Physik Ohm´sche Gesetz?
Ein Bauteil genügt dem Ohm´schen Gesetz. Bei einer Spannung von 20V wird eine Stromstärke von 100mA gemessen. Was ist dann die Stromstärke, die beim Anlegen einer Spannung von 60V gemessen wird? Was ist der Rechenweg?
6 Antworten
Ich denke, dir fehlt noch das Verständnis dafür bzw ich schätze du kannst dir noch gar nicht so recht vorstellen was das eigentlich sein soll wie mir scheint.
Aus der Physik im Allgemeinen ist dir ja bekannt, dass nach Newton ein Objekt mit einer bestimmten Masse sich erst in eine bestimmte Richtung bewegen bzw beschleunigt werden kann, wenn auf diesen eine Kraft F wirkt nicht wahr? Also erhalten wir folgende Gleichung F=m*a
das sollte dir bekannt sein und ist auch nicht so schwierig du hast eine Kugel, meinetwegen eine Steinkugel mit der Masse m und du willst, dass sich diese Kugel bewegt also musst du die Kugel ja beschleunigen sonst bewegt sie sich ja nicht. Damit die Kugel beschleunigt musst du mit der Kraft F auf die Kugel einwirken, meinetwegen schubst du sie einfach mit der Kraft F an und siehe da, die Kugel wird beschleunigt sofern du stark genug schubst :)
Du hast also hier einen klaren Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung. Die Ursache der Beschleunigung ist die Kraft, die auf den Körper eingewirkt hat, weil du ihn angeschubst hast und die Wirkung ist die Beschleunigung des Körpers. Ganz einfach. Ein fundamentales Gesetz, kann gar nicht anders sein.
Wieso sollte dieses Gesetz nicht auch für Ladung gelten? Natürlich tut es das. wirkst du mit einer Kraft auf das Elektron ein, so kannst du die Ladung entsprechend beschleunigen und diesen über die Strecke s verschieben und was haben wir wenn wir F und s miteinander multiplizieren? ARBEIT W=F*s ;)
Exakt das ist es doch was du machst wenn du eine elektrische Spannung haben willst oder? Du verschiebst bzw trennst Ladungsträger und dazu musst du eben eine Arbeit hineinstecken. Fundamental, es geht gar nicht anders aus.
Mehr hast du bei der Spannung eigentlich außer die Anzahl der Ladung also lässt sich hier auch basierend auf der Aussage eine Gleichung herleiten nicht wahr? U=W/Q (Arbeit pro Ladung)
Was ist also die elektrische Spannung? Die elektrische Spannung ist die FÄHIGKEIT von Ladungen Arbeit zu verrichten. Das sagt uns die Gleichung.
Wenn wir eine Spannung haben, haben wir also bei Ladungen das Potential Arbeit zu verrichten aber tun sie das auch? Nö. Erstmal nicht. Die Spannung ist da aber wir haben noch nicht gesagt, dass hier irgendetwas passiert. Das heißt die Elektronen KÖNNTEN Arbeit verrichten TUN es erstmal nicht. Die Frage ist nur, wann tun sie das? Und die Antwort ist, wenn der Widerstand zwischen den 2 Punkten mit einmal einen Elektronen Mangel und einmal einen Elektronenüberschuss klein genug ist und damit kommen wir auch zur Definition des elektrischen Widerstandes.
Grob gesagt: (und Merke dir folgenden Satz) Der elektrische Widerstand ist eine KRAFT, die auf bewegte Ladungen wirkt und der Bewegung der Ladung entgegenwirkt. Das heißt die Kraft zeigt immer in die entgegengesetzte Richtung der Flussrichtung der Ladung. Der elektrische Widerstand ist somit (und Achtung! Merken!) eine Kraft, die die Bewegung der Ladung zu hemmen versucht.
Das heißt die Kraft des elektrischen Widerstandes bzw die Kraft die wir elektrischen Widerstand nennen hat einen bestimmten Betrag und will nicht, dass Elektronen sich bewegen. Wenn man so will :D
Woher kommt diese ominöse Kraft aber? Wovon ist der Betrag abhängig? Die Richtung kennen wir ja immer der Bewegung der Ladung entgegen aber der Betrag muss ja irgendwo herkommen. Der Betrag des elektrischen Widerstandes hängt rein Physikalisch gesehen vom spezifischen Widerstand des Materials ab, das heißt jedes Material leitet den elektrischen Strom unterschiedlich gut haben also unterschiedliche Leitwerte bzw spezifische Widerstände außerdem hängt es noch von der Länge des elektrischen Leiters und dem Querschnitt ab natürlich auch von der Temperatur der aber zum spezifischen Widerstand dazu gehört und dadurch zustande kommt, weil erwärmtes Material hat zur folge, das Atome und Moleküle in Schwingung geraten und daher die Bedingungen für freie Ladungsträger im Material verschlechtern was aber für den elektrischen Leitwert ausschlaggebend ist.
