wärme den Energielieferanten für die Feuchtekonvektion darstellt. Da die Atmosphäre nie hochreichend trockenadiabatisch labil geschichtet ist, bedarf es der Freisetzung latenter Wärme, welche einen feuchtadiabatischen Aufstieg der Luftpakete ermöglicht. Sind diese beiden Grundbedingungen erfüllt, muss nicht zwangsläufig ein Gewitter entstehen. Erst die Hebung der feucht-warmen Luftschicht am Boden löst ein Gewitter aus. Dafür sind weitere Faktoren wie Wind- und Luftdruckverhältnisse, die Topographie, sowie die Luftschichtung relevant. Da einige dieser Faktoren durch Vorhersagemodelle schwierig vorauszuberechnen sind und von Ort zu Ort stark variieren, ist die Vorhersage von Gewittern außerordentlich schwierig.

Entstehungsprozess einer Gewitterzelle

Durch Hebung kühlt ein feuchtes Luftpaket zunächst trockenadiabatisch ab, bis seine Temperatur die Taupunkttemperatur erreicht. Ab dieser Temperatur beginnt der im Luftpaket enthaltene Wasserdampf zu kondensieren und es bildet sich eine Quellwolke, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu einer Gewitterwolke, einem so genannten Cumulonimbus (kurz: Cb) anwachsen kann. Bei diesem Vorgang wird latente Wärme freigesetzt. Dadurch erhält das Luftpaket zusätzlichen Auftrieb, da der Temperaturunterschied zur Umgebungsluft zunimmt. Liegt eine bedingt labile Schichtung der Atmosphäre vor, so steigt das Luftpaket ungehindert bis in eine Höhe auf, wo der Temperaturgradient wieder abnimmt. Dadurch verringert sich der Temperaturunterschied im Vergleich zur Umgebungsluft. Ist die Temperatur des Luftpakets schließlich gleich der Temperatur der Umgebungsluft, verschwindet die Auftriebskraft und die aufsteigende Luft wird gebremst. Dieses Niveau wird Gleichgewichtsniveau (Equilibrium Level) genannt. Meist befindet es sich in der Nähe der Tropopause. Diese liegt in Mitteleuropa zwischen 8 km Höhe im Winter und 12 km Höhe im Sommer. In den Tropen liegt die Tropopause auf ca. 16 km Höhe. Deswegen werden die Gewitter in den Tropen wesentlich höher als in unseren Breiten. Auf Grund ihrer Trägheit können die Luftpakete ähnlich einem Springbrunnen über das Gleichgewichtsniveau hinausschießen (konvektives Überschießen), und zwar um so höher, je größer die Labilitätsenergie und damit die Geschwindigkeit des Aufwindes ist. Auf diese Weise können solche overshooting tops Höhen über 20 km erreichen. In der Gewitterwolke herrschen starke Aufwinde, die u. U. verhindern, dass kleinere Regentropfen aus der Wolke nach unten fallen. Die Regentropfen und Eiskörnchen werden dann immer wieder nach oben getragen, wo sie gefrieren und sich neues Eis anlagert. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft bis die Eiskörner so schwer geworden sind, dass sie von den Aufwinden nicht mehr gehalten werden können. Dann fallen entweder sehr dicke, kalte Regentropfen, Graupel oder sogar Hagelkörner aus der Gewitterwolke auf die Erde. Je stärker die Aufwinde in der Gewitterwolke sind, desto größer können die Hagelkörner werden. Bei sehr großtropfigem konvektivem Niederschlag (Platzregen) handelt es sich in der warmen Jahreszeit oder in den Tropen meist um aufgeschmolzene Hagelkörner. siehe auch: Gewitterzelle

Klassifikation von Gewittern

Die Bildung von hochreichender konvektiver Bewölkung und Gewittern setzt neben einer bedingt labilen Schichtung zur Auslösung der Feuchtekonvektion einen Hebungsantrieb voraus. Hinsichtlich der Auslösemechanismen können verschiedene Gewittertypen unterschieden werden.

