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Steffen | Lexikon | Physikalische Größen
#1
Lexikon | Physikalische Größen
In unserem gemeinsamen Hobby begegnen uns immer wieder physikalische Größen (meist aus der Elektrizitätslehre, einem Teilgebiet der Physik), die wir hier erklären möchten. Die wissenschaftlichen Definitionen sind häufig sehr komplex und mathematisch schwierig. Unsere kleine Wissensdatenbank soll helfen, diese Zusammenhänge leichter zu verstehen.


Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung bezieht sich immer auf einen Körper und gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss oder -mangel ist. Zu Ehren des französischen Physikers Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806) trägt die Einheit der Ladung seinen Namen. Coulomb hat die Kraftwirkung zwischen elektrischen Ladungen entdeckt (Coulombsches Gesetz).
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • Maß für den Elektronenüberschuss oder -mangel
  • Formelzeichen: Q (lat.: quantum = wie viel)
  • Einheit: C (Coulomb)
Beispiele/Erklärungen:
  • Reibungselektrizität: Elektronen gehen bei Berührung (beim aneinander Reiben) zweier Stoffe von einem auf den anderen über. Der Ladungsausgleich ist oft ein Blitz (Extremfall: Gewitter). Menschen, die “geladen” sind, stehen die Haare zu Berge, da die gleichartigen Ladungen einander abstoßen. 
  • Entladen/Laden eines Akkumulators: An einer Elektrode werden durch chemische Prozesse Elektronen gebunden (Pluspol), an der anderen Elektrode entstehen freie Elektronen (Minuspol). Der Akku wird, sobald ein geschlossener Stromkreis vorliegt, entladen. Die dahinter stehenden chemischen Prozesse im Akkumulator sind umkehrbar. Dann spricht man vom Laden. 
  • Kondensator im Gleichstromkreis: Legt man an einen Kondensator eine Gleichspannung an, fließt kurzzeitig ein Strom und er wird geladen. Das bedeutet, dass sich Elektronen (negative elektrische Ladungen) an einer der Elektroden sammeln, während an der anderen Elektrode ein Elektronenmangel herrscht. Zwischen den Elektroden existiert nun ein elektrisches Feld.
Weblinks:
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung ist eine Grundgröße der Elektrizitätslehre. Meist verwendet man nur den Begriff „Spannung“. Alessandro Volta (1745 - 1827) gilt als der Erfinder der elektrischen Batterie. Bereits 1893 wurde die Einheit der Spannung als Anerkennung dafür nach ihm benannt.
Sicherheitshinweis: Hohe Spannungen können zu hohen Stromstärken führen. Das kann (ab 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannunglebensgefährlich sein.
  • Basisgröße der Physik/Elektrizitätslehre
  • Antrieb des elektrischen Stromes (Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld)
  • Formelzeichen: U, u (bei Wechselspannung)
  • Einheit: V (Volt)
Beispiele/Erklärungen:
  • Netzspannung: Die Energieversorger stellen in Stromnetzen eine Spannung bereit, die dazu dient, elektrische Energie zu übertragen. Für diese Energie müssen wir bezahlen (“Stromrechnung”).
  • Reibungselektritzität: Durch Reibung zwischen zwei Stoffen kann es zur Ladungstrennung kommen. Zwischen den getrennten Ladungen herrscht eine elektrische Spannung. Gleichen sich diese Ladungen wieder aus, fließt ein Strom. Wir kennen das vom Ausziehen eines Kleidungsstücks mit Kunstfasern, wenn uns kleine Blitze in die Nase fahren. Hier herrschen Spannungen von 20 000 V. Die fließenden Ströme sind aber so klein, dass keine Gefahr besteht. Anders ist das bei Gewittern…
Weblinks:
Elektrische Stromstärke
Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Ladungsträger in einer bestimmten Zeit durch einen elektrischen Leiter fließen. Strom bedeutet, dass sich Ladungsträger (z. B. Elektronen in einem metallischen Leiter) gerichtet bewegen. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ehrt den französischen Physiker und Mathematiker André-Marie Ampère (1775 - 1836), der die Begriffe Spannung und Strom prägte sowie die Stromrichtung festlegte.
Sicherheitshinweis: Hohe Stromstärken sind lebensgefährlich. Wechselstrom (durch den Körper) ab ca. 50 mA oder Gleichstrom ab ca. 100 mA kann zu dauerhaften Schäden führen.
  • Basisgröße der Physik/Elektrizitätslehre
  • Ladungsmenge durch einen elektrischen Leiter in einer bestimmten Zeit
  • Formelzeichen: I, i (bei Wechselstrom)
  • Einheit: A (Ampere)
Beispiele/Erklärungen:

Strom hat vier verschiedene Wirkungen:
  • An einer Glühlampe kann man direkt zwei davon erkennen - Wärme und Licht. Dass für die gewünschte Wirkung (nämlich Licht) nur 5% der eingesetzten Energie umgesetzt werden, führte letztlich zur Abschaffung der Glühlampe. 
  • Die Magnetwirkung kennen wir vom Elektromagneten. Diese magnetische Wirkung spielt auch bei der Funktionsweise eines Netztransformators eine wesentliche Rolle. 
  • Weniger bekannt ist die chemische Wirkung des elektrischen Stromes, die Elektrolyse. Eine wichtige Anwendung ist das Galvanisieren, also das Aufbringen dünner Metallschichten auf andere Materialien.

