Elektrizität ist die Bewegung elektrischer Ladungen, die durch einen Leiter zirkulieren. Diese Bewegung erfolgt nach bestimmten physikalischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind Teil einer Reihe von Gesetzen und Theoremen, die Wissenschaftler im Laufe der Geschichte entwickelt haben.
Die wichtigsten Gesetze und Theoreme im Zusammenhang mit elektrischer Energie sind:
Coulombsches Gesetz
Das Coulombsche Gesetz besagt, dass die elektrische Kraft zweier geladener Objekte umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Das Coulombsche Gesetz besagt auch, dass diese Kraft direkt proportional zum Produkt der Ladungen ist.
Dieses Gesetz wurde erstmals 1785 vom Physiker Charles-Augustin de Coulomb eingeführt .
Ampere-Gesetz
Das Ampère-Gesetz wurde 1831 vom Franzosen André-Marie Ampère entwickelt. Das Ampère-Gesetz bringt ein statisches Magnetfeld mit der Ursache in Beziehung, die es verursacht. Später korrigierte James Clerk Maxwell es und es wurde Teil von Maxwells Gleichungen.
Das Gesetz von Ampère besagt, dass die Zirkulation der magnetischen Feldstärke in einer geschlossenen Kontur proportional zum elektrischen Strom ist, der durch diese Kontur fließt.
Ohmsches Gesetz
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die Stärke des elektrischen Stroms, der von einem Leiter fließt, der zwei Punkte verbindet, direkt proportional zur Spannung zwischen den beiden Punkten und umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand des Leiters ist.
Mit dem Ohmschen Gesetz gelingt es, das Verhalten nahezu aller elektrisch leitfähigen Materialien mit großer Präzision zu beschreiben. Es gibt jedoch einige leitfähige Materialien, die diesem Gesetz nicht folgen. Diese werden als nicht ohmsch leitende Materialien bezeichnet.
Das Gesetz ist nach dem deutschen Physiker George Ohm benannt. Im Jahr 1827 beschrieb George Ohm die Ströme und Spannungen, die in einfachen Stromkreisen erzeugt werden. Ihm zu Ehren wird der Widerstand in Ohm (ω) ausgedrückt.
Faradaysches Gesetz
Das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist ein Grundgesetz des Elektromagnetismus mit:
- ein Transformator
- ein induktives Element
- eine Vielzahl von Generatorbetrieb eng.
Das Gesetz besagt: „ Die Größe der in jedem geschlossenen Stromkreis induzierten elektromotorischen Kraft ist gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch den Stromkreis.“
Dieses Gesetz wurde 1831 von Michael Faraday entdeckt. Joseph Henry entdeckte dieses Gesetz vor Faraday in einer unabhängigen Studie im Jahr 1830, veröffentlichte diese Entdeckung jedoch nicht. Daher wird dieses Gesetz Faradaysches Gesetz genannt.
Traditionell gibt es zwei Möglichkeiten, den magnetischen Fluss durch den Stromkreis zu ändern. Was die induzierte elektromotorische Kraft betrifft, so ändert sich ihr eigenes elektrisches Feld, ähnlich wie die Änderung des Stroms, der das Feld erzeugt (wie bei einem Transformator). Was die elektromotorische Antriebskraft betrifft, so ändert sich die Bewegung des gesamten Stromkreises oder eines Teils davon im Magnetfeld, wie bei einem Generator gleicher Polarität.
Kirchhoffs elektrische Gesetze
Diese Gesetze bestehen aus zwei Grundprinzipien, die wir im Folgenden erläutern:
Aktuelles Kirchhoff-Gesetz (Knotengesetz)
Kirchhoffs aktuelles Gesetz, auch Knotengesetz genannt , basiert auf der Erhaltung der elektrischen Ladung. Wenn wir einen Knoten in einem Stromkreis betrachten, ist dies ein Punkt, an dem mehrere Leiter verbunden sind.
Nach diesem Gesetz muss die Summe der in einen Knoten eintretenden Ströme gleich der Summe der diesen Knoten verlassenden Ströme sein. Mit anderen Worten: Auf dem Knoten kann es zu keiner Lastakkumulation kommen; Die Ladung, die hereinkommt, muss wieder herauskommen.
Diese elektrische Regel lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Ich gebe ein = ich gebe aus
Das bedeutet, dass, wenn mehrere Ströme in einen Knoten fließen und andere aus ihm herausfließen, die Gesamtsumme der eintretenden Ströme abzüglich der Gesamtsumme der austretenden Ströme gleich Null ist.
Wenn Sie alle ein- und ausgehenden Ströme addieren, muss die Summe Null sein.
Kirchhoffsches Spannungsgesetz (Maschengesetz)
Das Spannungsgesetz oder Maschengesetz von Kirchhoff basiert auf der Energieerhaltung in einem Stromkreis.
Dieses elektrische Gesetz besagt, dass, wenn Sie einen geschlossenen Pfad (oder ein geschlossenes Netz) in einem Stromkreis zeichnen, die Summe aller Spannungsabfälle entlang dieses Pfades der Summe der Spannungen (Stromquellen) in diesem Pfad entsprechen muss.
Konkret heißt es im Gesetz:
- Wenn Sie ein stromverbrauchendes Bauteil (z. B. einen Widerstand) durchqueren, wird der Spannungsabfall als negativ gewertet.
- Wenn Sie eine Spannungsquelle (z. B. eine Batterie) durchqueren, wird die Spannung als positiv gewertet.
Wenn wir also alle Spannungen in einem geschlossenen Stromkreis addieren, erhalten wir Null:
V Quellen = V fällt
Dieses Prinzip impliziert, dass die gesamte im Stromkreis bereitgestellte Energie der verbrauchten Energie entspricht.
Es ist, als würden Sie entlang einer Route reisen: Wenn Sie am selben Ort beginnen und enden (wie auf einem Raster), müssen die Gesamthöhen (Spannungen), die Sie hinaufsteigen, mit den Gesamthöhen (Spannungen), die Sie hinaufsteigen, übereinstimmen.
Gaußsches Gesetz
Das Gaußsche Gesetz ist ein Prinzip des Elektromagnetismus, das beschreibt, wie der elektrische Fluss durch eine geschlossene Oberfläche mit der Menge der elektrischen Ladung innerhalb dieser Oberfläche zusammenhängt.
Vereinfacht ausgedrückt besagt dieses Gesetz, dass, wenn man sich eine Kugel oder eine geschlossene Form um eine elektrische Ladung herum vorstellt, der gesamte elektrische Fluss, der diese Oberfläche verlässt, direkt proportional zur darin eingeschlossenen Ladung ist.
Die Idee hinter diesem elektrischen Gesetz ist, dass der elektrische Fluss angibt, wie viele elektrische Feldlinien durch die Oberfläche verlaufen. Je mehr Ladung sich in der Oberfläche befindet, desto mehr Feldlinien kommen aus ihr heraus. Dieses Prinzip gilt unabhängig von der Form der Oberfläche, solange diese geschlossen bleibt.