Luftmassengewitter

Luftmassengewitter treten in einer einheitlichen Luftmasse auf, d. h. die Temperatur verändert sich in horizontaler Richtung kaum. Die Temperatur muss aber mit der Höhe hinreichend stark abnehmen und es muß ein bodennaher Heizmechanismus vorliegen (thermische Auslösung) vorliegen. Man kann 2 Haupttypen von Luftmassengewitter unterscheiden, Wärmegewitter und Wintergewitter. Wärmegewitter (auch Sommergewitter genannt) entstehen bei uns praktisch ausschließlich im Sommerhalbjahr. Die starke Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft v. a. in Bodennähe und lässt zudem viel Wasser durch Evapotranspiration verdunsten. Dadurch erhöht sich der Temperaturgradient im Tagesverlauf. Ab einer bestimmten Temperatur (Auslösetemperatur) beginnen Warmluftblasen in die Höhe zu steigen, da sie wärmer und somit leichter sind als die Luft in ihrer Umgebung. Dabei kühlen sie sich ab und erreichen schließlich das Kondensationsniveau. Ist die Atmosphäre darüber feuchtlabil gschichtet, so werden auf diese Weise thermisch Gewitter ausgelöst. Wintergewitter entstehen im Winterhalbjahr. Ihre Entstehung ist prinzipiell dieselbe, wie die der Wärmegewitter. Allerdings fehlt im Winter oft eine ausreichend starke Sonneneinstrahlung. Deswegen kann ein hoher Temperaturgradient nur durch starke Abkühlung in der Höhe zustande kommen. Das geschieht durch Zufuhr von Höhenkaltluft, welche meist polaren Ursprungs ist. Über See wird die Feuchtekonvektion spontan und tageszeitunabhängig thermisch durch den starken Temperaturgradienten zwischen der relativ warmen Meeresoberfläche und der darüber geführten relativ kalten Luft ausgelöst. Auf Satellitenbildern sind diese Luftmassen an der zellulären konvektiven Bewölkung deutlich zu erkennen. Über Land hingegen tritt dieser Mechanismus zurück und es ist unter Einfluß der - wenn auch schwachen - Einstrahlung ein Tagesgang der Konvektion zu beobachten. Allerdings ist die in den unteren Schichten über dem Meer erwärmte Luft oft recht weit ins Binnenland hinein noch genügend labil, um Konvektion auszulösen. Am heftigesten sind die Wettererscheinungen dabei in den Küstenregionen (lake effect). Wintergewitter sind oft mit kräftigen Graupelschauer- und Schneeschauern verbunden. Da kältere Luft jedoch weniger Wasserdampf enthält und somit weniger energiereich ist, sind diese Gewitter meist weniger intensiv als Wärmegewitter im Sommer.

Frontgewitter

Frontgewitter entstehen durch dynamische Hebung, welche durch die Fronten verursacht wird. Es müssen allerdings bereits vor dem Frontdurchzug die Grundbedingungen für Gewitter erfüllt sein. Die Front ist lediglich der Auslöser (auch Trigger genannt). Frontengewitter treten vor allem an der Vorderseite von Kaltfronten auf. Nur in seltenen Fällen können sie auch an Warmfronten auftreten. In diesem Fall wird die Atmosphäre durch den Einschub feucht-warmer Luftmassen in den unteren Bereichen der Troposphäre labilisiert und es kommt zu sogenannten Warmlufteinschubgewittern. Wenn eine Kaltfront aufzieht, schiebt sich die kalte Luft wie ein Keil unter die feuchtwarme Luft, so dass diese in die Höhe gehoben wird. Auf einer bestimmten Höhe kondensiert der Wasserdampf und es bilden sich Quellwolken, die schließlich bei geeigneten Bedingungen zu Gewitterwolken anwachsen können. Solche Frontgewitter können das ganze Jahr über auftreten, sind allerdings im Sommer häufiger als im Winter und fallen in der Regel auch heftiger aus. Konvergenz Eine Besonderheit, die vor allem in der warmen Jahreszeit auftritt, sind linienhaft angeordnete Gewitter entlang von Konvergenzen, die vielfach einer Kaltfront vorgelagert sind und in diesem Fall als präfrontale Konvergenzen bezeichnet werden. Im Bereich der Konvergenz kommt es noch nicht zu einem Luftmassenwechsel, wohl aber zu einem Windsprung, welcher durch das konvergente Windfeld bedingt ist. Auslöser bzw. Hebungsmechanismus ist hier die zusammenströmende Luft, welche entlang der Konvergenz zum Aufsteigen gezwungen wird. Im Winter sind solche Konvergenzen meist wenig wetteraktiv, während im Sommer die Haupt-Gewittertätigkeit oft an der Konvergenz und nicht an der nachfolgenden Kaltfront zu finden ist. Innerhalb von Kaltluftmassen hinter einer Kaltfront kommt es entlang von Troglinien zur Hebungsvorgängen, welche Feuchtekonvektion und auch Gewitter auslösen können. Dieser Mechanismus ist zu allen Jahreszeiten zu beobachten, schwerpunkmäßig dabei im Winter, da dann die Dynamik von Tiefdruckgebieten am ausgeprägtesten ist.

