Eselsbrücke Strom (Volt, Ampere, Watt)?

5 Antworten

Hier eine grobe Übersicht der wichtigsten Einheiten und Formeln

  • Spannung (U) in Volt (V)
  • Strom (I) in Ampere (A)
  • Widerstand (R) in Ohm
  • Leistung (P) in Watt (W)
  • Energie (E) in Kilowattstunden (kWh)

Die wichtigsten Formeln ( die sich beliebig umstellen und verknüpfen lassen):

U = R*I; Beispiel U= 10Ohm * 1A = 10V (Ohmsches Gesetz); Eselsbrücke könnte der Schweizer Kanton Uri sein.

P= U*I; Beispiel U= 230V *2A = 460W (Spannung * Strom ergibt Leistung)

E = U*I*t oder damit E = P*t; Beispiel: 1000W*1h =1000Wh = 1kWh (Leistung * Zeit ergibt Energie).

In folgenden Links findest Du jeweils kurze Erklärungen z.B. zu Spannung, Strom, Widerstand,..Energie,.... mit Bildern und leichten Aufgaben zur Vertiefung:

https://www.gut-erklaert.de/physik/elektrotechnik-lernen-uebersicht.html

https://www.frustfrei-lernen.de/elektrotechnik/elektrische-energie.html

https://www.gut-erklaert.de/physik/elektrische-spannung-einfach-erklaert.html

Nur wo Spannung ist, kann, bei genügend geringem Widerstand (im Stromkreis) ein Strom fließen, der eine Leistung hervorbringt.

Eine Eselsbrücke: Uri (ein Schweizer Kanton, siehe diverse Kreuzworträtsel) Das U steht ganz vorn und ist in Berechnungen zu Strom und Widerstand immer die zu teilende Größe.

U/I=R U/R=I (U=I*R)

Je mehr Spannung und/oder je mehr Strom desto höher die Leistung, und ohne jedes Extra einfach U*I=P

Kabel (bei theoretisch idealer Isolierung) vertragen nicht eine bestimmte Leistung, sondern einen bestimmten Strom, bzw. nur die Höhe des Stromes bewirkt die Erwärmung eines Leiters. Zu hohe Spannung auf dem Kabel zerstört dieses durch Überschlag und folgenden Kurzschluss.

Ein zu hoher Strom fließt im Verbraucher, wenn dieser mit einer für ihn ungeeignet hohen Spannung betrieben wird. Ein zu hoher Strom wird einem Netzteil abverlangt, wenn der Verbraucher zu niederohmig für dieses Netzteil ist.

Volt ist Spannung

Watt ist Leistung

Ampere ist Stromstärke

Für den Verbraucher sind Watt und Verbrauch wichtig, und der richtet sich natürlich nach Nutzungsdauer und der Häufigkeit. Mehr muss man nicht wissen, denn alle Geräte, die wir hier kaufen, sind für 240 Volt Netzspannung ausgelegt, elektronisxhe sogar auch für 120 Volt, wie Laptops etc.

Die Grundlagen in der Elektrotechnik die man mindestens kennen sollte, wenn man sich mit der Elektrotechnik beschäftigen möchte sind das Ohmsche Gesetz und die 2 Regeln von Kirchhoff einmal die Maschenregel und einmal die Knotenpunkt Regel wenn du das verstanden hast, kannst du schon einen großen Teil der elektrischen Vorgänge nachvollziehen. Auf diese Gesetzmäßigkeiten baut alles Andere mehr oder weniger auf. Natürlich gibt es hier noch das Induktionsgesetz und die Lenzscheregel, wenn es um Induktivitäten und Kapazitäten geht. Die lasse ich hierfür allerdings erstmal außen vor.

Das Ohmsche Gesetz: I=U/R

Das Ohmsche Gesetz ist das täglich Brot jeden Elektrikers und sobald du dich mit Elektrotechnik beschäftigt auch wenn es um eine einfache Glühbirne geht kommst du nicht am ohmschen Gesetz vorbei. Das Ohmsche Gesetz beschreibt hierbei in welchem Verhältnis Strom, Spannung und Widerstand zueinander stehen.

