Elektrizität ist die Bewegung elektrischer Ladungen, die durch einen Leiter zirkulieren. Diese Bewegung erfolgt entsprechend bestimmter physikalischer Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind in einer Reihe elektrischer Gesetze enthalten, die im Laufe der Geschichte entwickelt wurden.
Die grundlegenden Gesetze der Elektrizität lauten wie folgt:
Coulombsches Gesetz
Das Coulombsche Gesetz besagt, dass die elektrische Kraft zwischen zwei geladenen Objekten umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen ihnen und direkt proportional zum Produkt ihrer Ladungen ist. Diese Kraft wirkt entlang der Linie, die die beiden Ladungen verbindet, und kann je nach Art der Ladungen anziehend oder abstoßend sein.
Das Gesetz wurde 1785 vom Physiker Charles-Augustin de Coulomb eingeführt und ist für das Verständnis elektrostatischer Wechselwirkungen in Physik und Technik von entscheidender Bedeutung. Es spielt in Bereichen wie der Elektronik und Elektrochemie eine entscheidende Rolle.
Formel
Wo:
- F ist die elektrostatische Kraft,
- q₁ und q₂ sind die Beträge der Ladungen,
- r ist der Abstand zwischen den Ladungen,
- k ist die Coulomb-Konstante.
Ampères Gesetz
Das Ampèresche Gesetz wurde 1831 vom Franzosen André-Marie Ampère entwickelt. Das Ampèresche Gesetz setzt ein statisches Magnetfeld mit seiner Ursache in Beziehung. Es wurde später von James Clerk Maxwell korrigiert und wurde Teil der Maxwell-Gleichungen.
Das Ampèresche Gesetz besagt, dass die Zirkulation der magnetischen Feldstärke in einem geschlossenen Kreislauf proportional zum in diesem Kreislauf fließenden elektrischen Strom ist.
Formel
Wo:
- B ist das Magnetfeld,
- dl ist das differentielle Längenelement,
- μ₀ ist die Durchlässigkeit des freien Raums,
- I_enc ist der eingeschlossene Strom.
Ohmsches Gesetz
Das Ohmsche Gesetz besagt, dass die Stärke des elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, der zwei Punkte verbindet, direkt proportional zur Spannung zwischen den beiden Punkten und umgekehrt proportional zum elektrischen Widerstand des Leiters ist.
Dieses grundlegende Gesetz der Elektrizität beschreibt mit großer Präzision das Verhalten fast aller elektrisch leitfähigen Materialien. Es gibt jedoch einige leitfähige Materialien, die dieser Regel nicht folgen. Diese werden als nicht ohmsche Leitmaterialien bezeichnet.
Das Gesetz ist nach dem deutschen Physiker Georg Ohm benannt, der 1827 die in einfachen Stromkreisen erzeugten Ströme und Spannungen beschrieb. Ihm zu Ehren wird der Widerstand in Ohm (Ω) ausgedrückt.
Formel
Wo:
- V ist die Spannung,
- Ich bin der Strom,
- R ist der Widerstand.
Faradaysches Gesetz
Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist ein grundlegendes Prinzip des Elektromagnetismus, das erklärt, wie ein sich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Leiter induziert. Dieses Gesetz ist die Grundlage vieler elektrischer Geräte, darunter:
- Transformatoren , die elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion zwischen Schaltkreisen übertragen.
- Induktoren , die Energie in einem Magnetfeld speichern, wenn Strom durch sie fließt.
- Generatoren , die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln, indem sie Leiter durch ein Magnetfeld bewegen.
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.
Formel
Wo:
- ? ist die induzierte elektromotorische Kraft (EMK),
- Φ_B ist der magnetische Fluss,
- Es ist Zeit.
Kirchhoffsche elektrische Gesetze
Diese Gesetze bestehen aus zwei grundlegenden Prinzipien, die wir im Folgenden erläutern:
Kirchhoffsches Stromgesetz (Knotengesetz)
Das Kirchhoffsche Stromgesetz, 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.
Gemäß diesem Gesetz muss die Summe der in einen Knoten eintretenden Ströme gleich der Summe der diesen Knoten verlassenden Ströme sein. Mit anderen Worten kann es zu keiner Ladungsansammlung am Knoten kommen; die Last, die reinkommt, muss auch wieder raus.
Diese elektrische Regel wird mathematisch wie folgt ausgedrückt:
Wo:
-
Die Summe der in einen Knoten eintretenden Ströme ist gleich der Summe der ihn verlassenden Ströme.
Dies bedeutet, dass, wenn in einen Knoten mehrere Ströme hineinfließen und mehrere Ströme aus ihm herausfließen, die Gesamtsumme der hineinfließenden Ströme abzüglich der Gesamtsumme der herausfließenden Ströme gleich Null ist.
Wenn wir alle ein- und ausgehenden Ströme addieren, muss die Summe Null ergeben.
Kirchhoffsches Spannungsgesetz (Maschengesetz)
Das Kirchhoffsche Spannungsgesetz oder Maschengesetz basiert auf der Energieerhaltung in einem Stromkreis.
Dieses elektrische Gesetz besagt, dass, wenn in einem Stromkreis ein geschlossener Pfad (oder ein Netz) gezeichnet wird, die Summe aller Spannungsabfälle entlang dieses Pfades der Summe der Spannungen (Stromquellen) im gleichen Pfad entsprechen muss.
Im Einzelnen heißt es im Gesetz:
- Beim Durchgang durch ein stromverbrauchendes Bauteil (z. B. einen Widerstand) wird der Spannungsabfall als negativ gezählt.
- Beim Durchgang durch eine Spannungsquelle (z. B. eine Batterie) wird die Spannung als positiv gezählt.
Wenn wir also alle Spannungen in einem geschlossenen Pfad addieren, erhalten wir Null:
Wo:
-
Die gesamte gelieferte Spannung entspricht der Summe der Spannungsabfälle in einem geschlossenen Regelkreis.
Dieses Prinzip geht davon aus, dass die gesamte im Stromkreis gelieferte Energie der verbrauchten Energie entspricht.
Es ist, als ob Sie eine Route entlangreisen: Wenn Sie an derselben Stelle starten und enden (wie auf einem Netz), muss die Gesamthöhe (Spannung), die Sie erklimmen, der Gesamthöhe entsprechen, die Sie hinabsteigen.
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 Sie sich eine Kugel oder eine andere geschlossene Form um eine elektrische Ladung herum vorstellen, der gesamte elektrische Fluss, der von dieser Oberfläche ausgeht, direkt proportional zur Ladung ist, die in ihr eingeschlossen ist.
Die Idee hinter diesem elektrischen Gesetz ist, dass der elektrische Fluss darstellt, wie viele elektrische Feldlinien durch die Oberfläche verlaufen. Wenn sich im Inneren der Oberfläche mehr Ladung befindet, treten auch mehr Feldlinien aus ihr hervor. Dieses Prinzip gilt unabhängig von der Form der Oberfläche, solange sie geschlossen bleibt.
Formel
Wo:
- E ist das elektrische Feld,
- dA ist das differentielle Oberflächenelement,
- Q_enc ist die eingeschlossene Ladung,
- ε₀ ist die Permittivität des freien Raums.