Orographische Gewitter

Orographische Gewitter entstehen durch Hebung an Gebirgen. Überströmt eine Luftmasse ein Gebirge, wird sie zwangsläufig gehoben. Dabei kühlt sie sich ab und kondensiert u. U. aus. Es kann sich bei geeigneten Bedingungen eine Gewitterwolke bilden. Orographische Gewitter können in Staulagen enorme Regenmengen verursachen, da sie sich u. U. immer wieder an derselben Stelle bilden. Staulage]]

Gefahren

In manchen Fällen bergen starke Gewitter Gefahren, wie z. B. Sturmschäden durch Fallböen (Downbursts) oder Tornados, Überschwemmungen durch starken Regen und Schäden durch Hagel. Selten kommt es zu Schäden durch Blitze, etwa zu Kurzschlüssen, Bränden oder gar Verletzungen. Seit der Erfindung des Blitzableiters sind die meisten Gebäude vor Blitzen geschützt.

Verhalten bei Gewitter

Bei einem Gewitter sollte man Gewässer und Schwimmbecken verlassen, weil Wasser elektrisch leitet und ein Blitzschlag in der Nähe gefährliche Kriechströme verursachen kann. Man sollte sich nicht in der Nähe von Bäumen, Masten o. ä. aufhalten, da der Blitz häufig die kürzeste Verbindung zwischen Wolke und Boden herstellt und deswegen in hohe, spitze Objekte einschlägt. Aus demselben Grund sollte man auch Hügel und Höhenzüge meiden! Am sichersten ist man in einem Fahrzeug oder einem Gebäude in Massivbauweise (Faradayscher Käfig). Allerdings kann in seltenen Fällen der Strom trotzdem ins Innere gelangen, z. B. durch Kabel oder Wasserleitungen. Falls man sich im Freien aufhält und keinen Schutz mehr vor dem Gewitter findet, sollte man sich in einer Mulde zusammenkauern, um die Schrittspannung gering zu halten.

Siehe auch

- Blitz
- Gewitterzelle
- Donner
- Isokeraunischer Pegel

Weblinks

- [http://www.wolkenatlas.de/ Wolkenatlas]
- [http://www.blitzschutz.net/html/brosch_re.html Leben mit Blitzen]
- [http://www.sturmwetter.de Gewitterbeobachtungen rund um München] Kategorie:Meteorologie Kategorie:Niederschlag

Redoxreaktion

Eine Redoxreaktion ist eine chemische Reaktion bestehend aus den Teilreaktionen Oxidation und Reduktion. Viele Reaktionen in der Chemie sind Redoxreaktionen, dazu gehören Reaktionen zur Gewinnung von Metallen und chemische Reaktionen bei elektrochemischen Abläufen wie in Batterien.

Entwicklung des Redox-Begriffes

Redoxreaktionen als Sauerstoffübertragung

Der Begriff der Redoxreaktion hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt. Ursprünglich war eine Redoxreaktion nur eine Reaktion, bei der gleichzeitig eine Oxidation (also Aufnahme von Sauerstoff) und eine Reduktion (also Abgabe von Sauerstoff) stattfindet. Der Stoff, der dabei den Sauerstoff abgibt, ist das Oxidationsmittel, das die Oxidation des Reaktionspartners bedingt. Gleichzeitig ist der Stoff, der den Sauerstoff aufnimmt das Reduktionsmittel, das die Reduktion des Reaktionspartners ermöglicht, indem es durch die eigene exotherme Oxidation die benötigte Energie für die Reduktion liefert. Eine Redoxreaktion kann auch nur dann selbstständig ablaufen, wenn die Energieabgabe bei der Oxidation ausreichend groß ist, um die Reduktion zu ermöglichen.

Beispiele

- Thermitreaktion
- Eisengewinnung

Redoxreaktionen als Elektronenübertragung

Eine Erweiterung des Redoxbegriffes ergab sich, als festgestellt wurde, dass auch die Reaktionen, an denen kein Sauerstoff beteiligt ist, nach einem ähnlichen chemischen Prinzip ablaufen wie Redoxreaktionen mit Sauerstoffbeteiligung. Gemeinsam ist die Abgabe beziehungsweise Aufnahme von Elektronen. Nach der neuen Definition sind entsprechend Redoxreaktionen chemische Reaktionen, bei denen gleichzeitig eine Reduktion (Elektronenaufnahme), und eine Oxidation (Elektronenabgabe) stattfindet; insgesamt werden ein oder mehrere Elektronen übertragen. Da in einem chemischen System keine freien Elektronen vorliegen können, ist die Reduktion eines Stoffes zwangsläufig von der Oxidation eines anderen Stoffes begleitet. Gleichzeitig ändern sich die Oxidationszahlen der Reaktionspartner: Das Reduktionsmittel gibt Elektronen ab und wechselt selbst in eine höhere Oxidationsstufe (es wird somit oxidiert); das Oxidationsmittel nimmt Elektronen auf und wechselt in eine niedrigere Oxidationssstufe (es wird somit reduziert). Redox-Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Die Lage des Gleichgewichts kann durch Änderung der Temperatur verschoben werden. Die Konzentrationen der teilnehmenden Edukte und Produkte passen sich zB. auch einer Änderung des pH-Wertes an.

