Elektrizität ist eine allgegenwärtige Kraft in unserem Leben. Von der Beleuchtung unserer Häuser über die Stromversorgung elektronischer Geräte bis hin zur Aufrechterhaltung ganzer Industrien ist Elektrizität ein wesentliches Element der modernen Gesellschaft.
Für die meisten Menschen können die Konzepte hinter Elektrizität jedoch mysteriös und komplex erscheinen.
In diesem Abschnitt erklären wir die Grundlagen der Elektrizität auf leicht zugängliche und verständliche Weise, damit Sie die Funktionsweise dieses grundlegenden Phänomens besser verstehen können.
Elektrische Ladung
Elektrizität entsteht in den Grundteilchen der Materie: Elektronen und Protonen. Diese Teilchen haben eine Eigenschaft, die „elektrische Ladung“ genannt wird.
Elektronen haben eine negative Ladung, während Protonen die gleiche Ladung haben, jedoch ein positives Vorzeichen haben.
Elektronen neigen aufgrund ihrer gleichen Ladung dazu, sich gegenseitig abzustoßen, während Elektronen und Protonen aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladung dazu neigen, sich gegenseitig anzuziehen.
Elektrischer Strom
Die Spannung treibt die Elektronen dazu, sich entlang des Leiters in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Die Maßeinheit für elektrischen Strom ist das Ampere (A).
Stromarten: Gleich- und Wechselstrom
Es gibt zwei Hauptarten von elektrischem Strom: Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC).
-
Gleichstrom fließt in einer einzigen konstanten Richtung, wie sie beispielsweise von einer Batterie oder einem Photovoltaikmodul bereitgestellt wird.
-
Wechselstrom hingegen ändert die Richtung periodisch mit einer bestimmten Frequenz, normalerweise 50 oder 60 Mal pro Sekunde. Diese Stromart ist in den meisten Stromnetzen die vorherrschende Stromform und wird in den meisten elektronischen Geräten unseres täglichen Lebens verwendet.
Stromspannung
Die Spannung, dargestellt durch den Buchstaben „V“ und gemessen in Volt (V), ist die treibende Kraft hinter dem elektrischen Stromfluss. Im Wesentlichen stellt die Spannung die Differenz der elektrischen Energie zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis dar.
Je größer der Spannungsunterschied zwischen zwei Punkten ist, desto größer ist die Kraft, mit der sich Elektronen von einem Punkt zum anderen bewegen.
Ausdauer
Der elektrische Widerstand, symbolisiert durch den Buchstaben „R“ und gemessen in Ohm (Ω), ist eine Eigenschaft, die dem Fluss von elektrischem Strom entgegenwirkt.
Leitfähige Materialien wie Metalle haben im Allgemeinen einen geringen Widerstand, sodass Elektronen leicht fließen können. Andererseits haben isolierende Materialien wie Gummi oder Kunststoff einen hohen Widerstand und behindern den Stromfluss.
Stromkreise
Ein Stromkreis ist ein geschlossener Pfad, auf dem Elektronen zirkulieren können.
Zu den Grundkomponenten eines Stromkreises gehören eine Stromquelle (z. B. eine Batterie oder ein Generator), Leiter (z. B. Metalldrähte) und Ladegeräte (z. B. Glühbirnen oder Haushaltsgeräte).
Wenn ein Stromkreis geschlossen ist, können Elektronen von der Stromquelle über Leiter zu Ladegeräten fließen und dabei Arbeit verrichten.
Elektrische Energie
Unter elektrischer Leistung versteht man die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit übertragen oder verbraucht wird. Die Leistung ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung des Stromverbrauchs und der Kapazität elektrischer Geräte.
Sie wird in Watt (W) gemessen und nach der Formel P = V * I berechnet, wobei „P“ die Leistung, „V“ die Spannung und „I“ der Strom ist.
Elektrizitätsgesetze
Die Gesetze der Elektrizität sind Grundprinzipien, die das Verhalten elektrischer Systeme und Schaltkreise bestimmen.
Am bekanntesten ist das Ohmsche Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Spannung (V), Strom (I) und Widerstand (R) in einem Stromkreis festlegt. Dieses Gesetz ist wichtig, um zu verstehen, wie elektrischer Strom als Reaktion auf Spannung und Widerstand in einem Stromkreis fließt.
Neben dem Ohmschen Gesetz gibt es in der Elektrizität noch andere spezifische Gesetze, die spezifischere Phänomene beschreiben, wie zum Beispiel das Gaußsche Gesetz für statische Elektrizität oder das Coulombsche Gesetz für die Kraft zwischen elektrischen Ladungen.
Fortgeschrittene Konzepte
Zusätzlich zu den bisher erwähnten Grundkonzepten der Elektrizität gibt es weitere fortgeschrittenere Konzepte, die sich mit der Komplexität des elektrischen Stroms und seiner Anwendung in der modernen Technologie befassen.
Zu den wichtigsten fortgeschrittenen Konzepten gehören:
-
Frequenz : Die Frequenz bezieht sich auf die Anzahl der Zyklen pro Sekunde in einem Wechselstromsignal, gemessen in Hertz (Hz). Es ist ein grundlegender Parameter im Wechselstrom und beeinflusst die Art und Weise, wie elektrische Geräte funktionieren und miteinander verbunden sind.
-
Impedanz : Die Impedanz ist eine elektrische Eigenschaft, die den Widerstand gegen den Stromfluss in Wechselstromkreisen misst. Es besteht aus Widerstand, Induktivität und Kapazität und ist für den Entwurf elektrischer Schaltkreise und Systeme von wesentlicher Bedeutung.
-
Reaktanz : Die Reaktanz ist eine Impedanzkomponente in Wechselstromkreisen, die sich auf die Fähigkeit bezieht, Energie in Form eines magnetischen oder elektrischen Feldes zu speichern und abzugeben.
-
Leistungselektronik : Dieser Bereich konzentriert sich auf die Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie. Dazu gehören Geräte wie Gleichrichter, Wechselrichter und Motorsteuerungen, die in Industrie- und Unterhaltungselektronikanwendungen von entscheidender Bedeutung sind.
-
Halbleiter : Halbleiter sind wie Transistoren die Grundlage moderner Elektronik. Diese Geräte ermöglichen die Verstärkung und Steuerung elektrischer Signale und sind für die Herstellung integrierter Schaltkreise und Mikrochips unerlässlich.