Elektrizität: Physikalische Größen

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Publikation:	2.7.2014
Herkunft:	Sonnentaler

Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften. Sie werden durch eine Grö­ße und eine Einheit dargestellt. Die Einheiten sind oft nach berühmten Physi­kern benannt (siehe Einheiten und Symbole). Um mit den Größen rechnen zu können, nutzt man Symbole – sogenannte Formelzeichen. Ein Formelzeichen ist der physikalischen Größe zugeordnet und wird kursiv geschrieben (Beispiele: U für elektrische Spannung, P für Leistung). Die zu den physikalischen Größen gehörenden Einheiten werden ebenfalls durch einen oder mehrere Buchstaben abgekürzt (Beispiele: V für Volt, Hz für Hertz).

Bei den Einheiten hat man sich auf ein gemeinsames Einheitensystem geeinigt. In Deutschland, Österreich und der Schweiz wird (fast immer) das SI-Einhei­tensystem verwendet (SI steht für Système International).

Größe: Strom (I); Einheit: Ampere (A)

Der Strom ist die wohl bekannteste Größe der Elektrizitätslehre. Als Strom wird die Bewegung von Ladungen bezeichnet. Um ein Bild davon zu bekommen, durch was die Stärke eines Stroms bestimmt wird, kann man sich Folgendes vorstellen: Man schaut in einen elektrischen Leiter (Draht) hinein und denkt sich eine Linie – ähnlich wie die Ziellinie bei einem Wettlauf. Nun zählt man die Anzahl der Ladungen, die diese Linie innerhalb einer bestimmten Zeit überque­ren. Anders als bei einem Wettlauf, ist es hier jedoch uninteressant, wie schnell die einzelnen Ladungen sind. Wenn viele Ladungen zur Verfügung ste­hen, reicht eine sehr langsame Bewegung aus, um viele Ladungen an der Linie zu zählen. Das Zählen funktioniert auch bei Wechselstrom, da auch hier die "Überquerungen" der Ziellinie gezählt werden. Dabei schwingen immer wieder die gleichen Ladungen über die Linie – mal von der einen und mal von der anderen Seite kommend – und werden auch immer wieder gezählt. Die elek­trische Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen.

Stromstärke und elektrische Ladung sind also miteinander verknüpft: Der elektrische Strom gibt an, wie viele Ladungen pro Zeiteinheit eine bestimmten Stelle des Leiters durchqueren. In Kurzform sagt man: "Strom ist Ladung pro Zeit".

Größe: Spannung (U); Einheit: Volt (V)

Die Spannung ist eine weitere wichtige Größe der Elektrizitätslehre. Die Span­nung und der Widerstand bestimmen die Stromstärke. Von der Spannung hängt der Antrieb bzw. die Kraft ab, die auf die Ladungen im Stromkreis wirkt.

Abb. 1: Wassersäulen mit unterschiedlicher potentieller Energie

Auch hier kann wieder ein Bild zum besseren Verständnis dienen. Man stelle sich zwei Gefäße vor, die unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt sind. Die potentielle Energie der höheren Wassersäule ist größer als diejenige der nie­drigeren Wassersäule. Verbindet man die beiden Gefäße unten mit einem Rohr, werden sich die Höhen der beiden Wassersäulen ausgleichen. Das heißt, dass Wasser vom Gefäß mit dem höheren Wasserstand (der höheren potentiellen Energie) in das andere Gefäß fließt. Wie viel Wasser in einer bestimmten Zeit von einem Gefäß ins andere fließt, hängt vom Höhenunterschied und von der Dicke des Verbindungsrohrs ab. Der Höhenunterschied, also der Unterschied der potentiellen Energien, entspricht in der Elektrizitätslehre dem Potential­unterschied. Dieser Potentialunterschied wird als (elektrische) Spannung bezeichnet. Die Spannung wird in Volt (V) gemessen.

Größe: Ladung (Q); Einheit: Coulomb (C)

Atome bestehen aus einem Kern und einer Elektronenhülle. Im Kern befinden sich die elektrisch neutralen Neutronen sowie die positiv geladenen Protonen, und in der Hülle die negativ geladenen Elektronen. Ladungen können sich addieren. So addieren sich viele positive Ladungen zu einer großen positiven Ladung auf, und entsprechend viele negative Ladungen zu einer großen nega­tiven Ladung. Negative und positive Ladungen können sich neutralisieren. Das heißt: Sind genauso viele negative wie positive Ladungen vorhanden, ist die Gesamtladung null.