Beispiele

- Verbrennung vom Methan :Ein einfaches Beispiel für eine Redox-Reaktion ist die Verbrennung von Methan (etwa im Erdgas enthalten) mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser: :Methan (das Reduktionsmittel) wird zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Der Kohlenstoff ändert dabei seine Oxidationszahl von -IV nach +IV. :Sauerstoff (das Oxidationsmittel) wird reduziert (Oxidationszahl von 0 nach -II). :Die Oxidationszahl von Wasserstoff bleibt unverändert bei +I. ::Bild:CH4Redox.png
- Reaktion von Natrium mit Wasser :Die Reaktion von metallischem Natrium mit Wasser unter Bildung von Natronlauge und Wasserstoff: :: 2 Na + 2 H₂O → 2Na⁺ + 2 OH^- + H₂ :Das elementare Natriummetall liegt in der Oxidationsstufe 0 vor. Der Wasserstoff liegt im Wasser zunächst in der Oxidationsstufe +1 vor. :Bei der Reaktion überträgt das Na sein Valenzelektron auf den Wasserstoff und geht von der Oxidationsstufe 0 in die Oxidationsstufe +1 über, ein im Wasser gebundenes Wasserstoffatom von der Oxidationsstufe +1 in die Oxidationsstufe 0: :: 2 Na → 2 Na⁺ + 2 e^- :: 2 H₂O + 2 e^- → 2 OH^- + H₂ :: ------------------------------- :: 2 Na + 2 H₂O → 2 Na⁺ + 2 OH^- + H₂
- Komproportionierung und Disproportionierung sind spezielle Redoxreaktionen bei denen das gleiche Element sowohl Oxidations wie auch Reduktionsmittel ist.

Allgemeines

Mit Hilfe des Redoxpotenzials der einzelnen Elemente lässt sich errechnen, welcher Stoff reduziert und welcher oxidiert wird: Man kann eine Spannungsreihe bilden, die zeigt, in welche Richtung der Elektronenübergang erfolgt.
- Unedle Metalle geben gerne Elektronen ab, werden also leicht oxidiert. Unedle Metalle sind demnach gute Reduktionsmittel.
- Edle Metalle (genauer ihre Ionen, beispielsweise Ag⁺) nehmen gerne Elektronen auf, werden also leicht reduziert. Sie sind demnach Oxidationsmittel.

Erstellung von Redoxgleichungen

Bei der Erstellung komplexer Redoxgleichungen ist es unerlässlich, sich der Oxidationszahlen zu bedienen. Wenn man folgende einfache Regeln beachtet, so kann man alle Redoxgleichungen aufstellen. # Formulierung der Edukte und Produkte # Ermittlung aller Oxidationszahlen # Aufstellen der Redoxteilgleichungen:
Oxidation bedeutet Erhöhung der Oxidationszahl
Reduktion bedeutet Erniedrigung der Oxidationszahl # Bestimmung der abgegebenen beziehungsweise aufgenommenen Elektronen:
Differenz der Oxidationszahlen = Anzahl der aufgenommenen/abgegebenen Elektronen # Ladungsausgleich (gleiche Ladung auf beiden Seiten):
- in alkalischer Lösung mit OH^-
- in saurer Lösung durch H₃O⁺ # Ausgleich der Stoffbilanz durch Wasser # Multiplikation der Teilgleichungen mit Faktor des kleinsten gemeinsamen Vielfachen # Addition der Teilgleichungen zur Gesamtgleichung (= Redoxgleichung) Folgendes Beispiel der Reaktion von Permanganat-Ionen mit Sulfit-Ionen zu Mangan(II)-Kationen und Sulfat-Ionen ist auf die genannte Weise gelöst: :Bild:Redoxreaktion.png

Weblinks

- [http://www.joelgubler.ch/redox_glch.php Redoxreaktionsausgleich als Flussdiagramm]

Siehe auch

Redox-Potenzial, freie Enthalpie, Redox-Titration Kategorie:Chemische Reaktion Kategorie:Reaktionsart

Elektromagnetismus

Die klassische Elektrodynamik oder Elektrodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit den elektromagnetischen Wellen, den elektrischen und magnetischen Feldern und Potenzialen und der Dynamik elektrisch geladener Teilchen und Objekte beschäftigt.