Spannung: Die elektrische Spannung ist die Fähigkeit von Ladungsträgern arbeit zu verrichten. Diese Fähigkeit von Ladungsträgern Arbeit zu verrichten entsteht aufgrund von Ladungstrennung. Ein Atom besteht ja aus einem Positiv geladenen Kern, aus Protonen und Neutronen, wobei die Neutronen für das elektrische Verhalten nichts zusagen hat, da das Teilchen Neutral ist und somit nicht elektrisch geladen. Die Protonen sind positiv geladene Ladungsträger, da diese sich im Atomkern befindet, sagt man, das Atom besteht aus einem positiv geladenen Kern. Die Elektronen befinden sich auf Kreisbahnen um den Atomkern den "Orbitalen". Je nach dem wie das Atom aufgebaut ist, also wie groß die Anzahl der Neutronen und Protonen sind, hat das Atom auch unterschiedlich viele Orbitale auf denen es Elektronen halten kann. Die erste Kreisbahn fasst 2 Elektronen, die 2. 4 usw. das geht solange bis das Atom genauso viele Elektronen wie Protonen hat (Im Idealfall) dann ist das Atom Neutral also nicht geladen und es fließt auch kein Strom.

Der Grund warum es diese Orbitale gibt und nicht einfach alle Elektronen sich auf der selben Kreisbahn befinden können ist der, weil die Elektronen sich gegenseitig Abstoßen, denn wir erinnern uns, gleichnamige Ladungsträger stoßen sich gegenseitig ab. Das Elektron wird also gleichzeitig von den Elektronen auf der ersten Kreisbahn abgestoßen während es vom Atomkern angezogen wird, da dieser positiv geladen ist so entsteht eine neue Kreisbahn an dem sich die Kräfte aufheben und auf dem sich das Elektron dann befindet.

Das Elektron auf der äußersten Bahn ist das sogenannte Valenzelektron. Diese Elektronen können durch zugeführter Energie vom Atomkern entrissen werden und werden so zu freihen Ladungsträgern. Genau das wird gemacht um eine "Ladungstrennung" zu realisieren, die benötigt wird um eine elektrische Spannung aufbauen zu können.

Je mehr Ladungsträger getrennt werden, desto höher wird auch die Spannung. Um mehr Ladungsträger also Elektronen von ihren Atomkernen zu trennen muss mehr Arbeit verrichtet werden und die Spannung erhöht sich das ganze lässt sich auch in der folgenden Formel: U=W/Q also die Spannung ergibt sich durch die Division der Arbeit in Joule (Formelzeichen W) durch die elektrische Ladung in Coulomb (Formelzeichen Q). Beschreiben. Das Formelzeichen für die Spannung ist U und die Einheit ist Volt.

Stromstärke: Sobald eine Spannung aufgebaut ist und der Stromkreis geschlossen wird, beginnen damit die Elektronen den Ladungsunterschied auszugleichen. Von der Seite auf dem ein Elektronenüberschuss vorhanden ist, da Ladungen getrennt wurden und daher auf einer Seite zu viele Elektronen vorhanden sind, fließen die Elektronen nun in Richtung in die der Elektronenmangel herrscht, denn wir haben der Seite ja die Elektronen bei der Ladungstrennung entzogen.

Die Stromstärke I in Ampere sagt im Prinzip etwas darüber aus, wie viel Ladung Q in Coulomb pro Zeit t in Sekunde durch den elektrischen Leiter fließt daher auch die folgende Formel: I=Q/t die Stromstärke ist also ein Ladung pro Zeit Verhältnis. Je mehr Ladungsträger pro Sekunde durch den Leiter fließen, desto höher wird auch die Stromstärke. Bei 1 Ampere fließt also eine Ladung von 1 Coulomb pro 1 Sekunde durch den elektrischen Leiter 1C/1s=1A

für einen Strom können wir auch anstelle etwas mysteriösem wie Elektronen, Menschen nehmen, die über eine Straße laufen. Die "Stromstärke" der Menschenmasse würde sich dann errechnen lassen, indem wir schauen, wie viele Menschen in einer Sekunde auf der Straße laufen wenn wir uns den einen Bereich der Straße anschauen und anfangen zu Zählen. Mehr ist das nicht mit der Stromstärke wenn es um Elektronen geht. Ich hoffe, dass das ein Beispiel war, was dir das Verständnis dafür erleichtern kann :D

Der elektrische Widerstand: Der elektrische Widerstand sagt etwas über die elektrische Leitfähigkeit eines Materials aus also wie gut der jeweilige Stoff z.b. Kupfer oder Eisen oder Gold, den elektrischen Strom leiten kann. Jeder Stoff leitet den elektrischen Strom unterschiedlich gut so gibt es Stoffe die den elektrischen Strom sehr gut leiten können, andere können den elektrischen Strom weniger gut leiten und wieder andere Stoffe leiten den Strom kaum bis gar nicht und werden "Isolatoren" genannt.

