Elektrischer Strom: Definition, Einheit, Formel, Typen (mit Beispielen)

Elektrische Ladung: Welche automatische Reaktion löst dieser Satz aus, wenn Sie ihn lesen? Ein Kribbeln vielleicht oder das Bild eines Lichtblitzes, der den Himmel spaltet? Die bunten Lichter in einer Stadt wie Paris oder Las Vegas? Vielleicht sogar ein Insekt, das irgendwie im Dunkeln leuchtet, wenn es sich über Ihren Campingplatz schlängelt?

Bis in die letzten Jahrhunderte hatten Wissenschaftler nicht nur keine Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, sie hatten auch keine Ahnung, welche physikalischen Phänomene dem, was heute als "Elektrizität" bekannt ist, zugrunde liegen. Im 19. Jahrhundert erlangten Physiker erstmals ein Verständnis der winzigen Teilchen, die am Stromfluss beteiligt sind (freie Elektronen) sowie die Natur der Kräfte, die sie dazu zwingen, sich zu bewegen. Es war klar, dass Elektrizität viel Gutes bewirken kann, wenn sie sicher „gemacht“ oder „gefangen“ und die elektrische Energie für die Arbeit verwendet wird.

Elektrischer Ladungsfluss tritt leicht in Substanzen auf, die klassifiziert sind als

​Elektrischer Stromist die durchschnittliche Flussrate elektrischer Ladung (d. h. Ladung pro Zeiteinheit) an einem Punkt im Raum vorbei. Diese Gebühr wird getragen vonElektronensich durch einen Draht in einem Stromkreis bewegen. Je höher die Anzahl der Elektronen, die sich pro Sekunde an diesem Punkt vorbeibewegen, desto größer ist der Strom.

Die SI-Einheit des Stroms ist das Ampere (A), das oft informell als "Ampere" bezeichnet wird. Die elektrische Ladung selbst wird in Coulomb (C) gemessen.

• Die Ladung eines einzelnen Elektrons beträgt -1,60 × 10^-19 C, während das auf aProtonist gleich groß, aberpositivim Zeichen. Diese Zahl gilt als dieGrundgebühr​ ​e. Die Basiseinheit des Ampere ist daher Coulomb pro Sekunde (C/s).

Vereinbarungs,elektrischer Strom fließt in die entgegengesetzte Richtung des Elektronenflusses. Denn die Stromrichtung wurde beschrieben, bevor die Wissenschaftler wussten, welche Ladungsträger sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. Für alle praktischen Zwecke bieten positive Ladungen, die sich in positiver Richtung bewegen, das gleiche physikalische (rechnerisches) Ergebnis, da sich negative Ladungen in die negative Richtung bewegen, wenn es um elektrisches geht Strom.

Elektronen bewegen sich in einem Stromkreis zu einem Pluspol. Der Elektronenfluss oder die bewegte Ladung ist daher vom negativen Pol weg. Die Bewegung von Elektronen in einem Kupferdraht oder einem anderen leitfähigen Material erzeugt auchMagnetfelddas eine Richtung und Größe hat, die durch die Richtung des elektrischen Stroms und damit durch die Bewegung der Elektronen bestimmt wird; das ist das prinzip, nach dem einElektromagnetist gebaut.

Für das grundlegende konventionelle Stromszenario einer Ladung, die sich durch einen Draht bewegt, lautet die Stromformel:

woneinist die Anzahl der Ladungen pro Kubikmeter (m³), ​eist die Grundgebühr,EINdie Querschnittsfläche des Drahtes ist und​v_d​ist derDriftgeschwindigkeit​.

Obwohl der Strom sowohl eine Größe als auch eine Richtung hat, ist er eine skalare Größe und keine Vektorgröße, da sie nicht den Gesetzen der Vektoraddition gehorcht.

​Ohm'sches Gesetzgibt eine Formel zur Bestimmung des Stroms, der durch einen Leiter fließt:

woVist derStromspannung, oderelektrische Potenzialdifferenz, gemessen in Volt, undRist die ElektrikWiderstandzum aktuellen Fluss, gemessen inOhm​ (Ω).

Stellen Sie sich Spannung als eine "Zugkraft" vor (obwohl diese "elektromotorische Kraft" nicht buchstäblich eine Kraft ist), die für elektrische Ladungen spezifisch ist. Wenn entgegengesetzte Ladungen getrennt werden, werden sie so voneinander angezogen, dass sie mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen kleiner werden. Sie ist der potentiellen Gravitationsenergie in der klassischen Mechanik lose analog; Die Schwerkraft "will" hohe Dinge auf die Erde fallen und die Spannung "will" getrennte (entgegengesetzte) Ladungen zusammenstoßen.

