Strom

Elektrizität

Elektrizität

Wir haben zwei Definitionen von Elektrizität in Abhängigkeit davon, ob sich ns auf physikalische Phänomene im makroskopischen Maßstab oder im mikroskopischen Maßstab beziehen.

Mit dem Begriff Elektrizität beziehen wir uns generisch auf alle physikalischen Phänomene in einer makroskopischen Skala, die eine der fundamentalen Wechselwirkungen, die elektromagnetische Kraft, mit besonderem Bezug auf Elektrostatik beinhaltet. Auf mikroskopischer Ebene beruhen diese Phänomene auf der Wechselwirkung zwischen geladenen Teilchen auf molekularer Ebene: den Protonen im Atomkern oder den ionisierten Molekülen und den Elektronen. Die typischen makroskopischen Effekte solcher Wechselwirkungen sind elektrische Ströme und die Anziehung oder Abstoßung elektrischer Körper oder Ladungen.

Elektrizität ist die Form von Energie, die Lichteffekte hervorruft, mechanisch, kalorisch, chemisch usw., und das liegt an der Trennung oder Bewegung der Elektronen, aus denen die Atome bestehen.

Elektrizität ist verantwortlich für bekannte physikalische Phänomene wie Beleuchtung oder Elektrifizierung, und ist das wesentliche Element einiger industrieller Anwendungen, wie Elektronik und Elektrotechnik durch elektrische Signale. Gleichzeitig ist Elektrizität das am weitesten verbreitete Transportmittel für Energie in Stromnetzen und eines der am weitesten verbreiteten Transportmittel für Informationen in der Telekommunikation (elektrische Kommunikation). Elektrizität ist zum Symbol der modernen Welt geworden: Beleuchtung von Häusern, Fabriken funktionieren und ferne Menschen schließen.

Das ultimative Ziel der photovoltaischen Solarenergie ist die Erzeugung von Elektrizität durch photovoltaische Solarmodule. Diese Paneele bestehen aus photovoltaischen Zellen, die durch den photovoltaischen Effekt einen kleinen elektrischen Strom und damit Elektrizität erzeugen.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist eine jener Einheiten, die gemessen und benutzt werden können, aber sie kann nicht in leicht verständlichen Begriffen definiert werden, da es wie Raum, Zeit und Masse nicht einfach ist, eine erschöpfende Definition zu geben. Vielleicht ist der beste Weg, es zu definieren, seine Auswirkungen zu beobachten.

Ein Objekt, das mit einer elektrischen Ladung ausgestattet ist, übt auf ein anderes Objekt, das eine elektrische Ladung hat, eine Kraft aus. Im Gegensatz zur Schwerkraft, die ein Objekt dazu bringt, ein anderes anzuziehen, können Objekte mit einer elektrischen Ladung sich anziehen und abstoßen. Außerdem steht die Schwerkraft in direktem Zusammenhang mit der Masse der betreffenden Objekte, während die elektrische Ladung und die Masse nicht in Beziehung stehen, wenn die Objekte unbeweglich sind.

Experimente zeigen, dass es zwei verschiedene Arten von elektrischer Ladung gibt. Die erste davon heißt positive Ladung oder Ladung + und ist mit den Atomkernen aller chemischen Elemente verbunden. Die zweite ist die negative Ladung oder - und ist typisch für alle Elektronen, die den Kern des Atoms umgeben. Im Allgemeinen ist die positive Ladung des Kerns genau gleich der Summe der negativen Ladungen der Elektronen, die sie umgeben.

Die Richtung der Kräfte, die zwischen elektrisch geladenen Objekten wirken, hängt von der Art der Ladung auf diesen Objekten ab. Wenn beispielsweise zwei Objekte den gleichen Ladungstyp haben, beide positiv oder beide negativ, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn die beiden Objekte eine entgegengesetzte Ladung haben, ziehen sie sich an. Diese Kraft der elektrischen Anziehung zwischen den positiven Kernen und den negativen Elektronen verbindet diese mit dem Kern.