Die Theorie

Die Elektrodynamik basiert auf den Maxwellgleichungen, die das Zusammenspiel von elektrischen und magnetischen Feldern und mit elektrischen Ladungsträgern beschreiben. Sie wird 'klassisch' genannt, da sie quantenmechanische Aspekte nicht berücksichtigt. Das elektrische und magnetische Feld lassen sich mittels Potenzialen beschreiben: Dem skalaren Potenzial

\phi

und dem Vektorpotenzial

\vec A

. Es gilt: :

\vec E = -\operatorname\,\phi -\frac\vec A

\vec B = \operatorname\,\vec A

Die Tatsache, dass das Vektorpotenzial in beiden Feldern auftritt, demonstriert, dass elektrisches und magnetisches Feld in Wirklichkeit zwei Erscheinungsformen eines einzigen Feldes, des so genannten elektromagnetischen Feldes sind. In der relativistischen Formulierung der Elektrodynamik wird dies auch unmittelbar deutlich, da dort elektrisches und magnetisches Feld als Komponenten einer einzigen Größe, des elektromagnetischen Feldtensors auftreten. Durch das elektrische und magnetische Feld werden die Potenziale nicht eindeutig festgelegt, das heißt, es gibt mehrere verschiedene Werte von

\phi

und

\vec A

, die zu den gleichen Feldern, und somit auch zur gleichen Physik führen. Diese Eigenschaft der Potenziale nennt man Eichinvarianz, und eichinvariante Theorien wie die Elektrodynamik nennt man Eichtheorien. Transformationen der Potenziale, die zu denselben Feldern führen, heißen Eichtransformationen. Die Eichtransformationen der Elektrodynamik lauten :

\vec A'(\vec x, t) = \vec A(\vec x, t) + \operatorname\, \chi(\vec x, t)

\phi'(\vec x, t) = \phi(\vec x, t) - \frac\chi(\vec x, t)

wobei

\chi(\vec x, t)

eine beliebige skalare Funktion ist. Nach dem Noether-Theorem gehört zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eine Erhaltungsgröße. Die Eichinvarianz ist eine kontinuierliche Symmetrie, und die zugehörige Erhaltungsgröße ist gerade die elektrische Ladung.

Spezialfälle der Elektrodynamik

Die Elektrostatik ist der Spezialfall unbewegter elektrischer Ladungen und statischer (sich nicht mit der Zeit ändernder) elektrischer Felder. Sie kann aber in Grenzen auch verwendet werden, solange die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Ladungen und die Änderungen der Felder klein sind. Die Magnetostatik beschäftigt sich mit dem Spezialfall konstanter Ströme in insgesamt ungeladenen Leitern und konstanter Magnetfelder. Sie kann aber ebenfalls für hinreichend langsam veränderliche Ströme und Magnetfelder verwendet werden. Die Kombination aus beiden, Elektromagnetismus, könnte beschrieben werden als Elektrodynamik der nicht zu stark beschleunigten Ladungen. Die meisten Vorgänge in elektrischen Schaltkreisen (z.B. Spule, Kondensator, Transformator) lassen sich bereits auf dieser Ebene beschreiben. Ein stationäres elektrisches oder magnetisches Feld bleibt nahe seiner Quelle, wie zum Beispiel das Erdmagnetfeld. Ein sich veränderndes elektromagnetisches Feld kann sich jedoch von seinem Ursprung entfernen. Das Feld bildet eine elektromagnetische Welle im Zusammenspiel zwischen magnetischem und elektrischem Feld. Diese Abstrahlung elektromagnetischer Wellen wird in der Elektrostatik vernachlässigt. Die Beschreibung des elektromagnetischen Feldes beschränkt sich hier also auf das Nahfeld. Elektromagnetische Wellen hingegen sind die einzige Form des elektromagnetischen Feldes, die auch unabhängig von einer Quelle existieren kann (sie werden zwar von Quellen erzeugt, können aber nach ihrer Erzeugung unabhängig von der Quelle weiterexistieren). Da Licht sich als elektromagnetische Welle beschreiben lässt, ist auch die Optik letztlich ein Spezialfall der Elektrodynamik.

