Spis treści:
- 1 Grundlagen der Elektronik - Strom, Widerstand, Spannung, Energieversorgung
- 2 Parameter, die elektrische Schaltungen und elektronische Systeme beschreiben
- 3 Wozu werden Schaltungen mit elektrischen Größen beschrieben?
- 4 Elektrische Ladung
- 5 Spannung, Strom und Widerstand in allgemeiner Form
- 6 Elektrische Spannung - Druck, der auf Träger einer elektrischen Ladung wirkt
- 7 Strom
- 8 Widerstand
- 9 Ohmsches Gesetz
- 10 Das Ohmsche Gesetz in der Praxis
- 11 Elektrische Grundgrößen durch das Prisma der Hydrostatik
Grundlagen der Elektronik - Strom, Widerstand, Spannung, Energieversorgung
Jeder elektronische Schaltkreis und die Komponenten, aus denen er besteht, werden durch entsprechende Größen beschrieben, die gemessen und berechnet werden können.
Parameter, die elektrische Schaltungen und elektronische Systeme beschreiben
Dieser Artikel beschreibt die grundlegenden elektrischen Größen wie Strom, Spannung, Widerstand, die Analogie dieser Größen in der Hydrostatik und die Beziehung zwischen diesen Größen in theoretischer und praktischer Hinsicht.
Wozu werden Schaltungen mit elektrischen Größen beschrieben?
Wenn man die Welt der elektrischen Schaltungen und elektronischen Systeme von Anfang an kennen lernen will, ist es sinnvoll, die Grundlagen zu beherrschen, die zum Verständnis der in diesen Systemen auftretenden Phänomene beitragen. Die Beschreibung der Parameter elektrischer Schaltungen basiert auf drei Größen wie Strom, Spannung und Widerstand. Diese Größen können nicht visuell abgeschätzt werden, wie z. B. der Abstand zwischen zwei physischen Objekten. Sowohl bei einem batteriebetriebenen Mobiltelefon als auch bei einer Blitzentladung haben wir es mit einem Stromfluss zu tun. Obwohl im letzteren Fall der Stromfluss als stark ionisierte, elektrisch geladene Luft sichtbar ist, lässt sich nicht eindeutig feststellen, wie viel Strom beim Blitzeinschlag vorhanden war. Unter Laborbedingungen werden die Werte der elektrischen Größen mit geeigneten Messgeräten wie Multimetern, Oszilloskopen oder Spektrumanalysatoren gemessen. Aus den durchgeführten Messungen können wir direkt und indirekt die Werte der interessierenden Größen bestimmen. Auf diese Weise können wir die Reaktion des Systems unter bestimmten Bedingungen untersuchen.
Elektrische Ladung
Elektrischer Strom, wie wir ihn kennen, ist im Wesentlichen eine geordnete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern. Die Art der Ladungsträger kann je nach den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Mediums, in dem der elektrische Strom fließt, variieren. In Leitern, z. B. Metallen wie Kupfer oder Eisen, handelt es sich bei den Ladungsträgern um Elektronen, in Halbleitern um Elektronen und Elektronenlöcher, in Gasen um Ionen und Elektronen und in Flüssigkeiten um Ionen. Die elektrischen und elektronischen Geräte, die uns umgeben, wie Glühbirnen, Audioverstärker, Telefone, Computer oder Waschmaschinen, funktionieren durch die Bewegung elektrischer Ladungsträger.
Spannung, Strom und Widerstand in allgemeiner Form
Zur Beschreibung von Phänomenen in elektrischen Schaltkreisen werden drei grundlegende Größen verwendet. Diese sind:
- Spannung – die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis;
- Strom – ein Wert, der die Menge der elektrischen Ladung beschreibt, die pro Zeiteinheit durch einen Leiter fließt;
- Widerstand – ein Parameter, der sich aus der Geometrie und dem spezifischen Widerstand eines Leiters ergibt und seine Neigung bestimmt, den Stromfluss durch ihn zu dämpfen.
Wenn wir über diese Größen sprechen, beziehen wir uns auf die Bewegung elektrischer Ladungsträger. Damit jedoch die Bewegung der elektrischen Ladung, d. h. der Stromfluss, stattfinden kann, muss der Stromkreis geschlossen sein.
