Sitzungsthema Grundlagen zum elektrischen Strom

--- tags: Elektrotechnische Grundlagen title: Sitzungsthema Grundlagen zum elektrischen Strom description: ... image: set note default image (for link preview) robots: noindex, nofollow lang: de slideOptions: parallaxBackgroundImage: 'https://s3.amazonaws.com/hakim-static/reveal-js/reveal-parallax-1.jpg' parallaxBackgroundSize: '2100px 900px' # Transition style for full page slide backgrounds: none/fade/slide/convex/concave/zoom # Number of pixels to move the parallax background per slide # - Calculated automatically unless specified # - Set to 0 to disable movement along an axis parallaxBackgroundHorizontal: 150 parallaxBackgroundVertical: 150 backgroundTransition: 'fade' # transition options: none/fade/slide/convex/concave/zoom transition: slide # Display a presentation progress bar progress: true # Display the page number of the current slide slideNumber: false # Enable the slide overview mode overview: true spotlight: enabled: true ---    <div style="float: left;"> <img src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Logo_Werken_Grundschule.svg" alt="Logo Werken Grundschule" width="190" /> </div> # Seminar: Elektrotechnische Grundlagen ## Sitzung: Grundlagen zum elektrischen Strom > *Dr. Stefan Blumenthal* --- ## Ziele für heute: - [ ] Aneignung/Vertiefung von Wissen über Grundbegriffe und -annahmen der Elektrotechnik - [ ] Aneignung/Vertiefung von Wissen über verschiedene Wirkungen elektrischen Stroms und deren Nutzen --- # Grundbegriffe der Elektrotechnik ## Elektrische Ladung Es gibt zwei unterschiedliche Ladungsarten: positive (Ionen) und negative Ladungen (Elektronen). Gleichnamige Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige ziehen sich an. Die elektrische Ladung bezeichnet dabei entweder einen Elektronenmangel (positive Ladung) oder einen Elektronenüberschuss (negative Ladung). Generell Überschüssige Elektronen neigen dazu zu der Ladung mit der geringeren Anzahl an Elektronen überzugehen. <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/ladungsausgleich.html" style="border:0px;width:100%;height:350px;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe>  --- ## Elektrischer Strom > [name=Holz et al. (1972, S. 166)] [color=red] „Elekrtrischer Strom ist definiert als die Bewegung elektrischer Ladungen.“ Der zuvor beschriebene Ladungsausgleich wird also als elektrischer Strom bezeichnet. Strom kann nur fließen, wenn zwischen zwei unterschiedlichen elektrischen Ladungen genügend freie und bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Früher nahm man an, dass Strom vom positiven zum negativen Pol verläuft. Man bezeichnet diese Annahme auch als historische Stromrichtung. Geht man von einer physikalischen Stromrichtung aus, verläuft der Storm in Richtung des Elektronenstroms vom negativen zum positven Pol. :::info :page_facing_up: **Aufgabe 1**: Ordnen Sie den beiden Abbildungen die jeweils korrekte Beizeichnung zu. *Hinweis: Das Schaltelement R steht hier für einen elektrischen Widerstand, dies könnte alternativ auch eine Glühlampe o.ä. sein.*   <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/stromrichtung.html" style="border:0px;width:100%;height:400px;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> :::  --- ## Elektrische Stromstärke Der Stromfluss wird gerne mit fließendem Wasser in einem Rohr verglichen. Je mehr das Wasser durch das Rohr fließt, desto höher ist die Wassermenge bzw. der Wasserstrom. Analog verhält es sich beim elektrischen Strom. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter fließen, desto größer ist die elektrische Stromstärke (bezeichnet als *I*). Die elektrische Stromstärke dient also der zahlenmäßigen Beschreibung des elektrischen Stroms. Mathematisch wird die Stromstärke als Quotient der Elektrizitätsmenge (*Q*) und der Zeit (*t*) aufgefasst: $I = \frac{Q}{t}$. Die Einheit des elektrischen Stroms lautet Ampere (A), nach André Marie Ampère. In der Elektronik wird in der Regel mit Stromstärken zwischen einigen Mikroampere (µA) und mehreren Ampere (A) gearbeitet, in der Starkstromtechnik sind es Kiloampere (kA).  --- ## Elektrische Spannung Durch den Ladungsunterschied zwischen zwei Polen ensteht die elektrische Spannung (bezeichnet als *U*), sie beschreibt die Kraft auf freie Elektronen. Die elektrische Spannung gibt an, wie viel Energie notwendig wäre, um den Ladungsunterschied zu erreichen. Die Quellenspannung einer Energiequelle teilt sich an den Verbrauchern im Stromkreis auf (Reihenschaltung, s.u.). Diese Teilspannungen werden als Spannungsabfall (Abfall im Sinne einer Reduktion der Quellenspannung am Verbraucher). Mathematisch wird die Spannung als Quotient der notwendigen Arbeit, um die Ladungsträger zu verschieben (*W*) und der Elektrizitätsmenge (Ladung) (*Q*) aufgefasst: $U = \frac{W}{Q}$. Die Einheit der elektrischen Spannung ist Volt (V), nach Alessandro Volta. In der Elektronik wird Spannungswerte zwischen einigen Millivolt und mehreren hundert Volt gearbeitet, in der Hochspannungstechnik sind es Kilovolt (kV) oder Megavolt (MV).  --- ## Der elektrische Widerstand <div style="float: right;"> <img src="https://i.imgur.com/BNxRJBL.jpg" alt="" width="300" /> *(Quelle: [:link: Afrank99, CC BY-SA 2.5](https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=456666))* </div> In der Elektronik spielen Widerstände eine sehr große Rolle. Ein zentraler Baustein in elektrischen Schaltungen ist der elektrische Widerstand (*R*) (siehe Abbildung rechts). Der elektrische Widerstand wird auch als ohmscher Widerstand bezeichnet. Neben den elektrischen Widerständen hat jedes elektrische Bauteil einen eigenen Widerstandswert, der Einfluss auf Spannungen und Ströme in der Schaltung nimmt. Dieser Umstand lässt sich wie folgt erklären:   ```! Durch die Bewegung der freien Ladungsträger im Leiters stoßen die Ladungsträger gegen die Atome und werden dadurch in ihrer Bewegung gestört. Durch diesen Widerstand wird der Strom in einem Stromkreis begrenzt. Die Bewegungsenergie der Ladungsträger wird aufgrund der Reibung mit den Atomen in Wärmeenergie überführt - das betreffende Bauteil wird warm bzw. heiß. Wenn das Bauteil zu heiß wird, war die Anzahl der Ladungsträger und damit der elektrische Strom zu groß. ``` Mathematisch wird der elektrische Widerstand als Quotient aus der elektrischen Spannung (*U*) und der elektrischen Stromstärke (*I*) aufgefasst: $R = \frac{U}{I}$. Die Einheit für den elektrischen Widerstand ist Ohm und wird mit dem griechischen Buchstaben Omega „Ω“ gekennzeichnet, nach Georg Simon Ohm. Große Widerstände werden in Kiloohm (kΩ) oder Megaohm (MΩ) angegeben. Kaum messbare Widerstände liegen im Bereich von Milliohm (mΩ). <div style="clear: both"></div>  --- ## Ohmsches Gesetz <div style="float: right;"> <img src="https://i.imgur.com/SldEGxj.gif" alt="" width="300" /> *(Quelle: [:link: Afrank99, CC BY-SA 2.5](https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=456666))* </div> Stellen Sie sich nun folgenden Versuchsaufbau vor: Legt man einen Widerstand *R* an eine Spannung U und bildet einen geschlossenen Stromkreis, so fließt durch den Widerstand *R* ein bestimmter Strom *I*. Mit den Bauteilen (U) und (I) werden elektrische Spannung bzw. elektrische Stromstärke gemessen. In den nachfolgend beschriebenen 2 Experimenten werden systematisch einzelne Kenngrößen varriert, um deren Auswirkungen zu dokumentieren. <div style="clear: both"></div>   <div style="border:0px;width:48%;height:680px;float:left;"> :::info **Experiment 1** In einer Messschaltung wird bei gleichbleibendem Widerstand (100 Ω) die Spannung von 5 V auf 10 V und 15 V erhöht. Wie verhält sich der Strom? <table> <tr> <td>Widerstand R</td> <td>100 Ω</td> <td>100 Ω</td> <td>100 Ω</td> </tr> <tr> <td>Spannung U</td> <td>5 V</td> <td>10 V</td> <td>15 V</td> </tr> <tr> <td>Stromstärke I</td> <td>50 mA</td> <td>100 mA</td> <td>150 mA</td> </tr> </table> :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag Bei gleichbleibendem Widerstand R und bei gleichmäßiger Erhöhung der Spannung U, steigt der Strom I mit der Spannung U. Der Strom steigt proportional zur Spannung. Das bedeutet, eine doppelt so große Spannung führt zu einem doppelt so großen Strom. Oder anders herum, eine Halbierung der Spannung verringert auch den Strom um die Hälfte. ::: </div> <div style="border:0px;width:2%;height:680px;float:left;"> </div> <div style="border:0px;width:48%;height:680px;float:left;"> :::info **Experiment 2** In einer Messschaltung wird bei gleichbleibender Spannung (5 Volt) der Widerstand von 50 Ohm auf 100 Ohm und 150 Ohm erhöht. Wie verhält sich der