Elektrodynamik und Relativitätstheorie

Im Gegensatz zur klassischen Mechanik ist die Elektrodynamik nicht galilei-invariant. Das bedeutet, wenn man, wie in der klassischen Mechanik, einen absoluten, euklidischen Raum und eine davon unabhängige absolute Zeit annimmt, dann kann die Elektrodynamik nicht in jedem Inertialsystem gelten. Einfaches Beispiel: Ein mit konstanter Geschwindigkeit fliegendes geladenes Teilchen ist von einem elektrischen und einem magnetischen Feld umgeben. Ein mit gleicher Geschwindigkeit nebenan fliegendes, gleichgeladenes Teilchen erfährt durch das elektrische Feld eine abstoßende Kraft (gleichnamige Ladungen stoßen sich ab), aber gleichzeitig durch das Magnetfeld eine anziehende Lorentzkraft, die die Abstoßung teilweise kompensiert (bei Lichtgeschwindigkeit wäre die Kompensation vollständig). Wechseln wir nun in das Bezugssystem der beiden Ladungsträger, so stellen wir fest, dass der erste Ladungsträger ruht, so dass er gar kein magnetisches Feld hat, und auch der zweite Ladungsträger ruht, so dass er selbst von einem vorhandenen Magnetfeld nicht abgelenkt würde. Somit wirkt in diesem Bezugssystem nur die Coulombkraft, und der Ladungsträger wird stärker beschleunigt, als aus dem Bezugssystem gesehen, in dem sich beide Ladungen bewegen. Dies widerspricht aber der Tatsache, dass in der newtonschen Physik die Beschleunigung nicht vom Bezugssystem abhängt. Diese Tatsache führte zunächst zur Annahme, in der Elektrodynamik gäbe es ein bevorzugtes Bezugssystem (Äthersystem). Versuche, die Geschwindigkeit der Erde gegen den Äther zu messen, schlugen jedoch fehl. Albert Einstein löste dieses Problem in seiner speziellen Relativitätstheorie, indem er Newtons absoluten Raum und absolute Zeit durch eine vierdimensionale Raumzeit ersetzte. In der Relativitätstheorie tritt an die Stelle der Galilei-Invarianz die Lorentz-Invarianz, die von der Elektrodynamik erfüllt wird. In der Tat lässt sich die Verringerung der Beschleunigung und damit die magnetische Kraft im obigen Beispiel über eine Rücktransformation der Beobachtungen im bewegten System in das ruhende System als Folge der Längenkontraktion und Zeitdilatation berechnen. In gewisser Weise lässt sich daher die Existenz von magnetischen Phänomenen letztlich auf die Struktur von Raum und Zeit zurückführen, wie sie in der Relativitätstheorie beschrieben wird. Unter diesem Gesichtspunkt erscheint auch die Struktur der Grundgleichungen für statische Magnetfelder mit ihren Kreuzprodukten weniger verwunderlich.

Erweiterungen

Die Quantenelektrodynamik (QED) vereint die Elektrodynamik mit quantenmechanischen Konzepten. Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt die QED mit der schwachen Wechselwirkung und ist Teil des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Die Struktur der QED ist ebenfalls Ausgangspunkt für die Quantenchromodynamik (QCD), welche die starke Wechselwirkung beschreibt. Allerdings ist die Situation dort noch komplizierter (z.B. drei Ladungsarten, siehe Farbladung). Eine Vereinheitlichung der Elektrodynamik mit der allgemeinen Relativitätstheorie (Gravitation) ist unter dem Namen Kaluza-Klein-Theorie bekannt, und stellt einen frühen Versuch zur Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen dar.

Literatur

- Demtröder, Wolfgang: Experimentalphysik. Bd.2 : Elektrizität und Optik Springer, Berlin 2004, ISBN 3540202102
- Jackson, John D.: Klassische Elektrodynamik Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3110165023

Siehe auch

- Theoretische Elektrotechnik
- Elektrizität
- Rechte-Hand-Regel
- Rechtssystem (Mathematik)
- Portal:Physik
- Monopol (Physik)
- Ponderomotorische Kräfte
- Korkenzieherregel

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m08_elektromagnetismus.htm Versuche und Aufgaben zur Elektrodynamik] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrodynamik ja:電磁気学 ko:전자기학

Elektrochemie

Die Elektrochemie ist ein Teilgebiet der Physikalischen Chemie, welches sich mit dem Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen befasst. Wenn eine chemische Reaktion mit einem elektrischen Strom verbunden ist, so ist dies ein elektrochemischer Vorgang. Entweder wird die Reaktion durch den mit einer von außen angelegten elektrischen Spannung hervorgerufenen Strom erzwungen (Elektrolyse), oder es wird durch die chemische Reaktion geeigneter Substanzen eine messbare Spannung hervorgerufen (galvanisches Element). Der direkte Elektronenübergang zwischen Molekülen, Ionen oder Atomen, ist kein elektrochemischer Vorgang; typisch für die Elektrochemie ist die räumliche Trennung von Oxidation und Reduktion. Elektrochemische Reaktionen laufen in einer galvanischen Zelle ab. Bei der Elektrolyse und dem Aufladen eines Akkumulators wird dabei Energie zugeführt, beim Entladen einer Batterie oder bei Stromentnahme aus einer Brennstoffzelle erhält man elektrische Energie, die bei reversiblen Prozessen der Reaktionsenthalpie entspricht. Die für die Elektrochemie entscheidenden Vorgänge laufen dabei an der Phasengrenze Elektrode-Elektrolyt ab. Man kann daher definieren: Elektrochemie ist die Wissenschaft der Vorgänge an der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter (Elektrode) und einem Ionenleiter (Elektrolyt).