Demnach gilt für den elektrischen Widerstand eines elektrischen Leiters:
Du hast also wenn du eine Spannung anliegen hast eine Kraft, die die Elektronen in die Richtung des Elektronenmangels zieht und eine Kraft als elektrischer Widerstand bezeichnet, der der Bewegung der Elektronen entgegenwirkt. Sollen die Elektronen sich also bewegen, dann muss die reibende Kraft größer sein als die Kraft des elektrischen Widerstandes. Das erreichst du wenn entweder die treibende Kraft erhöhst indem du die Spannung erhöhst oder den elektrischen Widerstand senkst indem du die Leitfähigkeit des elektrischen Leiters verbesserst. Egal wie du das machst aber das ist die Bedingung für den elektrischen Strom ansonsten kannst du es mit deinem Strom vergessen.
Wenn nun der Widerstand klein genug ist oder die Spannung groß genug, dann beginnt damit ein elektrischer Strom zu fließen aber wie ist der elektrische Strom zu definieren.
Nun was ist Strom im allgemeinen? Strom ist ja im Allgemeinen eine Menge von irgendetwas, die sich in eine einheitliche Richtung bewegen. Meinetwegen eine Menge von Menschen die sich in die gleiche Richtung bewegen. Dann handelt es sich um einen Menschen Strom. Beim elektrischen Strom sind es die Elektronen, die sich dort in die gleiche Richtung bewegen nämlich immer vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel wo auch immer diese Punkte liegen.
Willst du wissen, wie Stark der Strom fließt brauchst du nur zu schauen wie viele Elektronen bzw negative Ladungsträger pro Zeiteinheit durch den elektrischen Leiter bewegen. Demnach folgt I=Q/t (Ladung pro Zeit)
Nun haben wir geklärt was Kraft und was Arbeit ist und was das mit unserem elektrischen Strom zu tun hat aber was ist Leistung?
Nun. Immer wenn wir Arbeit verrichten, sei es weil du kinetische Energie investierst um ein Gummiband zu dehnen oder weil du deine Hände erwärmen willst indem du deine Hände aneinander reibst, wird Energie von einer Energieform in eine andere umgewandelt. Du weißt ja, Energie geht niemals verloren. Sie wird nur umgewandelt. Gehört mit zu den physikalischen Grundlagen. Das heißt immer wenn du Arbeit verrichtest wandelst du Energie von einer Energieform in eine andere um. Immer dann und nur dann wird eine Arbeit W verrichtet. Das verrichten der Arbeit beschreibt also den Vorgang der Energieumwandlung also von einer Energieform in eine andere. Arbeit selber sagt uns etwas über das Energieniveau eines Systems demnach können wir sagen Energie ist die Fähigkeit eines Objektes Arbeit zu verrichten man spricht dann auch von der potentiell freisetzbaren Energie.
Die Leistung sagt uns etwas nur über den Prozess der Energieumwandlung generell. Das heißt wir verrichten eine Arbeit und je länger wir diese Arbeit verrichten, desto mehr Leisten wir. Es ensteht also erst dann eine Leistung wenn auch Energie umgewandelt wird also wenn der Prozess in gang gebracht wurde und Arbeit verrichtet wird und die Arbeit pro Zeit gibt uns dann Auskunft darüber, wie viel gelistet wird.
Praxis beispiel. Dir ist Kalt in deiner Hütte also denkst du dir: "Ein Heizlüfter währe jetzt super" also kaufst du dir ein Heizlüfter. Deine Idee für die Erzeugung von Wärmeenergie ist es jetzt elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Dazu muss also elektrische Arbeit verrichtet werden, das heißt wir brauchen irgendetwas eine elektrische Quelle, die uns die die entsprechende Fähigkeit hat elektrische Arbeit zu verrichten. Glücklicherweise lässt sich der Netzanbieter mit Geld bestechen, sodass er uns diese elektrische Energie also die Fähigkeit von Elektronen Arbeit zu verrichten zu Verfügung stellt. Wir haben also an unserer normalen Steckdose eine Spannung anliegen.
Wunderbar. Wir haben jetzt eine Menge Ladung Q die in der Lage sind Arbeit W zu verrichten U=W/Q also sollen sie das gefälligst auch tun! Also schließt du deinen Heizlüfter an nun beginnt damit ein Strom zu fließen I=Q/t also wir haben jede Menge Ladung die pro Zeit durch den Leiter fließen. Nun wird elektrische Arbeit geleistet und dein Heizlüfter wird warm.
Was will ich dir jetzt mit allem sagen? Wenn du U also die Spannung hast, dann hast du ja die Fähigkeit von den Elektronen Arbeit zu verrichten. Das tun sie aber nicht warum nicht? Weil kein Strom fließt, die Elektronen bewegen sich nicht. Bezogen auf einen Punkt mit Elektronenmangel könnten sie aber sie tun es nicht weil der Widerstand zu groß ist. Somit hast du auch keine Leistung, denn die Leistung ist ja die Arbeit die pro Zeit verrichtet wird. Wenn aber ein Strom fließt haben wir ja Ladung pro Zeit also Q/t also wird die Arbeit auch verrichtet, denn wir haben eine Spannung U mit der Arbeit pro Ladung und wir haben einen Strom mit der Ladung pro Zeit daraus folgt also: P=U*I=W/Q*Q/t=W/t
Q/Q streicht sich ja raus. Hier soll nochmal deutlich sein, dass die Leistung von der Energieform selber unabhängig ist es geht nur um die Arbeit die verrichtet wird, ob es sich dabei um Elektronen handelt die durch den Leiter gepresst werden oder um deine Hände die du aneinander reibst um sie zu erwärmen spielt keine Rolle du hast eine Energie die zu einer bestimmten Energieform gehört, elektrische Energie, höhen Energie, Spannungsenergie what ever und die wandelst du einfach nur in eine andere Energieform um und dann wird etwas geleistet.
