Stromstärke und Spannung - wichtig für die Glühlampe?
Hey,
ich habe gerade in dem Fach Physik das Thema elektrische Stromstärke und elektrische Spannung. Meine Frage wäre jetzt warum die elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung wichtig ist für das Leutchen einer Glühlampe? Denn ich hab das nicht ganz verstanden und würde mich um so mehr auf eine kleine Erklärung freuen und es würde mir sehr viel weiter helfen.♡
Mit freundlichen Grüßen -^-^-
5 Antworten
- Wenn Strom sich durch einen Draht zwängt, wird der Draht warm (wie wenn viele Menschen gleichzeitig durch eine Tür wollen, da gibt es Stau und Gedränge und Aerger).
- Glühlampendrähte sind so dünn, dass sie eben durch den Stromfluss glühen
- Damit Strom fliesst, muss er angetrieben werden durch eine "Strompumpe", das ist die Stromquelle, und der nötige Druck heisst elektrisch: Spannung.
- Das ohmsche Gesetz sagt, je mehr Spannung man draufgibt, desto mehr Strom fliesst auch.
- Damit der Glühfaden richtig glüht (nicht zuviel und nicht zuwenig), werden Glühlampen für eine bestimmte Spannung gebaut, bei der sich dann die richtige Stromstärke für den Glühfaden einstellt.
spannung und stromstärke stehen in direkter relation zueinander. die spannung brauchts, damit der strom fließen kann.
die glühlampe ist ein widerstand. dem entsprechend stellt sich über die spannung die stromstärke quasi von selbst ein.
bei der leuchtdiode ist es anders. sie ist wie der name bereits verrät eine diode (kein widerstand) daher muss sie nach stromstärke betrieben werden. also entweder mit einem vorwiderstand oder einer konstantstromquelle.
lg, anna
Grundsätzlich gilt immer die Energieerhaltung und immer dann wenn Arbeit verrichtet wird, wird Energie von einer Energieform in eine andere umgewandelt. Die verrichtete Arbeit W entspricht also der Energieänderung eines Systems ΔE Das ist die Grundlage.
In der Physik ist GRUNDSÄTZLICH die verrichtete Arbeit W mit Kraft * Weg definiert:
W=F*s
Es wirkt also eine Kraft F auf ein Objekt über eine Strecke s und eine Arbeit W wird verrichtet.
Lass uns das ganze langsam Schritt für Schritt aufbauen mit ganz alltäglichen Dingen die du so kennst:
Du möchtest, dass eine Kiste mit einer Masse von 1kg sich bewegt. Was machst du also? Du wirkst mit einer Kraft F auf diese Kiste mit der Masse m ein und beschleunigst diese:
F=m*a oder a=F/m (einfach nach der Beschleunigung a umgestellt)
Solange nun die Kraft auf die Masse einwirkt, wird die Masse immer weiter beschleunigt. Wenn die Kraft nun über eine bestimmte Strecke s die die Masse beim Beschleunigungsvorgang zurück legt wirkt, sagt man, dass die Kraft über diese Strecke gewirkt hat, die Energie die nun in der Masse steckt kann sich durch E=F*s berechnen lassen, nämlich die Kraft F die über die Beschleunigungsstrecke s gewirkt hat. Das heißt, du hast Energie aufgewendet um damit die kinetische Energie des Körpers zu erhöhen. Wenn wir das ganze als ein abgeschlossenes System betrachten (ein System ohne zusätzliche Umgebungseinflüsse Reibung auf der Straße, Luftwiderstand etc.) dann würde die Energie die nun als kinetische Energie der Masse vorliegt exakt deiner eigenen Energieänderung entsprechen, die du beim Beschleunigen der Masse investiert hast.
Schön und gut aber was hat das jetzt mit dem elektrischen Strom zu tun?
Mit Strom sieht es genau ähnlich aus. Ich habe das oben nur als Beispiel genommen um einen alltäglichen Bezug herzustellen.