Strom? <table> <tr> <td>Widerstand R</td> <td>50 Ω</td> <td>100 Ω</td> <td>150 Ω</td> </tr> <tr> <td>Spannung U</td> <td>5 V</td> <td>5 V</td> <td>5 V</td> </tr> <tr> <td>Stromstärke I</td> <td>100 mA</td> <td>50 mA</td> <td>33,3 mA</td> </tr> </table> :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag Bei gleichbleibender Spannung U und bei gleichmäßiger Erhöhung des Widerstandes R, verringert sich der Strom I um 1/R. Das bedeutet, ein doppelt so großer Widerstand führt zu einer Halbierung des Stroms. Oder anders herum, eine Halbierung eines Widerstands führt zu einem doppelt so großen Strom. ::: </div> <div style="clear: both"></div> Den Zusammenhang zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand beschreibt das Ohmsche Gesetz. Es besagt, dass die Stromstärke *I* in einem Leiter und die Spannung *U* zwischen den Enden des Leiters direkt proportional sind. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes lassen sich die drei Grundgrößen eines Stromkreises berechnen, wenn mindestens zwei davon bekannt sind: |Formel|Beschreibung| |---|---| |$I = \frac{U}{R}$|Liegt an einem Widerstand *R* die Spannung *U*, so fließt durch den Widerstand *R* ein Strom *I*.| |$U = {U}*{I}$|Soll durch einen Widerstand *R* der Strom *I* fließen, so muss die Spannung *U* berechnet werden.| |$R = \frac{U}{I}$|Fließt durch einen Widerstand *R* ein Strom *I*, so liegt an ihm eine Spannung *U* an.| :::danger **Beachten Sie!** Das Ohmsche Gesetz gilt nur für ohmsche Widerstände (normale Widerstände und Bauelemente, die einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom aufweisen). :::  --- ## Wirkungen elektrischen Stroms Man unterscheidet zwischen vier verschiedenen Wirkungen des elektrischen Stroms: <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/waerme.html" style="border:0px;width:50%;height:650px;float:left;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/leuchten.html" style="border:0px;width:50%;height:650px;float:left;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/magnet.html" style="border:0px;width:50%;height:650px;float:left;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/chemie.html" style="border:0px;width:50%;height:650px;float:left;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> <div style="clear: both"></div> :::info :page_facing_up: **Aufgabe 1**: Der in den Bildern dargestellte Aufbau visualisiert die Funktionsweise eine Glühlampe: Strom fließt durch einen Darht und erhitzt ihn, erfängt an zu Glühen. Warum brennt die Glühwendel (der glühende Draht) in der Abbildung unten durch? Wieso passiert das nicht bei einer handelsüblichen Glühlampe?   <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/durchbrennen.html" style="border:0px;width:100%;height:500px;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe>   :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag Das Durchbrennen der Glühwendel ist eine Oxidation, d.h. eine chemische Reaktion des Drahtes mit dem Luftsauerstoff. Die Oxidationsreaktionen benötigen eine Mindesttemperatur. Für den Metalldraht ist diese Temperatur überschritten, wenn er orange glüht. Dann oxidiert er sehr rasch mit dem Luftsauerstoff - er "verbrennt" einfach. Der Glühfaden in den Glühlampen wird vor Oxidation geschützt, indem der Glaskolben entweder luftleer gepumpt wird oder mit einem Gas gefüllt ist, das auch bei diesen hohen Temperaturen nicht mit dem Glühfaden reagiert. ::: :::info :page_facing_up: **Aufgabe 2**: Erläutern Sie, welchen entscheidenden Vorteil die Wasserstoffelektrolyse beim Betrieb von Autos gegenüber der herkömmlichen Technik mit Benzin bietet. [:link:Keinen Plan?](https://lmgtfy.app/?q=Wasserstoffelektrolyse)   :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag Bei der Solar-Wasserstofftechnik entsteht kaum das für die Umwelt so schädliche Gas Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>). Bei der energieliefernden Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt im Wesentlichen Wasser. Beim Betrieb von Autos mit Benzin oder Diesel kommt es bei der Verbrennung zum Ausstoß von CO<sub>2</sub>. Dieses Gas ist einer der Hauptverursacher des Treibhauseffekts, welcher unser Klima stark beeinflusst. ::: :::info :page_facing_up: **Aufgabe 3** An der Wand befinden sich drei elektrische Schalter. Sie können mit einem der drei Schalter eine Lampe im Nebenraum einschalten. Aber Sie wissen nicht, welcher es ist. Sie dürfen nur einmal in den Nebenraum gehen, um nachzusehen, ob das Licht an ist. Wie können Sie herausfinden, welcher der richtige Schalter ist?   :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag - Schalter 1 wird betätigt (Stromkreis wird geschlossen) und einige Zeit (z.B. 30s) gewartet. - Schalter 1 wird erneut betätigt (Stromkreis wird geöffnet). - Schalter 2 wird betätigt und Sie eilen sofort in den Nebenraum. Daraus kann man folgende Folgerungen ziehen: - Leuchtet die Lampe, so war Schalter 2 der richtige. - Leuchtet die Lampe nicht, ist aber beim noch warm, so war Schalter 1 der richtige. - Ist die Lampe überhaupt nicht wärmer als die Umgebung, so war Schalter 3 der richtige. ::: :::info :page_facing_up: **Aufgabe 4** Im nachfolgendem Video ist die Funktionsweise eines Türgongs schematisch dargestellt. Erklären Sie mit eigenen Worten, was passiert. {%youtube DRdXgHcSDSg %}    :::warning :::spoiler Lösungsvorschlag Wird der Strom durch die Spule eingeschaltet (Taste gedrückt), wird diese zum Magneten und zieht den Eisenstab nach rechts, die Feder wird gespannt. Der Stab trifft auf die rechte Platte, erregt diese zu Schwingungen und er ertönt ein Klang ("Ding"). Wird der Stromkreis unterbrochen (Taste nicht mehr gedrückt), verliert die Spule ihre magnetische Wirkung und der Eisenstab wird durch die Feder nach links gedrückt. Der Stab trifft nun auf die linke Klangplatte, die den Klang "Dong" von sich gibt. Lässt man die gedrückte Taste nicht los, so bleibt der Eisenstab nach rechts ausgelenkt (es gibt zunächst nur "Ding"). ::: :::info :page_facing_up: **Aufgabe 5** Ordnen Sie zu, auf welche Wirkungsfelder des elektrischen Stroms die zuvor gestellten Aufgaben abzielten. <iframe src="https://www.lehrlinie.de/Werken_Werkstoffe/Strom/aufgabenzuordnung.html" style="padding:10px;border:0px;width:100%;height:280px;" allowfullscreen="true" webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"></iframe> ::: --- ## Die Wirkungen des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper Das menschliche Gehirn nutzt elektrische Signale in Höhe von etwa 50 mV, um Bewegungsabläufe und Organe zu steuern. Wirkt jedoch von außen ein erheblich stärkerer Strom als der körpereigene ein, führt dies zu Muskelverkrampfungen – deshalb können Sie einen elektrischen Leiter nicht mehr loslassen, wenn er unter Strom steht. Ein Stromschlag kann zu Herzrhythmusstörungen und Kammerflimmern führen, infolge dessen auch zum Kreislaufstillstand. Im Gehirn können irreversible Schädigungen auftreten, die im schlimmsten Fall zum Tod führen. <table> <tr> <th>Stromstärke</th> <th>Dauer</th> <th>physiologische Einwirkung</th> </tr> <tr> <td>unter 0,5 mA</td> <td>beliebig lang</td> <td>Wahrnehmbarkeitsschwelle: Unter diesem Wert sind elektrische Wechselströme für den Menschen nicht wahrnehmbar.</td> </tr> <tr> <td>unter 10 mA</td> <td>über 2 s</td> <td rowspan="2">Es treten im Allgemeinen keine physiologischen Wirkungen auf.</td> </tr> <tr> <td>unter 200 mA</td> <td>unter 10 ms</td> </tr> <tr> <td>unter 100 mA</td> <td>über 500 ms</td> <td rowspan="2">Starke unwillkürliche Muskelreaktionen, welche zu dauerhaften Schäden führen können.</td> </tr> <tr> <td>unter 1A</td> <td>unter 200 ms</td> </tr> <tr> <td>über 100 mA</td> <td>über 500 ms</td> <td rowspan="2">Zusätzlich zu starken unwillkürlichen Muskelreaktionen, welche zu dauerhaften Schäden führen können, tritt Herzkammerflimmern mit Wahrscheinlichkeit von über 1 % auf.</td> </tr> <tr> <td>über 1A</td> <td>unter 200 ms</td> </tr> </table> --- ## Selbsteinschätzung Inwieweit haben Sie die Ziele für diese Einheit erreicht? |Ziele|:smiley:|:confused:|:disappointed:| |---|---|---|---| |Aneignung/Vertiefung von Wissen über Grundbegriffe und -annahmen der Elektrotechnik|<input type="checkbox">|<input type="checkbox">|<input type="checkbox">| Aneignung/Vertiefung von Wissen über verschiedene Wirkungen elektrischen Stroms und deren Nutzen|<input type="checkbox">|<input type="checkbox">|<input type="checkbox">| :::info :mega: Sollte Ihnen ein Ziel zu kurz gekommen sein oder wenn Sie jegliches Feedback oder Kritik haben, nutzen Sie bitte die Kommentarfunktion und geben Sie mir Hinweise zum Überarbeiten. :::