Potentialunterschied
Ich denke, das ist auch wichtig zu verstehen. Wenn man so einige fragt, was Spannung ist, dann werfen sie sofort in den Raum "Potentialunterschied!" das ist FALSCH!
Ladungen haben grundsätzlich das bestreben sich auszugleichen. Das heißt jedes Element im Periodensystem ist an sich erstmal elektrisch Neutral. Bei der Bildung von Molekülen etc verändert sich da ein bisschen was aber das ist uns erstmal egal.
Wenn wir nun ein Elektron vom Atom wegnehmen wollen, müssen wir ja eine Kraft aufwenden, weil der positiv geladene Kern zieht den negativ geladenen Elektron ja an. Diese Anziehungskraft müssen wir ja überwinden ansonsten bewegt sich das Elektron nirgendwo hin.
Entfernen wir aber das Elektron nun aus dem Atom ist die Anzahl der positiven Ladung ungleich der negativen Ladung und es wirkt nach Außen eine Lorenz kraft auf Ladungen.
Die Anzahl der Ladung auf einer bestimmten Fläche wird auch Potential genannt. Also die Ladung die zu viel bzw zu wenig ist. Wir können also ein Punkt haben mit einen sogenannten Elektronen überschuss (weil sich dort zu viele Ladungen befinden) und einen Punkt mit einen Elektronenmangel.
Die Elektronen die fließen beim Elektrischen Strom zwar immer vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel allerdings definiert das nicht die Spannung! Die Spannung sagt nur etwas darüber aus, wie viel Arbeit die Ladung dabei verrichten. Haben wir also auf der Seite des Elektronenmangels schon mehr Elektronen sodass der Elektronenmangel kleiner ist, können auch weniger Elektronen Arbeit verrichten somit wird auch die Arbeit pro Ladung kleiner und damit auch die Spannung U=W/Q aber das sagt trotzdem nichts über die Spannung selbst aus, denn auch wenn wir weniger Ladung haben als vorher können wir auch einfach die Arbeit pro Ladung vergrößern und so können wir trotz weniger Ladung eine hohe Spannung haben.
Der elektrische Potentialunterschied hängt zwar mit der elektrischen Spannung zusammen bzw beeinflusst sie aber sagt über die Spannung selbst nicht viel aus, daher lässt sich die elektrische Spannung über den Potentialunterschied auch nicht definieren.
Das Verhältnis zwischen Strom, Spannung und Widerstand wird im Ohmschen Gesetz beschrieben I=U/R Bezogen auf deine Daten lassen sich also folgende Aussagen machen:
Da bei einer Spannung von 20V ein Strom von 100mA fließt, muss der gesamte Widerstand der Schaltung, Last, des Gerätes what ever an der Spannungsquelle angeschlossen ist nach dem ohmschen Gesetz I=U/R=>R=U/I=20V/100mA=200 Ohm betragen. Die Stromstärke demnach I=U/R=60V/200 Ohm=0,3A=300mA betragen. Auch die Leistung lässt sich hier berechnen P=U*I=60V*300mA=18Watt
P=U*I=20V*100mA=2 Watt Die Spannung erhöht sich von 20 auf 60 also um das 3 fache während sich die Leistung um das 9 Fache beim gleichen Widerstand erhöht.
Moin,
nur Widerstände bei Gleichspannung sind mit dem reinen Ohmischen Gesetz gut zu berechnen! (Für alles andere brauchst du mehr/andere Formeln!) ....
R=U/I
Das Ohmsche Gesetz ist eine Verhältnisgleichung! Bei der 3-Fachen Spannung hast du auch den 3-fachen Strom! Das Verhältnis bestimmt die Größe des Widerstands!
Grüße
Rein ohmsche Widerstände verhalten sich bei Wechselspannung ebenso wie bei Gleichspannung.
"Ohm'sches Gesetz" bedeutet, dass der Widerstandsverlauf linear ist. Das heißt wenn du bei hast, dann kannst du diese 200Ω weiter nutzen.
Also den dreifachen Strom bei der dreifachen Spannung.
Es gilt I1/U1 = I2/U2=...=1/R.
Umstellen nach I2 und einsetzen von I1, U1 und U2 liefert
I2 = U2* I1 /U1 = 60V * 100mA/20V = 300mA
Bei gleichbleibendem Widerstand erhöht sich der Strom proportional zur Spannung. 3 mal mehr Spannung bedeutet 3 mal mehr Strom, also 3 mal 100 mA ergibt 300 mA.