Die Gesamtmenge der elektrischen Ladungen bleibt in der Welt praktisch konstant. Da die beiden Ladungsarten entgegengesetzte Wirkungen haben, ist das allgemeine Normalergebnis die elektrische Neutralität oder der scheinbare Ladungsmangel. Um die Auswirkungen der Belastung auf größere Materialmengen zu beobachten, ist es daher notwendig, das normale Gleichgewicht zu stören und eine übermäßige Belastung des Objekts in gewünschter Weise zu erzeugen.

Elektrische Ladung in Materie

Viele Feststoffe haben eine kristalline Struktur, das heißt, ihre Atome in einem dreidimensionalen regelmäßigen Raster angeordnet sind. Doch in einigen Substanzen werden die Elektronen diese Kerne umgebenden nicht eng miteinander verknüpft.

Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, eine gute Menge an Elektronen hinzuzufügen oder zu entfernen, ohne die kristalline Struktur ernsthaft zu stören. Mit anderen Worten neigen Atomkerne dazu, in ihrer Position fixiert zu bleiben, aber Elektronen können sich oft bewegen. Um eine negative Ladung zu erhalten, muss nur der Überschuss an Elektronen hinzugefügt werden. In Bezug auf die positive und negative Ladung sollte jedoch daran erinnert werden, dass die Plus- und Minuszeichen einen elektrischen Zustand anzeigen, nicht Indikatoren für mathematische Operationen, wie in Arithmetik oder Algebra. Wenn wir ein negatives Vorzeichen für eine Ladung sehen, müssen wir uns daran erinnern, dass es nur einen Überschuss an Elektronen anzeigt und nichts mit der Subtraktion zu tun hat.

 

Aus elektrotechnischer Sicht ist es möglich, in zwei großen Gruppen annähernd alle Stoffe zu klassifizieren, aus denen die Materie besteht. Die Arten von Substanzen, die eine relativ große Menge an freien Elektronen enthalten, die sich von einem Atom zum anderen bewegen können, werden elektrische Leiter genannt. Substanzen, in denen Elektronen sich unter moderater Belastung nicht frei bewegen können, werden elektrische Isolatoren genannt.

Die meisten Metalle sind elektrische Leiter, wenn auch anders als Leiter, die im chemischen Sektor verwendet werden, wie z. B. wässrige Lösungen von Säuren, Basen oder Salzen. Auf der anderen Seite sind die meisten nichtmetallischen Substanzen elektrisch isolierend. Es gibt weder einen perfekten Leiter noch einen perfekten Isolator, aber in der Praxis kommt eine bestimmte Anzahl von Substanzen sehr gut zu diesem Zweck in Frage. Zum Beispiel sind Silber, Kupfer, Aluminium und sogar Stahl oft als Leiter geeignet, während Glas, Porzellan, die meisten Kunststoffe, trockene Luft und Holz gute Isolatoren sind. In den letzten Jahrzehnten hat das Studium der Materie zur Entwicklung von Materialien geführt, die unter extremen Bedingungen supraleitend sind.

Definition von Elektrizität und Magnetismus

Der Raum um ein Elektron oder irgendein anderes Objekt, das eine elektrische Ladung hat, scheint sich in einem Spannungszustand zu befinden, der als elektrisches Feld bezeichnet wird. Dies stört die elektrischen Felder anderer elektrisch geladener Objekte und verursacht die für solche Objekte typischen gegenseitigen Kräfte. Aber wenn eine Bewegung zu den Elektronen gemacht wird, wird ihr Weg von einem anderen neuen Feld umgeben, das das magnetische Feld genannt wird. Die Intensität dieses Feldes ist sowohl der Anzahl der bewegten Elektronen als auch der Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen, direkt proportional.

Wenn daher ein Strom durch eine Spule geleitet wird, dh einen Satz von Spulen, die günstig angeordnet sind, aus Kupferdraht, wird sich diese Drahtspule wie ein Stahlmagnet verhalten, andere ähnliche Spulen anziehen oder abstoßen Gewinde Durch Wickeln einer solchen Spule in eine Eisen- oder Kernstruktur wird das erzeugte Magnetfeld verstärkt. Wenn Sie mehrere Drahtspulen um einen Eisenkern haben, die frei rotieren können und sie in das Feld mit hoher Intensität einer Reihe von festen Spulen setzen, die vom Strom durchquert werden, sorgen sie für erhebliche mechanische Kräfte. Diese drehen die mobilen Spulen, die mechanische Arbeit leisten.