Elektrische Spannung - Druck, der auf Träger einer elektrischen Ladung wirkt
Die elektrische Spannung ist der Unterschied im elektrischen Potenzial, der zwischen zwei bestimmten Punkten in einem Stromkreis auftritt und das Ergebnis der Arbeit ist, die von einer elektrischen Ladung verrichtet wird. Sowohl Spannung als auch Potenzial sind Größen, die in Volt gemessen werden – die Einheit ist nach dem italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta benannt, der für die Erfindung der ersten elektrischen Batterie, des sogenannten Volta-Stapels, berühmt wurde. Um Spannung, Strom und Widerstand im Zusammenhang mit der Strömungsmechanik zu beschreiben, bietet sich eine Analogie zu den physikalischen Phänomenen in einem einfachen Wasserbehälter an.
In diesem Fall entspricht die Menge des gespeicherten Wassers der Menge der elektrischen Ladung, der hydrostatische Druck, der auf das Wasser ausgeübt wird, der Spannung und der Wasserfluss dem Stromfluss. Wenn ein Wassertank mit einem angeschlossenen Rohr, das in einem rechten Winkel gebogen ist, auf eine ebene Fläche gestellt wird, bewirkt der auf die Flüssigkeit (Wasser) ausgeübte Druck, dass sich die Moleküle vom Tank zum Bogen bewegen. Je größer die im Tank gespeicherte Wassermenge ist, desto größer ist auch die gespeicherte elektrische Ladung. Man kann sich den Wassertank also wie eine elektrische Batterie vorstellen. Der Druck am Ende des Schlauchs kann die Spannung darstellen. Das Wasser im Tank stellt die elektrische Ladung dar. Je mehr Wasser sich im Tank befindet, desto höher ist die Ladung und desto höher ist der Druck, der am Ende des Schlauchs gemessen wird. Wir können uns den Tank als eine Batterie vorstellen, in der wir eine bestimmte Menge an Energie speichern und sie dann wieder abgeben. Wenn wir den Tank um eine bestimmte Menge an Ladung entleeren, sinkt der am Ende des Schlauchs erzeugte Druck. Wir können uns dies als eine Verringerung der Spannung vorstellen, ähnlich wie bei einer Taschenlampe, die sich abschwächt, wenn die Batterien leer sind. Auch die Wassermenge, die durch den Schlauch fließt, nimmt ab. Weniger Druck bedeutet, dass weniger Wasser durchfließt, was zu weniger Strom führt. Man kann sich die Wassermenge, die vom Tank durch den Schlauch fließt, als Strom vorstellen. Je höher der Druck, desto höher die Strömung und umgekehrt.
Strom
Bei Wasser haben wir das Volumen des Wassers gemessen, das über eine bestimmte Zeit durch einen Schlauch fließt. Bei der Elektrizität messen wir die Menge an Ladung, die über eine bestimmte Zeit durch einen Stromkreis fließt. Strom wird in Ampere gemessen. Ein Ampere ist definiert als 6,241*10^18 Elektronen (1 Coulomb) pro Sekunde, die durch einen Punkt im Stromkreis fließen. Der Strom wird bei der Berechnung mit dem Buchstaben “I” bezeichnet. Nehmen wir nun an, wir haben zwei Tanks, aus denen jeweils ein Schlauch herauskommt. Beide Tanks enthalten genau die gleiche Menge Wasser, aber der Schlauch in einem Tank ist schmaler als der Schlauch im anderen. Wir messen am Ende beider Schläuche den gleichen Druck, aber wenn das Wasser zu fließen beginnt, ist die Durchflussmenge des Wassers in dem Tank mit dem engeren Schlauch geringer als die Durchflussmenge des Wassers in dem Tank mit dem breiteren Schlauch. Elektrisch gesehen ist der Strom, der durch den engeren Schlauch fließt, geringer als der Strom, der durch den breiteren Schlauch fließt. Wenn wir wollen, dass der Durchfluss durch beide Schläuche gleich ist, müssen wir die Wassermenge (Füllung) im Tank mit dem engeren Schlauch erhöhen. Dadurch erhöht sich der Druck (Spannung) am Ende des schmaleren Schlauchs, wodurch mehr Wasser durch den Tank gedrückt wird. Dies ist vergleichbar mit einer Erhöhung der Spannung, die eine Erhöhung des Stroms bewirkt. Sie können nun die Beziehung zwischen Spannung und Stromstärke erkennen.