Anwendungen der Elektrochemie

- Herstellung chemischer Substanzen
- Reduktion von Metallsalzen zur Herstellung unedler Metalle, vor allem durch Schmelzelektrolyse, z.B. zur Herstellung von Lithium, Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium und Aluminium
Der elektrische Strom wirkt hier als Reduktionsmittel. Da die Spannung variiert werden kann, kann die Reduktionskraft angepasst werden. Der elektrische Strom ist das stärkste Reduktionsmittel der Chemie, mit dem auch die unedelsten Metalle reduziert werden können.
Die elektrolytische Metallabscheidung wird auch in der Galvanotechnik genutzt.
- Oxidation von Anionen, z.B. von Halogeniden, etwa zur Herstellung von Fluor und Chlor
- Der elektrische Strom erlaubt Redoxreaktionen ohne die Zugabe von Reduktions- oder Oxidationsmitteln. Viele weitere Redoxreaktionen können daher elektrolytisch besonders elegant ausgeführt werden oder werden erst ermöglicht. Erwähnt seien die Elektrofluorierung oder die Kolbe-Elektrolyse.
- Galvanotechnik
- Bereitstellung einer elektrischen Spannung, vor allem für mobile Anwendungen, in
- Galvanische Zellen (Monozellen)
- Batterie
- Akkumulatoren
- Brennstoffzellen
- Verwendung des elektrischen Stroms zur Durchführung von chemischen Analysen und Untersuchungen: Elektroanalyse, vor allem Polarographie
- Untersuchungen zur Thermodynamik und zum Mechanismus von Reaktionen, wichtig auch für die Korrosionsforschung

Zur Geschichte der Elektrochemie

Einen wichtigen Anstoß zur Entwicklung der Elektrochemie waren die Versuche von Luigi Galvani mit Froschschenkeln: die Muskeln kontrahierten, wenn sie mit verschiedenen Metallen Kontakt hatten. Alessandro Volta stellte 1799 die erste funktionierende Batterie der Neuzeit her. Diese war - lange vor der Entwicklung des Generators - eine äußerst wichtige Strom- und Spannungsquelle, die viele bedeutsame Entdeckungen ermöglichte, besonders auch die erstmalige Darstellung der Metalle Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Kalzium und Magnesium in den Jahren 1807 und 1808 durch Humphry Davy. Johann Wilhelm Ritter lieferte Ende des achtzehnten Jahrhunderts wichtige Beiträge zum Thema Galvanismus und konstruierte einen einfachen Akkumulator. Michael Faraday, der die Begriffe Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode, Anion und Kation schuf, entdeckte 1832 die Grundgesetze der Elektrolyse. Als Beispiel für eine großtechnische Anwendung der Elektrolyse sei der 1886 entwickelte Hall-Héroult-Prozess zur Gewinnung von Aluminium genannt. 1959 erhielt Jaroslav Heyrovský für die Entwicklung eines elektrochemischen Analyseverfahrens, der Polarographie, den Nobelpreis für Chemie. Schon in den Jahren 1887/1894 erkannte Wilhelm Ostwald, dass leistungsfähige Brennstoffzellen für die Energieversorgung ein gewaltiges Zukunftspotential bieten müssten. Zu den wichtigen Entwicklungen des 20. Jahrhunderts gehört dementsprechend die Fortentwicklung der Brennstoffzelle, zunächst vor allem für Anwendungen im Weltraum: Für das Apollo-Programm, das 1969 zur Mondlandung führte, wurden Wasserstoff-Brennstoffzellen entwickelt, die auch trinkbares Wasser für die Astronauten lieferte. Auch im Space Shuttle dienen Wasserstoff-Brennstoffzellen zur Stromversorgung.