Beim elektrischen Strom wollen wir elektrische Ladungen die sich ja überall im elektrischen Leiter z.b. des Materials "Kupfer" befinden, beschleunigen. Das heißt, dass wir beim elektrischen Strom Ladungen dazu bringen wollen sich von Punkt A zum Punkt B zu bewegen bzw vom - Pol zum + Pol (Physikalische Stromrichtung).
Das Problem ist, dass Elektronen zum Bewegen überzeugt werden müssen, sie werden sich nicht freiwillig bewegen. Das heißt also wir müssen auch hier genau wie bei der Kiste mit einer Kraft auf sie einwirken. Aber wie machen wir das? Wir können sie schlecht anschieben.
Blöd... Aber Moment! Wir haben doch irgendwann einmal gehört, dass positive Ladung negative anzieht. Das heißt die positive Ladung wirkt irgendwie in einem bestimmten Bereich um die positive Ladung herum mit einer Kraft auf alle Elektronen ein, die sich in diesem Wirkungsbereich befinden. Dieser Wirkungsbereich von der die Kraft ausgeht die andere Ladungen beschleunigen kann wird als elektrisches Feld bezeichnet.
Das heißt wir können Ladungen mit elektrischen Feldern beschleunigen:
Fel=E*q
Merkst du was? Was für die Masse aus dem oberen Beispiel F=m*a ist, ist für Ladungen F=E*q.
Es ist also so als würden wir Massen bewegen, nur das unsere Masse diesmal keine Masse sondern die Ladung Q ist z.b. ein Elektron. Nur das die Elementarladung mit e und nicht mit Q angegeben wird.
Kleines Experiment:
Wir nehmen 2 Metallplatten und schließen diese an einer Spannungsquelle an. Die eine Metallplatte wird nun negativ aufgeladen und die andere positiv aufgeladen. zwischen den Platten wirkt jetzt ein homogenes elektrisches Feld (homogen bedeutet das elektrische Feld ist überall zwischen den Platten gleich stark).
Nun packen wir eine negative Ladung Q genau zwischen den Platten. Was passiert? Die Probeladung wird jetzt automatisch von der negativ geladenen Platte abgestoßen (negativ und negativ stoßen sich ja ab) und von der positiv geladenen Platte angezogen.
Schauen wir uns die Gleichung F=E*Q nochmal genauer an und formen diese nach E um:
E=F/Q das heißt die elektrische Feldstärke E in unserem Plattenkondensator hängt von der Ladungsverteilung auf der Platte des Kondensators ab und entspricht einer Kraft F pro Ladung Q
Wenn wir jetzt noch den Abstand zwischen den Platten mit einbringen können wir doch sagen, dass die Kraft über den Plattenabstand d pro Ladung wirkt.
hmmm Platenabstand d... das ist doch eine Strecke! was haben wir also?
F*d/Q
Also Kraft * Weg pro Ladung und was war Kraft * Weg noch gleich in der Physik?! Eine Arbeit! W=F*s ;)
Wir haben also eine Arbeit die pro Ladung. Also eine Fähigkeit von Ladungen eine Arbeit zu verrichten. Also eine Energie pro Ladung E/Q
Aber wo kommt diese Energie her?
Ja damit es überhaupt dazu kommt, dass wir auf einer Seite viele Elektronen (Elektronenüberschuss) und auf der anderen Seite wenig Elektronen haben (Elektronen Mangel) mussten wir doch vorher Ladungen trennen und was passiert wenn wir Ladungen trennen? Ladungstrennung impliziert doch, dass wir mit einer Kraft F auf die Ladung Q einwirken und trennen bedeutet räumlich trennen, das heißt auch hier spielt ein Weg eine Rolle. Das heißt die Arbeit pro Ladung die wir hier gerade bekommen haben ist exakt die Arbeit (wenn wir das als ein abgeschlossenes System betrachten) die wir doch vorher bei der Ladungstrennung reingesteckt haben von nichts kommt nichts oder wie sagt man so schön? ;)
Die Arbeit pro Ladung wird auch Spannung genannt und wird in Volt angegeben also:
U=W/Q Also die Fähigkeit pro Ladung eine Arbeit zu verrichten.
