Elektrischer Strom - Grundlagen, Physikübungen

Schaltzeichen, Stromkreis(modell), Stromstärke, Spannung, Einheiten - Lehrplan - 51 Aufgaben in 9 Levels

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    Schaltplan
    Ein Schaltplan ist eine stark vereinfachte Darstellung einer elektrischen Schaltung. Ein Schaltplan besteht aus Schaltzeichen, die man mit geraden Strichen, oder Strichen im rechten Winkel verbindet.
    Beispiel: Schaltung mit Batterie, ohmschen Widerstand und Glühlampe:
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Aufgabe

Aufgabe 1 von 9 in Level 1
  • Wähle die richtige Bezeichnung für das Schaltzeichen und die passende Aussage dazu aus.
    • graphik
    Ist ein Strommessgerät.
    Ist ein Spannungsmessgerät.
    Damit kann Gleichstrom fließen.
    Damit kann Wechselstrom fließen.
    Schützt uns vor gefährlichen Strömen.
    Gibt Wärme und Licht ab.
    Unterbricht wahlweise den Stromkreis.
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Stoff zum Thema
Schaltplan
Ein Schaltplan ist eine stark vereinfachte Darstellung einer elektrischen Schaltung. Ein Schaltplan besteht aus Schaltzeichen, die man mit geraden Strichen, oder Strichen im rechten Winkel verbindet.
Beispiel: Schaltung mit Batterie, ohmschen Widerstand und Glühlampe:
Beispiel
Zeichne die wichtigsten Schaltzeichen mit ihren Bezeichnungen auf.

Elektrischer Leiter: Besitzt freie Ladungsträger (Elektronen, Ionen), die sich in eine Richtung bewegen können. Diese Verschiebung der Ladungsträger im Leiter nennt man Stromfluss. Beispiele: Metalle, Kohle, Salzwasser.

Nichtleiter (Isolator): Leitet den Strom sehr schlecht oder nicht. Zum Beispiel Glas, Gummi, Keramik oder salzfreies Wasser.

Stromkreis: Damit elektrischer Strom fließen kann, braucht man eine Elektrizitätsquelle und einen elektrischen Energiewandler ("Verbraucher"), die miteinander leitend verbunden sind, sodass sich ein geschlossener "Kreis" ergibt.

Kurzschluss
Der Strom findet einen (nahezu) widerstandsfreien Weg von einem Pol zum anderen. Deswegen kommt es meist zu hohen Stromstärken.

Erdung
Ist eine leitende Verbindung zum Erdboden. Strom kann damit über die Erde abfließen.

Elektrizitätsquelle: Stellt im Stromkreis die elektrische Energie zur Verfügung, z.B. eine Spannungsquelle wie eine Batterie. Sie ist die Ursache des Stromflusses. Eine Spannungsquelle hat getrennte Ladungsträger und dadurch einen Minus- und Pluspol.

Elektrischer Energiewandler: Ist z.B. eine Glühlampe oder ein anderes elektrisches Gerät. Wird auch "Verbraucher" genannt, obwohl er keine Energie verbraucht, sondern nur elektrische Energie in andere Energieformen umwandelt, z.B. in Licht und Wärme.

Elektrische Spannung

Elektrische Spannung ist ein Maß für den Antrieb der Elektronen.
  • Formelzeichen: \(U\)
  • Basiseinheit: Volt (\(1~\mathrm{V}\))
    Für die Umrechnungen gilt z.B.:
    \( \begin{align} 1~\mathrm{MV} &= 1000~\mathrm{kV}\\ 1~\mathrm{kV} &= 1000~\mathrm{V}\\ 1~\mathrm{V} &= 1000~\mathrm{mV}\\ 1~\mathrm{mV} &= 1000~\mathrm{\mu V} \end{align} \)
  • Ohne elektrische Spannung fließt kein elektrischer Strom.
  • Je größer bei einem Stromkreis die Spannung ist, desto größer ist auch die Stromstärke.
  • Bei Gleichspannung bewegen sich alle Elektronen immer in die gleiche Richtung.
  • Bei Wechselspannung wechseln alle Elektronen gleichzeitig in kurzer Zeit ihre Richtung.

Elektrische Stromstärke \(I\) : Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung bzw. wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließen. Um die Stromstärke zu messen, die durch ein Bauteil fließt, muss man ein Strommessgerät (Amperemeter) in Reihe dazu einbauen. Die Einheit der Stromstärke ist Ampere (A).

Elektrische Spannung \(U\) : Sie ist ein Maß dafür, wie viel „Antrieb“ die Elektronen haben. Um die Spannung zu messen, die an einem Bauteil anliegt, muss man ein Spannungsmessgerät (Voltmeter) parallel zum Bauteil einbauen. Die Einheit der Spannung ist Volt (V).

Stromkreismodell: Wasserstromkreis
Wasserstromkreis Elektrischer Stromkreis
Wasserrohre leitende Kabel
Pumpe: "Antrieb" des Wassers Spannungsquelle: "Antrieb" der Ladungsträger
Wasserhahn Schalter
Wasserrad Lampe
Wasserteilchen Ladungsträger (hier: Elektronen)
Wasserstromstärke:
Wassermenge pro Zeiteinheit		 Elektrische Stromstärke:
Ladungsmenge pro Zeiteinheit
Druckunterschied Spannung
Einheiten Umrechnen

Am Beispiel der Einheit der Stromstärke, Ampere:

\( \begin{aligned} 1,000~\mathrm{MA} &= 1000~\mathrm{kA}\\ 1,000~\mathrm{kA} &= 1000~\mathrm{A}\\ 1,000~\mathrm{A} &= 1000~\mathrm{mA}\\ 1,000~\mathrm{mA} &= 1000~\mathrm{\mu A} \end{aligned} \)
Beispiel
Wandle in die gesuchte Einheit um. Achte auf die gültigen Ziffern.
\( \begin{aligned} 2,5000~\mathrm{V} &=\ldots~\mathrm{mV}\\ 835~\mathrm{\mu A} &=\ldots~\mathrm{A} \end{aligned} \)
Gefahren von elektrischem Strom
  • Elektrischer Schlag
    Körper von Menschen und Tieren leiten den Strom, sie können Teil eines Stromkreises werden:

    Umso höher die Spannung bzw. der Strom, desto gefährlicher ist ein Stromschlag für den Menschen. Auch der Weg des Stroms und die Zeitdauer spielen eine Rolle. Schon ab etwa \(6-15~\mathrm{mA}\) kann man die Muskeln nicht mehr steuern. Ab etwa \(50~\mathrm V\) Wechselstrom kann ein Stromschlag tödlich enden!!

  • Beschädigungen und Brände
    Strom kann defekte oder falsch genutzte Leitungen und Geräte so stark erhitzen, dass diese Schaden nehmen oder sogar Brände verursachen. Föhn, Herdplatten, Bügeleisen und alle Geräte, die Wärme abgeben, können bei falscher Benutzung selbst zur Brandquelle werden.