Dieses Gerät wird als Elektromotor bezeichnet. Gegenwärtig betreiben Elektromotoren alle Arten von Maschinen, von den zarten Übungen des Zahnarztes bis zu den gigantischen Maschinen moderner Fabriken. In einem modernen Haus kann es viele Elektromotoren geben, vom Ölkessel bis zum Kühlschrank usw.

Elektrizität durch Wechsel- und Gleichstrom

Bis zu diesem Punkt wurde erwähnt, dass sich Elektronen in jeder gegebenen Schaltung immer in derselben Richtung bewegen. Ein System oder eine Schaltung der oben erwähnten Art wird als Gleichstrom- oder kontinuierliches System bezeichnet. Ein Beispiel für diese Schaltung ist eine beliebige Schaltung, die von einer Batterie gespeist wird, beispielsweise ein Magnesiumblitz oder ein elektrisches System in Kraftfahrzeugen. Manchmal bleibt der Strom jedoch weder hinsichtlich der Kraft noch der Bedeutung konstant. Zahlreiche elektrische Schaltungen werden verwendet, in denen der Strom regelmäßig die Richtung seiner Strömung in der Schaltung umkehrt.

Diese Art von Schaltung wird Wechselstrom genannt. Die gebräuchlichsten und am häufigsten verwendeten Stromkreise sind Wechselstrom. In einer Wechselstromschaltung muss zusätzlich zur Angabe der Stromstärke und der Spannung der Schaltung auch die Frequenz angegeben werden, die für den Gleichstromkreis ausreichend ist. Die Frequenz misst die Hälfte der Anzahl der Male, die der Strom in einer Sekunde ändert.

Wo sich der Strom und die Spannung ändern, wie es in den Wechselstromkreisen ständig vorkommt, ist es notwendig, den Effekt der Reaktanz zu berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, erzeugt der Strom immer ein Magnetfeld. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich das von ihm verursachte Magnetfeld und dies verursacht eine elektromotorische Gegenkraft. Daher muss die angelegte Spannung in einer Wechselspannungsschaltung den Widerstand des sich ändernden Magnetfelds zusätzlich zum gemeinsamen Widerstand der Schaltung überwinden.

Der durch Wechselstrom gefundene Widerstand wird als induktive Reaktanz bezeichnet und ist auf die Änderung seines Magnetfeldes zurückzuführen. Wie wir gesehen haben, stoßen sich Elektronen immer gegenseitig ab und folgen der Wechselwirkung ihrer elektrischen Felder. Daher kann ein Elektron, das sich in einem Leiter bewegt, diejenigen in einem anderen bewegen, selbst wenn die zwei Leiter voneinander isoliert sind.

Daher kann es vorkommen, dass ein Wechselstrom auch durch einen perfekten Isolator fließen kann, während ein kontinuierlicher Strom dies nicht tun kann (natürlich bewegt sich kein Elektron tatsächlich durch den Isolator, sondern es sind seine wechselwirkenden elektrischen Felder erzeuge die oben genannten Verschiebungen.). Dieser interessante Effekt wird in sogenannten Kondensatoren genutzt, die oft für Wechselstromkreise verwendet werden. Daher kann ein Wechselstrom scheinbar durch einen Kondensator fließen, jedoch ohne auf einen Widerstand zu stoßen.

Widerstand gegen den Stromfluss aufgrund der Wirkung des Kondensators wird kapazitive Reaktanz genannt. Die induktive Reaktanz, die kapazitive Reaktanz und der Widerstand einer Schaltung werden als Ganzes die Impedanz einer Schaltung genannt. Durch die Steuerung der induktiven und kapazitiven Reaktanz in einem Schaltkreis können einige interessante Effekte beobachtet werden. Einer der wichtigsten Effekte ist Resonanz. Dank dieses Effekts kann die Schaltung in Resonanz gebracht werden, das heißt durch einen Wechselstrom einer bestimmten Frequenz gekreuzt werden, wobei absolut andere Frequenzen, die auch vorhanden sein können, ignoriert werden. Dank der Resonanz kann das Radio oder Fernsehgerät an einer bestimmten Sendestation eingestellt werden, ausgenommen andere.

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Geändert am: 19. Mai 2019