Die Elektrische Leitfähigkeit G wird in Siemens angegeben und ist der Kehrwert des elektrischen Widerstandes R in Ohm. also R=1/G. Je größer G wird, desto kleiner wird R. Macht ja auch Sinn, denn wenn der Stoff den elektrischen Strom gut leiten kann muss der Widerstand für den elektrischen Strom durch den eingesetzten Stoff als elektrischen Leiter sehr klein sein. Hätten Leitwert und Widerstand Gefühle könnte man wirklich sagen, der Widerstand will nicht, dass ein Strom fließt aber der Leitwert will unbedingt einen elektrischen Strom fließen lassen. Obwohl egal vergiss es :D

Kommen wir nun zum Ohmschen Gesetz: Wir wollen einen Strom I in Ampere durch einen elektrischen Widerstand R in Ohm fließen lassen und müssen dazu eine Spannung U in Volt über diesen anlegen. Ist der Leitwert G in Siemens eines Stoffes groß, so ist sein elektrischer Widerstand klein und es reicht eine Verhältnismäßig kleine Spannung um einen hohen Strom über diesen fließen zu lassen. Wenn wir diesen hohen Strom auch über einen größeren Widerstand fließen lassen wollen, so muss mehr Arbeit verrichtet werden, denn ein größerer Widerstand erschwert es uns Ladungsträger über diesen fließen zu lassen und U also Spannung haben wir ja gelernt, ergibt sich durch die Division von Arbeit durch Ladung. In der Spannung U steckt also der Faktor Arbeit W es müssen also mehr Ladungsträger Q getrennt werden.

Nun kommt die Leistung P ins Spiel die verrichtet wird. Die Leistung P in Watt gibt an wie viel Arbeit W pro Zeit t verrichtet wird. Da Spannung alleine per Definition nur das "Potential" von Elektronen arbeit zu verrichten ist, wird mit einer Spannung alleine noch keine Leistung erbracht also keine Arbeit pro Zeit verrichtet. Die Spannung beinhaltet nur die potentielle Arbeit, die die Elektronen bei geschlossenem Stromkreis verrichten können. Also P=W/t soviel zur physikalischen Grundlage. Was sagt das jetzt aber über unseren Strom aus? Ganz einfach:

Die Spannung beinhaltet ja die Arbeit, denn die Spannung sagt ja aus wie viel Arbeit benötigt wurde um eine Ladung zu trennen. Es ist so wie als würdest du ein Gummiband Spannen. Beim Spannen steckst du Arbeit also Kraft * Weg in das Gummiband. Diese Energie steckt nun in deinem Gummiband und das Bestreben des Gummibands wieder zusammen zu springen, sobald du es loslässt, ist das Potential vom Gummiband diese investierte Arbeit die im Gummiband gespeichert ist zu leisten um wieder zusammen in den Urzustand zu springen. Mit Strom ist es das selbe.

Die Stromstärke I in Ampere beinhaltet den Faktor Zeit, denn wir schicken ja eine bestimmte Anzahl an Ladungsträger Q in einer bestimmten Zeit t durch den Leiter, sodass diese Arbeit verrichtet werden kann und somit etwas geleistet werden kann also eine Leistung erbracht werden kann.

Aus diesen Erkenntnissen lässt sich die Formel P=U*I Herleiten. Je mehr elektrische Arbeit pro Sekunde erbracht wird, desto mehr wird geleistet. Bei 1V und 1A wird 1W geleistet. Das heißt hier wird eine Energieform in eine andere umgewandelt. Würden wir schauen, wie viel elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, z.b. in Wärme oder in form von elektromagnetischer Stahlung (Licht) und alles zusammen rechnen, würden wir feststellen, dass die Summe aller umgewandelten Energien die der zugeführten elektrischen Energie entspricht. Das deckt sich dann auch mit dem Energieerhaltungssatz: Energie geht nie verloren sondern wird immer nur in eine andere Energieform umgewandelt. Die elektrische Leistung sagt also etwas darüber aus wie viel elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird und die elektrische Leistung ist der Grund dafür, warum elektrische Geräte wie Staubsauger, PC, Fernseher, all diese Dinge warm werden. Hier wird ein Teil der elektrischen Energie nicht in die Energieform die wir eigentlich haben wollen umgewandelt wie z.b. bei einer Glühbirne, wo elektrische Energie in Licht umgewandelt werden soll sondern in eine andere Energieform die wir nicht haben wollten in dem Fall Wärme.