In einem Experiment mit einen Plattenkondensator kann man das auch sehr gut sehen, wo zunächst eine Ladung durch das anlegen einer Spannung auf die Platten gebracht wird. Nun wird die Spannungsquelle entnommen und die Platten auseinander gezogen. Es kann jetzt gemessen werden, dass die Spannung zwischen den Platten beim auseinander ziehen der geladenen Platte ohne Spannungsquelle ansteigt. Warum? Ja wir trennen doch gerade die Ladungen noch weiter, heißt der Plattenabstand zwischen den Platten wird größer.
Jetzt haben uns Mühselig und sehr ausführlich die Spannung U hergeleitet jetzt brauchen wir ja noch einen Strom, das heißt wir müssen die Elektronen jetzt auf die Reise schicken.
Dazu verwenden wir einen elektrischen Leiter. Jeder elektrische Leiter weißt dabei eine unterschiedliche Leitfähigkeit auf und damit einen unterschiedlichen Widerstand je nach Material. Damit die Ladungen nun beim Stromfluss durch die Leitung kommen müssen sie in der Lage sein eine gewisse Arbeit zu verrichten, denn der Widerstand des elektrischen Leiters versucht die Bewegung der Ladung zu verringern. Die Ladung die Pro Zeit durch den Querschnitt eines beliebigen Punktes des elektrischen Leiters fließen nennt man elektrische Stromstärke I
I=Q/t
nun nehmen wir eine Lampe also irgend eine Glühbirne, dort befindet sich ebenfalls ein dünner elektrischer Leiter und an diesen dünnen elektrischen Leiter haben wir nun eine Spannung U anliegen, da ja die Ladungen Arbeit verrichten müssen um durch diesen Leiter zu kommen. Diese verrichtete Arbeit ist ja Energie, denn du weißt ja wenn Arbeit verrichtet wird wird Energie von einer Energieform in eine andere umgewandelt und hier ist es eben jetzt elektrische Energie in Licht aber leider auch viel Wärme (blöd eigentlich wollen wir nur Licht).
Wir haben also eine Ladung pro Zeit I=Q/t und eine Arbeit pro Ladung die dabei verrichtet wird U=W/Q
jetzt mitdenken! Pro Ladung wird jetzt Arbeit verrichtet wie viel Arbeit verrichtet wurde hängt jetzt aber davon ab wie viel Ladung innerhalb einer bestimmten Zeit durch unseren Verbraucher geflossen ist.
Das Verhältnis zwischen Arbeit und Zeit wird als Leistung bezeichnet und mit Watt angeben. also
P=W/t
Wir können also die Leistung die elektrisch verrichtet wird berechnen indem wir die Stromstärke mit der Spannung multiplizieren:
P=U*I aber warum?
Um das zu verstehen müssen wir jetzt ein bisschen Mathematik betreiben: Wir wissen U=W/Q und I=Q/t setzen wir das jetzt für I und U in der Gleichung ein:
P=W/Q*Q/t
Wir haben also 2 Brüche die wir miteinander multiplizieren. Wie Multipliziert man Brüche? Nenner * Nenner und Zähler * Zähler
P=W*Q/Q*t
nun verschwindet Q/Q aus der Gleichung raus und es bleibt
P=W/t damit gilt:
P=W/t=U*I
Mit der Stromstärke erhalten wie eine Ladungsmenge pro Zeit und mit der Spannung erhalten wir die entsprechende Arbeit die pro Ladung verrichtet wird.