Widerstand
Es gibt jedoch noch einen dritten Faktor, der zu berücksichtigen ist: die Breite des Schlauchs. In dieser Analogie ist die Breite des Schlauchs der Widerstand. Das bedeutet, dass wir unserem Modell einen weiteren Begriff hinzufügen müssen, indem wir die hydrostatische Analogie verwenden: Wasser ist Ladung (gemessen in Coulomb), Druck ist Spannung (gemessen in Volt), Fluss ist Strom (gemessen in Ampere), Schlauchbreite ist Widerstand (gemessen in Ohm). Betrachten wir noch einmal unsere beiden Wassertanks, einen mit einem schmalen Rohr und den anderen mit einem breiten Rohr. Bei gleichem Druck passt durch das schmale Rohr nicht so viel Volumen wie durch das breite Rohr. Das ist der Widerstand. Das schmale Rohr “widersteht” dem Wasserfluss, obwohl das Wasser den gleichen Druck hat wie in dem Tank mit dem breiteren Rohr. Elektrisch wird dies durch zwei Stromkreise mit gleichen Spannungen und unterschiedlichen Widerständen dargestellt. Durch den Stromkreis mit dem höheren Widerstand kann weniger Ladung fließen, was bedeutet, dass weniger Strom durch den Stromkreis mit dem höheren Widerstand fließt. Dies führt uns zurück zur Definition des Widerstands, wobei die Einheit des Widerstands ein Ohm ist, als der elektrische Widerstand, der zwischen zwei Punkten in einem Leiter besteht, wo das Anlegen einer Spannung von einem Volt zu einem Stromfluss von einem Ampere oder 6,241×10^18 Elektronen führt.
Ohmsches Gesetz
Indem er die Elemente Spannung, Strom und Widerstand miteinander kombinierte, entwickelte Georg Simon Ohm die Formel:
wobei:
U – Spannung in Volt;
I – Stromstärke in Ampere;
R – Widerstand in Ohm.
Eine solche Beziehung wird als Ohmsches Gesetz bezeichnet. Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben einen Stromkreis mit einem Potenzial von 1 V, einem Strom von 1 A und einem Widerstand von 1 Ω. Mit dem Ohm’schen Gesetz können wir feststellen, dass:
1V = 1A * 1Ω
Nehmen wir an, wir haben einen Tank mit einem breiten Schlauch. Die Wassermenge im Tank ist definiert als ein Volt, und die “Enge” (Widerstand gegen den Wasserfluss) des Schlauchs ist definiert als ein Ohm. Nach dem Ohm’schen Gesetz ergibt sich daraus ein Wasserdurchfluss (Strom) von einem Ampere. Betrachten wir nun mit dieser Analogie einen Tank mit einem schmalen Schlauch. Da der Schlauch schmaler ist, ist sein Durchflusswiderstand höher. Definieren wir diesen Widerstand als zwei Ohm. Die Wassermenge im Tank ist die gleiche wie im anderen Tank, so dass unsere Gleichung für den Tank mit dem schmalen Schlauch nach dem Ohmschen Gesetz wie folgt lautet:
1V = ?A * 2Ω
Nach der Umwandlung (I=U/R) erhält man den Strom:
1V = 0.5A * 2Ω
Aufgrund der Verengung des Wasserflusses ist der Strom im Tank also geringer und der Widerstand größer. Jetzt sehen wir, dass wir, wenn wir zwei Werte des Ohmschen Gesetzes kennen, einen dritten finden können.
Das Ohmsche Gesetz in der Praxis
Das Ohmsche Gesetz kann auch in der Praxis betrachtet werden, und zwar mit einfachen elektrischen Schaltungen, die nur aus wenigen Bauteilen bestehen! In diesem Experiment werden wir eine 9-Volt-Batterie verwenden, um eine LED zu betreiben. LEDs sind empfindlich, und es kann nur ein begrenzter Strom durch sie fließen, da ein hohes Risiko besteht, dass sie durchbrennen. Der maximale Leitungsstrom einer LED ist in der Regel in der Dokumentation angegeben.