So kommt es zu den sogenannten Wirkungsgrad eines elektrischen Gerätes. der Wirkungsgrad sagt aus, wie gut das Gerät elektrische Energie in die Form umwandelt für was das Gerät auch gebaut wurde. Der Rest ist überwiegend als Verlust anzusehen. Die Energie ist zwar nicht verloren (Energieerhaltungssatz), ist aber jetzt in eine andere Energieform umgewandelt worden, die uns nicht den gewünschten Nutzen bringt wie z.b. Wärme. Deshalb spricht der Elektriker davon, dass ein Gerät mit einen kleinen Wirkungsgrad hohe Verluste mit sich bringt. diese "Leistung" nennt der Elektriker auch Verlustleistung Pv aus dieser Erkenntnis lassen sich folgende Formeln Herleiten:

Pv=Pzu-Pab man schaut also wie viel elektrische Leistung dem Gerät zugeführt wird also P=U*I und wie viel Leistung Ausgang des Gerätes abgegeben wird also wie viel elektrische Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt wird. die Defferenz daraus entspricht der Leistung, die in eine unerwünschte Energieform umgewandelt wurde und der Großteil der Verlustleistung wird in Wärme umgewandelt.

Daraus lässt sich der Wirkungsgrad in % errechnen:

Wirkungsgrad in %= Pab/Pzu. Vorsicht es kommt dann eine Dezimalzahl raus, die in % umgewandelt werden kann. Errechnest du einen Wirkungsgrad von über 1 also über 100% hast du falsch gerechnet, denn das würde bedeuten, dass keine Energie verloren geht bzw. umgewandelt wird in eben eine Energieform die wir nicht wollen sondern die Abgegebene Energie sich sogar noch erhöht. Wenn du wirklich keinen Rechenfehler drin hast und ein Wirkungsgrad von über 100% rauskommt, dann kann man sagen, dass du wirklich ein Energieproblem gelöst hast :D

Verlustleistung ist ein Problem in der Elektrotechnik, denn Verlustleistung ist die Art von Leistung, die zu Erhitzung führen und wenn ein Elektrischer Leiter oder ein elektrisches Gerät zu heiß wird, können die elektronischen Bauteile bzw. der Leiter durchbrennen. Darum muss man sich unbedingt um die Wärmeabfuhr kümmern.

Knotenpunktregel Die Knotenpunktregel von Kirchhoff sagt nichts anderes als: Was reingeht geht auch wieder raus. Das heißt, dass die Summe aller Teilströme den Gesamtstrom ergibt. Angenommen du hast eine Spannungsquelle von 12V und daran schaltest du dann einen ohmschen Widerstand und parallel dazu einen weiteren Widerstand. Kirchhoff sagt jetzt, dass der Gesamtstrom sich durch den Gesamtwiderstand der Schaltung definiert und sich der Strom nach dem ohmschen Gesetz I=U/R auf die Teilwiderstände aufteilt. Die Ströme die hinter dem Widerstand zusammen treffen und zum Minuspol fließen addieren sich dann wieder zum Gesamtstrom zusammen und die Differenz des zugeführten Stroms und des abgeführten Stroms ist 0. Wenn der Elektriker eine Schaltung misst, mit einem Gesamtstrom von 10A und weiß, dass dieser Strom von 10A sich an einer bestimmten Stelle aufteilt wo die Teilströme 5A ergeben, das heißt 5A von den 10A fließen zum Zweig A und die anderen 5A fließen zum Zweig B. Erwartet der Elektriker am Ende der Schaltung wieder einen Gesamtstrom von 10A. Ist dem nicht der Fall, fließt irgendwo ein weiterer Teilstrom. Kein Strom geht verloren.

Maschenregel Die Maschenregel ist ein weiteres Gesetz von Kirchhoff und beschreibt das Verhalten von Spannungen in Widerstandsnetzwerken. Kirchhoff sagt hier, dass wenn 2 Lasten in Reihe zur Spannungsquelle angeschlossen werden, teilt sich die Gesamtspannung an den Lasten auf. Wie sich die Spannung aufteilt hängt vom Widerstand der Last ab. Je größer der Widerstand, desto größer die Teilspannung. Je kleiner der Widerstand, desto kleiner die Teilspannung. Die Summe aller Teilspannungen ergeben dabei die Gesamtspannung. Liegt eine Spannung von z.b. 12V an 2 Lasten mit einen gleich hohen Widerstand an, so weiß der Elektriker, dass die Teilspannung der beiden Widerstände jewails 6V beträgt. Wird der 2. Widerstand größer, so wird die Spannung am 1. Widerstand kleiner und umgekehrt. In einer Parallelschaltung von Widerständen teilen alle Widerstände das gleiche Potential, das heißt die Spannung aller Widerstände sind gleich hoch und betragen die der Gesamtspannung.

Google einfach das leistungsdreieck somit kannst d in alles berechnen

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