2a Physikalische Größen für Elektrizität

Elektrischer Strom hat Ähnlichkeit mit Wasser

Man kann elektrischen Strom in einigen Aspekten mit fließendem Wasser vergleichen.

Stromstärke I

Stromstärke beschreibt, wie viel Elektronen in welcher Zeit durch einen elektrischen Leiter fließen. Die Analogie zum Wasser wäre also die Wassermenge, die in einer bestimmten Zeit durch ein Rohr fließt.
Für Stromstärke wird das Symbol I verwendet. Die SI-Einheit der Stromstärke ist Ampère und wird mit A abgekürzt.
Ein Ampere ist ein Coulomb pro Sekunde. Dabei ist "Coulomb" die Einheit für die Elektronenmenge, man sagt auch für die Ladung.

Ladung Q

Ladung ist oberflächlich betrachtet eine Mengenangabe für Elektronen. Aber es ist nicht die Anzahl der Elektronen in einem Körper, den in jedem Material sind ja unglaublich viele Elektronen.
Es gibt elektrisch positiv geladene Teilchen , die findet man vor allem in Atomkernen und elektrisch negativ geladene Teilchen, das sind fast immer Elektronen. In einem normalen, d.h. einem neutralen Material gibt es immer gleich viel positiv und negativ geladene Ladungsträger.
Man spricht von positiver Ladung, wenn es in einem Körper mehr positive als negative Ladungsträger gibt. Genauso besteht eine negative Ladung, wenn es in einem Körper mehr negative als positive Ladungsträger gibt.
Ladung ist also nicht die Anzahl der Ladungsträger, sondern es ist die Differenz der Anzahl von positiven und negativen Ladungsträgern.
Für Ladung wird das Symbol Q verwendet. Die SI-Einheit von Ladung ist Coulomb und wird mit C abgekürzt.
Die kleinste mögliche Ladung (in unserer makroskopischen Welt) ist die Ladung eines Elektrons, die Elementarladung.
Die Elementarladung beträgt e = 1.602176634 · 10^-19 C
Ein Coulomb negativer Ladung besteht aus Elektronen. Ein Coulomb positive Ladung besteht aus genau so viel positiven Elementarladungen.

Hier ist der Vergleich mit Wasser etwas schwieriger, weil es keine positive oder negative Wassermenge gibt. Aber trotzdem kann man sich so einen Ladungsunterschied veranschaulichen: Mit zwei Wasserbehältern:

Der Unterschied der Wassermengen, also die unterschiedliche Höhe der Wassersäulen ist hier vergleichbar mit der elektrischen Ladung. Wenn die beiden Wassermengen sich durch das Vebindungsrohr ausgleichen, dann kann man messen, wie viel Wasser pro Zeit durch das Verbindungsrohr fließt. Das ist dann die Stromstärke.

Spannung U

Spannung ist die Energie, die auf eine Einheit der Ladung wirkt. In unsrem Wasserbeispiel ist die Spannung der Druck, mit dem das Wasser durch das Verbindungsrohr gedrückt wird. Dieser Druck entsteht durch den Höhenunterschied der beiden Wassersäulen. Elektrische Spannung ist also die Energie, die pro Ladung übertragen werden kann.
Für Spannung wird das Symbol U verwendet. Sie hat die SI-Einheit Volt, was mit V abgekürzt wird.

Ohm'scher Widerstand R

Der ohm'sche Widerstand oder der elektrische Widerstand lässt sich im Bild des Wassers mit der Dicke des Verbindungsrohrs vergleichen. Wenn das Verbindungsrohr dick ist, dann kann das Wasser leicht von links nach rechts fließen, dann ist der Widerstand gering. Wenn das Verbindungsrohr dünn ist, dann kann das Wasser nur langsam von links nach rechts fließen, dann ist der Widerstand hoch.
Für den Ohm'schen Widerstand wird das Symbol R verwendet. Die SI-Einheit ist Ohm, mit der Abkürzung Ω .
Der Ohm'sche Widerstand ist definiert, als Spannung durch Stromstärke: .

Kleine Formelsammlung: Die Zusammenhänge dieser Größen

Stromstärke ist Ladung pro Zeit, also

Daraus folgt, dass
Spannung ist die Energie pro Ladung, also
Daraus folgt auch eine Gleichung für die Energie, nämlich
Außerdem ist der ohm'sche Widerstand

SI-Einheiten dazu

Die Einheit der Energie ist natürlich die gleiche, wie in der Mechanik, nämlich Joule

Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik12-1