Zur Durchführung unseres Experiments benötigen wir die folgenden Elemente
- 9V-Batterie;
- 560R-Widerstand;
- LED;
- Digitales Multimeter
Beachten Sie, dass sich LEDs nicht so verhalten wie Widerstände. Sie sind Halbleiterelemente. Das bedeutet, dass die Gleichung für den Strom, der durch die LED selbst fließt, nicht so einfach ist wie das Standard-Ohm’sche Gesetz, d. h. U = I*R. Die LED bringt einen Spannungsabfall in den Stromkreis ein, wodurch sich die Menge des durch sie fließenden Stroms ändert.
In diesem Experiment geht es jedoch lediglich darum, die LED vor Überstrom zu schützen. Daher werden wir die Stromeigenschaften der LED außer Acht lassen und einen Widerstandswert nach dem Ohmschen Gesetz wählen, um sicherzustellen, dass der durch die LED fließende Strom sicher ist und 20 mA nicht überschreitet. In diesem Beispiel haben wir eine 9-V-Batterie und eine rote LED mit einem Nennstrom von 20 mA. Aus Sicherheitsgründen versorgen wir die LED nicht mit dem maximalen Strom, sondern mit dem empfohlenen Strom, der in den Anwendungshinweisen mit etwa 18 mA angegeben ist. Wenn wir die LED direkt an die Batterie anschließen, sehen die Stromwerte für das Ohm’sche Gesetz wie folgt aus:
U = I * R
Folglich:
I = U / R
Wenn wir keinen Widerstand im Stromkreis haben, dann:
I = 9 V / 0 R
Dividiert man durch Null, erhält man unendlich viel Strom! In der Praxis erhalten wir nicht unendlich, sondern so viel Strom, wie die Batterie liefern kann. Das bedeutet, dass ein sehr großer Strom durch die LED fließen kann, der sie mit Sicherheit beschädigen wird. Da wir nicht wollen, dass so viel Strom durch unsere LED fließt, brauchen wir einen Widerstand. Mit Hilfe des Ohm’schen Gesetzes können wir den Widerstandswert des Widerstands bestimmen, der uns den gewünschten Stromwert liefert:
R = U * I
Setzt man die Werte in die Formel ein:
R = 9 V * 0,018 A
Der berechnete Widerstand ist:
R = 500 R
Wir brauchen also einen Widerstand von etwa 500 R, um den Strom durch die LED unter dem maximalen Nennstrom zu halten. 500 R ist kein üblicher Wert für Standardwiderstände, daher können wir einen 560-Ohm-Widerstand verwenden. Außerdem kann die Verwendung eines Widerstands mit einem etwas höheren Wert als dem erforderlichen die Helligkeit des Lichts der LED geringfügig verringern, beschädigt sie aber sicher nicht. Wenn man Präzision wünscht, kann man den Widerstand durch ein Potentiometer ersetzen.
Elektrische Grundgrößen durch das Prisma der Hydrostatik
Die Veranschaulichung der in der Elektronik verwendeten Grundgrößen in Form einer Analogie zur Hydrostatik in diesem Artikel soll zum Verständnis des Stromflusses in elektrischen Schaltkreisen beitragen. Eine der einfachsten Möglichkeiten, dies zu tun, ist die Veranschaulichung von Flüssigkeitsströmungsmechanismen, die es ermöglichen, mit bloßem Auge zu sehen, wie Flüssigkeiten in Abhängigkeit von den geometrischen Bedingungen der Gefäße fließen. Mit einer solchen Analogie kann man den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen unter die Lupe nehmen und das Ohmsche Gesetz demonstrieren. Der Artikel erschöpft jedoch nicht das Thema Elektrizität und sollte nur als Annäherung betrachtet werden. Bei Wechselstromkreisen, die zusätzlich reaktive (d. h. induktive und kapazitive) Elemente enthalten können, ist der Mechanismus des Stromflusses und der Spannungsverteilung komplizierter und würde eine umfangreichere Erklärung erfordern als in Analogie zu den Strömungsmechanismen von Flüssigkeiten.