Volt entsprechen Joule pro Coulomb oder J/C. Sie haben somit Energieeinheiten pro Ladungseinheit. Strom mal Spannung ergibt somit Einheiten von (C/s)(J/C) = (J/s), was sich in Einheiten der (in diesem Fall der elektrischen) Leistung übersetzen lässt:

In Kombination mit dem Ohmschen Gesetz ergeben sich weitere nützliche mathematische Beziehungen, die den Stromfluss betreffen: P = I²R und P = V²/R. Diese zeigen unter anderem, dass bei festem Strom die Leistung proportional zum Widerstand ist, bei fester Spannung hingegen die Leistungumgekehrtproportional zum Widerstand.

Während bewegte Ladungen (Strom) ein Magnetfeld induzieren, kann ein Magnetfeld selbst Spannung in einem Draht induzieren.

• ​Gleichstrom (DC):Dies geschieht, wenn alle Elektronen kontinuierlich in die gleiche Richtung fließen. Dies ist die Stromart in einem Stromkreis, der an eine Standardbatterie angeschlossen ist. Batterien können und werden natürlich nur einen verschwindend kleinen Teil der Energie liefern, die zum Antrieb des Menschen erforderlich ist Zivilisation, obwohl die sich ständig verbessernde Technologie im Bereich der Solarzellen ein besseres Potenzial für Energiespeicher.
• ​Wechselstrom (AC):Hier schwingen Elektronen sehr schnell hin und her ("wackeln" in gewissem Sinne). Diese Stromart ist in einem Kraftwerk oft einfacher zu erzeugen und führt auch zu geringeren Energieverlusten über große Entfernungen, weshalb sie heute der Standard ist. Jede Glühbirne und jedes andere elektrische Gerät in einem Standardhaus des frühen 21. Jahrhunderts wird mit Wechselstrom betrieben.

Bei AC wird die Spannung sinusförmig variiert und ist jederzeit gegebentdurch den Ausdruck V = V₀Sünde (2πft), wobeiV₀ist die Anfangsspannung undfist die Frequenz oder Anzahl der vollständigen Spannungszyklen (Maximum bis Minimum zurück zum Maximalwert) in jeder Sekunde.

Ein Amperemeter ist ein Gerät, das verwendet wird, um Strom zu messen, indem es in Reihe – und niemals parallel – in einem Stromkreis geschaltet wird. (Eine Parallelschaltung hat mehrere Drähte zwischen den Verbindungsstellen – mit anderen Worten, an der Stromquelle, Kondensatoren und Widerständen – im Stromkreis.) Es funktioniert nach dem Prinzip, dass der Strom durch alle Teile eines Drahtes zwischen zwei. gleich ist Kreuzungen.

Ein Amperemeter hat einen bekannten, niedrigen Eigenwiderstand und ist so eingestellt, dass er aVollausschlag(FSD) bei einem bestimmten Strompegel, oft 0,015 A oder 15 mA. Wenn Sie die Spannung kennen und den Widerstand mit der Shunt-Widerstandsfunktion des Amperemeters manipulieren, können Sie den Strom bestimmen; Sie wissen, was der Wert des aktuellen Flusses istsolltedas Ohmsche Gesetz verwenden.

1. Berechnen Sie die Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem zylindrischen Kupferdraht mit einem Radius von 1 mm oder 0,001 m), der einen Strom von 15 A trägt, vorausgesetzt, für Kupfer gilt n = 8,342 × 10²⁸ e/m³.

Das GebietEINdes Drahtquerschnitts ist πr², oder (0,001)² = 3.14 10^-6 ich².

• Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die Richtung entgegen der Stromrichtung ist, wie für Elektronen erwartet.

2. Finden Sie den Strom I in einem 120-V-Schaltkreis mit 2-Ω-, 4-Ω- und 6-Ω-Widerständen in Reihe.

Reihenwiderstände sind einfach additiv (bei Parallelschaltungen ist die Summe des Gesamtwiderstandes die Summe der Kehrwerte der einzelnen Widerstandswerte). So:

3. Ein Stromkreis hat einen Gesamtwiderstand von 15 Ω und einen Stromfluss von 20 A. Welche Leistung und Spannung hat dieser Stromkreis?