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Grundbegriffe der Elektrizität

1. Elektrische Größen

1.1. Elektrische Ladung

Elektrische Ladungen werden von Ladungsträgern getragen, die sich in Materie befinden. Die Elementarladung ist die Ladung eines Elektrons und beträgt e=−1.602×10−19Ce = - 1.602 \times 10^{-19} \text{C}. Ladungsträger sind unter anderem Elektronen, Protonen und Ionen (Atome mit fehlenden oder überschüssigen Elektronen).

Die makroskopische Ladung QQ ergibt sich aus der Anzahl der Ladungsträger NN und der Elementarladung ee:

Q=ne⋅eQ = n_e \cdot e

Sie wird in Coulomb CC gemessen.

1.2. Elektrische Feldstärke

F⃗=Q⋅E⃗\vec{F} = Q \cdot \vec{E}

EE ist die elektrische Feldstärke und wird in Volt pro Meter V/mV/m gemessen, FF ist die Kraft, die auf eine Ladung QQ wirkt.

Anschauliche Erklärung: Dies kann sich analog zur Gravitationskraft vorgestellt werden, wobei die Feldstärke die Rolle der Gravitationsbeschleunigung übernimmt.

1.3. Elektrische Spannung

U=∫ABE⃗⋅dl=E⃗⋅a⃗U = \int_{A}^{B} \vec{E} \cdot dl = \vec{E} \cdot \vec{a}

Die elektrische Spannung ist die Arbeit pro Einheit Ladung, die benötigt wird, um eine Ladung von Punkt A nach Punkt B im elektrischen Feld zu bewegen. Sie wird in Volt VV gemessen.

Wichtiger Hinweis: Die elektrische Spannung kann auch als Differenz im Potenzial zwischen zwei Punkten verstanden werden. Die Spannung ist also ein Potentialunterschied und gut vergleichbar mit einem Höhenunterschied.

Elektrische Spannung
Elektrische Spannung

1.4. Elektrische Stromstärke

I=dQdt=QtI = \frac{dQ}{dt} = \frac{Q}{t}

Die Stromstärke beschreibt wie viel Ladung pro Zeit durch einen Leiter fließt. Sie wird in Ampere AA gemessen.

Mikroskopisch lässt sie sich beschreiben durch

I=ne⋅e⋅vd⋅AI = n_e \cdot e \cdot v_d \cdot A

wobei nen_e die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit, ee die Elementarladung, vdv_d die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger und AA die Querschnittsfläche des Leiters ist.

Elektrische Stromstärke
Elektrische Stromstärke

1.5. Stromdichte

S⃗=IA⋅e⃗A\vec{S} = \frac{I}{A} \cdot \vec{e}_A

Die Stromdichte beschreibt die Stromstärke pro Fläche und wird in Ampere pro Quadratmeter A/m2A/m^2 gemessen.

1.6. Elektrischer Widerstand

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand, wobei der Widerstand RR in Ohm Ω\Omega gemessen wird:

U=R⋅IU = R \cdot I

Der Widerstand ist ein Maß dafür, wie stark ein Material den Stromfluss behindert. Er hängt von der Länge, dem Querschnitt und dem Material des Leiters ab.

2. Anschauliche Erklärung: Fluss/Bach

  • Elektrische Ladung: Die Wassermenge im Fluss. Wie viele Wassermoleküle (Elektronen) insgesamt vorhanden sind.
  • Elektrische Feldstärke: Das Gefälle des Flussbetts. Ein steileres Gefälle (stärkeres E-Feld) übt mehr Kraft auf das Wasser aus.
  • Elektrische Spannung: Der Höhenunterschied zwischen zwei Punkten im Flusslauf. Dieser Höhenunterschied ist die treibende Kraft, die das Wasser fließen lässt. Ein größerer Höhenunterschied bewirkt einen stärkeren Fluss.
  • Elektrische Stromstärke: Die Wassermenge, die pro Zeiteinheit einen Querschnitt des Flusses passiert. Mehr Wasser pro Sekunde entspricht einer höheren Stromstärke.
  • Stromdichte: Die Wassermenge pro Zeiteinheit bezogen auf die Querschnittsfläche. In einem schmalen Flussbett ist die Stromdichte höher als in einem breiten, selbst wenn die gleiche Wassermenge durchfließt.
  • Elektrischer Widerstand: Hindernisse im Flussbett wie Steine, enge Passagen oder Vegetation, die das Fließen des Wassers behindern. Ein Fluss mit vielen Hindernissen lässt bei gleichem Höhenunterschied weniger Wasser durchfließen als ein Fluss mit wenigen Hindernissen.

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