Physik Step 48 (neu)

Elektronen können nicht aus dem Draht verschwinden: Damit am einen Ende welche nachrücken, müssen am anderen ständig welche abfliessen – wie Wasser in einer Rohrleitung, das nur im Kreis dauerhaft strömen kann.

Nur die Energie wird umgewandelt (Licht, Wärme, Bewegung). Die Ladung ist eine Erhaltungsgrösse und fliesst im Kreis weiter – der Strom ist vor und nach dem Verbraucher gleich gross.

1. leicht über Drähte transportierbar, 2. vielseitig umwandelbar (Licht, Wärme, Bewegung, Schall), 3. sauber und bequem am Verbrauchsort, 4. fein und genau steuerbar.

Technische Stromrichtung: vom Pluspol durch den äusseren Kreis zum Minuspol. Die Elektronen wandern genau umgekehrt, vom Minus- zum Pluspol.

I = Q/t – die pro Zeit durch den Leiterquerschnitt fliessende Ladung. Formelzeichen I, Einheit Ampère (A), mit 1 A = 1 C/s.

Zeit in Sekunden: t = 2,0 min = 120 s. I = Q/t = 36 C / 120 s = 0,30 A

1 Ah = 1 A ⋅ 3600 s = 3600 C. Q = 3,0 Ah = 3,0 ⋅ 3600 C ≈ 1,1 ⋅ 10⁴ C

Q = I ⋅ t ⇒ t = Q/I = 10800 C / 0,20 A = 5,4 ⋅ 10⁴ s = 15 h

Gleichstrom (DC) fliesst immer in dieselbe Richtung – Batterie, Akku. Wechselstrom (AC) wechselt periodisch die Richtung – Steckdose, in der Schweiz mit 50 Hz, sinusförmig.

Momentangeschwindigkeit: sehr gross (über 10⁶ m/s), aber ungeordnet. Driftgeschwindigkeit: die viel kleinere mittlere Vorwärtsgeschwindigkeit des ganzen Elektronengases (Bruchteile von mm/s).

Die schnellen ungeordneten Bewegungen heben sich im Mittel fast vollständig auf; nur ein winziger gerichteter Überschuss bleibt übrig – das ist die Drift.

v_drift = 0,10 mm/s = 1,0 ⋅ 10⁻⁴ m/s; t = s / v_drift = 1,0 m / (1,0 ⋅ 10⁻⁴ m/s) = 1,0 ⋅ 10⁴ s (fast drei Stunden)

Der Draht ist bereits voll von Leitungselektronen; beim Einschalten setzt sich die ganze Kette praktisch gleichzeitig in Bewegung – wie eine volle Wasserleitung, die sofort am anderen Ende spritzt.

In Serie (in Reihe): Der Draht wird aufgetrennt und das Gerät dazwischengesetzt, damit der ganze Strom hindurchfliesst. Parallel angeschlossen flösse nur ein Teil des Stroms durch das Gerät – die Anzeige wäre zu klein.

Es sitzt im Strompfad; ein grosser Widerstand würde den Strom im ganzen Kreis verringern und so genau das verfälschen, was gemessen werden soll. Klein ⇒ der Strom bleibt fast unverändert.

Leiter haben frei bewegliche Ladungsträger und leiten gut (Kupfer, Silber); in Isolatoren sind alle Elektronen fest gebunden, es fliesst praktisch kein Strom (Kunststoff, Glas).

Kleine Kügelchen = Elektronen, grosse festsitzende Stifte = Gitter-Ionen, Neigung des Bretts = Antrieb durch die Batterie.

Die Batterie beschleunigt die Elektronen; bei jedem Stoss an ein Gitter-Ion geben sie Bewegungsenergie ab, die Ionen schwingen heftiger – das bedeutet höhere Temperatur. Elektrische Energie wird so zu innerer Energie (Wärme).

Durch die Stösse der Elektronen an die Gitter-Ionen, die den Stromfluss behindern; je stärker die Elektronen gebremst werden, desto grösser ist der Widerstand R.

R = ρ ⋅ l / A: proportional zur Länge l, umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche A, Material über den spezifischen Widerstand ρ – und zusätzlich von der Temperatur.

A = 1,5 mm² = 1,5 ⋅ 10⁻⁶ m²; R = ρ ⋅ l / A = 1,7 ⋅ 10⁻⁸ Ω⋅m ⋅ 20 m / (1,5 ⋅ 10⁻⁶ m²) ≈ 0,23 Ω

Bei höherer Temperatur schwingen die Gitter-Ionen heftiger und sind grössere, „wackelndere“ Hindernisse; die Elektronen stossen häufiger an und werden stärker gebremst.

Unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur T_c fällt der Widerstand mancher Stoffe schlagartig auf exakt null; Strom fliesst dann ohne Widerstand und ohne Erwärmung (Anwendung: sehr starke Magnete, z. B. im MRT).