Zwei elektrisch geladene Körper stoßen sich ab, wenn sie gleichnamig geladen sind (beide positiv bzw. beide negativ); sie ziehen sich an, wenn sie ungleich­namig geladen sind. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C).

Der Betrag der Ladung, die ein Elektron oder ein Proton trägt, nennt man Ele­mentarladung. Ein einzelnes Proton hat eine Ladung Q_Proton = 1,602∙10⁻¹⁹ C und ein einzelnes Elektron eine Ladung Q_Elektron = −1,602∙10⁻¹⁹ C. Besteht ein Atom also aus genauso vielen Elektronen wie Protonen, so ist es insgesamt elektrisch neutral.

Größe: Energie (E); Einheit: Joule (J)

Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen. Es gibt Bewegungsenergie, Lageenergie, Spannenergie, Licht (Lichtenergie), innere Energie, chemische Ener­gie, ... und elektrische Energie. Energie kann von einer Form in die andere umgewandelt werden. Die Gesamtenergie bleibt dabei immer erhalten. Das bedeutet, dass Energie nicht verbraucht wird – anders als durch die All­tags­sprache suggeriert wird. Spricht man von "Energieverbrauch", meint man eigentlich, dass die Energie entwertet wird – sie wird in eine weniger wertvolle Energieform umgewandelt, zum Beispiel in innere Energie (Wärme). Elektrische Energie ist besonders "wertvoll", weil sie sich mit nur geringen Verlusten in andere Energieformen umwandeln lässt. Weiterhin kann man elektrische Ener­gie gut transportieren (zum Beispiel über Hochspannungsleitungen).

Beispiele für Energieumwandlungen: In einer Batterie wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt, und in einer Glühlampe wird elektrische Ener­gie in Licht und innere Energie (Wärme) umgewandelt.

Die Einheit der Energie ist das Joule (J). In der Elektrizität wird jedoch übli­cherweise als Einheit die Wattsekunde (Ws) bzw. die Kilowattstunde (kWh) verwendet: 1 W x 1 s = 1 Ws = 1 J.

Größe: Leistung (P); Einheit: Watt (W)

Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie innerhalb von einer Sekunde umgewandelt wird. Die elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Auf vielen Geräten (Lampen, Bügeleisen, Drucker usw.) stehen Leistungsangaben. Schließt man zum Beispiel eine 15-Watt-Lampe an die Netzspannung an, fließt durch sie ein Strom von (15 W / 230 V =) 0,065 A.

Größe: elektrischer (Ohm'scher) Widerstand (R); Einheit: Ohm (Ω)

Der elektrische Widerstand (auch Ohm'scher Widerstand genannt) ist die Grö­ße, die bei einer fest vorgegebenen Spannung den Strom begrenzt. Der Wider­stand gibt das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke an. Erhöht man den Widerstand, wird auch der Strom stärker begrenzt (das heißt die Stromstärke wird kleiner). Ähnliches gilt für die Energie, die innerhalb eines bestimmten Zeit­raumes an einem Widerstand umgewandelt (entwertet) wird. Je größer der Widerstand, desto kleiner die innerhalb einer bestimmten Zeit umgewandelte Energie.

Größe: Frequenz (f); Einheit: Hertz (Hz)

In Europa beträgt die Netzspannung 230 Volt und die Netzfrequenz 50 Hertz. Das heißt, dass die Spannung, die an der Steckdose anliegt, eine Wechsel­spannung ist: Der Wert der Spannung ändert sich periodisch zwischen +325 V und −325 V [1] (siehe Elektrik im Haus).

Eine Netzfrequenz von 50 Hertz bedeutet, dass der Maximalwert von +325 V (bzw. der Minimalwert von −325 V) 50 Mal pro Sekunde erreicht wird. Man kann auch sagen, dass die Spannung 100 Mal pro Sekunde ihr Vorzeichen wechselt. Netzspannung und Netzfrequenz sind nicht überall auf der Welt gleich. In den USA zum Beispiel beträgt die Netzspannung 120 V und die Netzfrequenz 60 Hz.

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Fußnoten

1: Der Wert von 325 V ist die Spitzenspannung. Man erhält ihn, indem man die effektive Spannung von 230 V mit √2 multipliziert.

Letzte Aktualisierung: 29.11.2023