Die verrichtete Arbeit pro Ladung ist also die Energiemenge die für das Licht und der Wärme einer Glühbirne verantwortlich ist, denn exakt diese Energie ist es, die in einem bestimmten Verhältnis in Licht und in Wärme umgewandelt wird. Es braucht also ein Strom und eine Spannung ansonsten wird keine Arbeit verrichtet. Denn wenn Spannung 0 ist oder Strom 0 ist, haben wir:
P=U*0
oder eben
P=I*0 und in beiden Fällen ist die Leistung 0 denn irgendwas mit 0 multipliziert ist 0. Ist ein Faktor einer Multiplikation 0 so ist das gesamte Ergebnis 0.
Wie viel dieser elektrischen Energie in einer Glühbirne nun in Licht und in Wärme umgewandelt wird erhalten wir durch den Wirkungsgrad der Glühbirne, der in % angegeben wird. Glühbirnen haben im durchschnitt einen Wirkungsgrad von etwa 5% das heißt gerade mal 5% der elektrischen Energie wird dann in Licht umgewandelt der Rest ist z.b. Wärme.
Man differenziert in der Praxis nicht zwischen Lichtenergie, Wärmeenergie oder anderen Energiearten. In der Praxis schaut man sich an, was für eine Energieform wir am Schluss erwarten, bei einer Glühbirne erwarten wir Licht, geben an wie viel Prozent der elektrischen Energie nun in Licht umgewandelt wird und der Rest wird zwar in andere Energieformen umgewandelt (Energie geht ja nicht verloren) aber anstatt hier noch zu schauen welche Energieformen hier noch eine Rolle spielen, nimmt man einfach alles restliche auf einen haufen zusammen und nennt diesen Restbestand "Verlust" heißt also 95% der elektrischen Energie bei einer Glühbirne ist sogenannte Verlustleistung.
Das war ein Versuch aus einem Fragesteller ein Elektriker zu machen.
ne es ist exakt die Antwort auf die Frage nur eben sehr ausführlich ich denke gerade im Thema Elektrizitätslehre wird es ihm mit Sicherheit weiterhelfen, zu lernen, das zu verstehen.
Aber das geht dann schon langsam Richtung Physik Abi Thema: "Elektrisches Feld" aber es sind eben exakt diese zusammenhänge die hier eine Rolle spielen. Vermutlich wird er das so genau gar nicht wissen müssen, auf der anderen Seite weiß ich auch nicht, was er aktuell Schulisch macht. Schaden wird es nicht und dümmer wird man jetzt auch nicht davon :D
Die Spannung ist sozusagen der Druck in der Leitung wie bei einer Wasserleitung. Ohne den würde kein Strom (Wasser) fließen. Wenn nun der Strom fließt, setzt die Glühbirne dem Strom einen Widerstand entgegen und möchte nicht viel Strom durchlassen und der Glühfaden wird dadurch heis und fängt an zu glühen. Wenn ich jetzt mehr Spannung draufgebe wie die Glühlampe verträgt, wird der strom auch größer. Der Glühfaden wir noch heiser und ganz hell, bevor er durchbrennt. Gebe ich eine kleinere Spannung drauf, leuchtet sie gar nicht oder dunkler, abhängig von der Spannungshöhe
Für die Glühbirne ist nur die richtige Stromstärke wichtig. Denn die Stromstärke erzeugt durch Reibung im Widerstand der Glühbirne Wärme = Licht.
Allerdings brauchst Du zum Einstellen der richtigen Stromstärke bei einem festen, vorgegeben Widerstand (in der Glühbirne) die richtige Spannung.
Ist die Spannung zu klein, dann fließt zu wenig Strom => dunkel.
Ist die Spannung zu groß, dann fließt zuviel Strom. Glühbirne brennt durch => dunkel.
Kapiert?
Mensch ist das wieder ausschweifend erläutert. Geht doch weit über die Frage hinaus.