Literatur

- Peter W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, ISBN 3527302360
- C.H. Hamann, W. Vielstich, Elektrochemie, Wiley-VCH, 3. Aufl. 1998
- W.Schmickler, Grundlagen der Elektrochemie, Springer 1996
- K.Schwabe, Elektrochemie, Akademie-Verlag, Berlin 1974
- G.Kortüm, Lehrbuch der Elektrochemie, 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1966 Siehe auch: Doppelschicht, Photoelektrochemie, Nernst-Gleichung, Elektrochemisches Äquivalent Kategorie: Physikalische Chemie Kategorie:Elektrochemie Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Teilgebiet der Chemie th:เคมีไฟฟ้า ja:電気化学

Ohmsches Gesetz

Als ohmsches Gesetz (nach seinem Entdecker Georg Simon Ohm) wird die Tatsache bezeichnet, dass der Spannungsabfall U über bestimmte metallische Leiter (ohmsche Widerstände) bei konstanter Temperatur proportional zu dem hindurchfließenden elektrischen Strom mit der Stromstärke I ist, also :

U \sim I

Die Proportionalitätskonstante wird dabei als elektrischer Widerstand des Bauteils bezeichnet und mit R notiert, womit sich :

U = R \cdot I

ergibt. Als Einheit wird 1 Ohm = 1

\Omega

= 1 V/A mit V (Volt) und A (Ampere) benutzt. Der elektrische Leitwert G ist der reziproke Wert 1/R des elektrischen Widerstandes und wird in Siemens (Kurzzeichen S) (nach Werner von Siemens) angegeben. Damit ergibt sich :

I = G \cdot U

als weitere Notation. Leiter, deren Widerstand von der Spannung abhängt, sind nicht-ohmsche oder nichtlineare Widerstände. Weiterhin kann der Widerstand von anderen Größen abhängen, z.B. Temperatur, Magnetfeld, Lichtstärke etc. Spezielle Legierungen haben einen in weiten Bereichen temperaturunabhängigen Widerstand, z.B. Konstantan.

Hintergründe

Prinzipiell gilt für jedes Bauteil, dessen Spannungsabfall nur vom Strom abhängt (und nicht von der Vorgeschichte wie bei Bauelementen mit Hysterese): :

U = f (I)

Wenn diese Funktion keine Sprungstellen aufweist, kann man sie in eine Potenzreihe entwickeln: :

U = x_0 + x_1 \cdot I + x_2 \cdot I^2 + x_3 \cdot I^3 + \ldots

Ist

x_0 = 0

(keine Spannungsquelle) und

x_2, x_3, \ldots

vernachlässigbar, bezeichnet man

x_1

als ohmschen Widerstand und bezeichnet ihn als

R

Wechselstromwiderstand / Impedanz

In Wechselstromkreisen gilt das Gesetz in analoger Form, wenn man die Werte als komplexe Zahlen auffasst. Hierbei können jedoch keinerlei Phasenverschiebungen zwischen Strom- und Spannung aufgrund von induktiven und kapazitiven Bauteilen berücksichtigt werden. Der Widerstand wird hierbei verallgemeinert als Impedanz bezeichnet. :

U(t) = Z \cdot I(t) = \left| Z \right| \left| I \right| \exp(\delta + \omega t),\quad U,Z,I \in \mathbb C

Mikroskopische Betrachtungsweise / maxwellsche Materialgleichung

In einer mikroskopischen Betrachtung wird das ohmsche Gesetz durch die lineare Abhängigkeit zwischen der Stromdichte-Vektor

\mathbf\vec j_m

und der elektrischem Feldstärke-Vektor

\mathbf\vec E_n

beschrieben, also :

\mathbf\vec_m = \mathbf\sigma_ \cdot \mathbf\vec_n .

In isotropen Materialien ist der Tensor

\sigma_

durch einen Skalar approximierbar und es gilt: :

\mathbf = \mathbf\sigma \cdot \mathbf .

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Elektrische Leistung

Elektrische Leistung ist eine Art der Leistung, die wenn in elektrischer Form und über einen Zeitraum angewandt, elektrische Arbeit (=elektrische Energie) verrichtet. Angaben über den Bedarf von elektrischer Leistung auf elektrischen Maschinen und Gebrauchsgegenständen wie z.B. Heizgeräten oder auch Lampen sind gewöhnlich in Watt oder in VA (Voltampere) angegeben. Die elektrische Momentanleistung, die in einem Bauelement umgesetzt wird, ist bei hinreichend kleinen Frequenzen das Produkt von elektrischer Spannung und Stromstärke. :

P\left( t \right) = U\left( t \right)\;I\left( t \right)

Mit: P in Watt, U in Volt und I in Ampere Für periodische Größen lassen sich folgende Leistungen bestimmen:
- Augenblickswert der Leistung
- Scheinleistung
- Wirkleistung
- Blindleistung Kategorie:Elektrische Leistung ja:電力