Weblinks:
Elektrischer Widerstand
Wenn ein Strom durch einen elektrischen Leiter fließt, stoßen die Ladungsträger immer wieder mit den Bausteinen des Leiters zusammen und können nicht ungehindert fließen. Dieses Phänomen ist als elektrischer Widerstand bekannt. Georg Simon Ohm (1789 - 1854) hat den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke im elektrischen Leiter erkannt. Ihm zu Ehren ist die Einheit des elektrischen Widerstands "Ohm". 
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • Verhältnis aus elektrischer Spannung und gleichzeitig fließender Stromstärke
  • Formelzeichen: R (lat.: resistere = widerstehen)
  • Einheit: Ω (Ohm, griechischer Buchstabe Omega)
Beispiele/Erklärungen:
  • Jeder kennt das: In einer Fußgängerzone läuft man “gegen den Strom”. Es ist fast nicht zu vermeiden, dass man mit entgegenkommenden Menschen “zusammenstößt”. In einem elektrischen Leiter ist es ähnlich. Die Gitterbausteine bewegen sich an ihrem Platz (Schwingung). Die frei beweglichen Ladungsträger müssen dazwischen “hindurch schwimmen” und stoßen mit diesen Gitterbausteinen zusammen. Dabei passieren zwei Dinge: Sie werden abgebremst (daher der Begriff „Widerstand“). Es entsteht Wärme (bei einer Glühlampe als unerwünschter Nebeneffekt, bei der Röhrenheizung dringend notwendig).
  • Ein paar Beispiele zur Größe des Widerstandes: 
    Verlängerungsschnur: < 1 Ω, Glühlampen: 500 - 1000 Ω, Körper (Hand zu Hand): ca. 1 kΩ, technische Widerstände (Bauteile): wenige Ohm bis mehrere Megaohm
Weblinks:
Elektrische Kapazität
Hat man zwei voneinander isolierte, elektrisch leitende Körper, so ist die Kapazität das Verhältnis aus gespeicherter Ladungsmenge (auf beiden Körpern) und der anliegenden Spannung. Das bekannteste Bauelement in diesem Zusammenhang ist der Kondensator. Michael Faraday (1791 - 1867) entdeckte die elektromagnetische Induktion. Ihm zu Ehren ist die Einheit der Kapazität „Farad“. 
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • Verhältnis aus gespeicherter Ladungsmenge und anliegender Spannung
  • Formelzeichen: C (lat.: capacitas = Fassungsvermögen)
  • Einheit: F (Farad)
Beispiele/Erklärungen:
  • Bis Mitte des 20. Jahrhunderts hat man teilweise die Kapazität in cm angegeben. Carl Friedrich Gauß (1777 - 1855) hatte ein Einheitensystem geschaffen, welches alle Einheiten auf CGS (Zentimeter, Gramm, Sekunde) bezog. Ursprünglich war es für die mechanischen Größen geschaffen und wurde später um die elektrischen ergänzt. 1 cm entspricht dabei ca. 1,1 pF. 
  • Die Multimeter messen die Kapazität häufig dadurch, dass der Kondensator mit konstantem Strom geladen wird und dabei ermittelt wird, wie schnell die Spannung steigt. 
Weblinks:
Elektrische Induktivität
Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem sich ändernden Magnetfeld, so wird in ihm eine Spannung induziert (lat.: "hineingeführt" im Sinne von erzeugt). Eine Spule im Wechselstromkreis ist ihrem eigenen Magnetfeld ausgesetzt. Man spricht hier von Selbstinduktion. An einer Spule fällt immer dann eine Spannung ab, wenn sich der hindurchfließende Strom ändert. Zu Ehren von Joseph Henry (1791 - 1878), der unabhängig von Michael Faraday die elektromagnetische Induktion entdeckte, wurde die Einheit nach ihm benannt. 
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • Fähigkeit einer Spule, in den eigenen Windungen eine Spannung zu erzeugen
  • Formelzeichen: L (Emil Lenz = deutsch-baltischer Physiker, 1804 - 1865)
  • Einheit: H (Henry)
Beispiele/Erklärungen:
Das folgende Video zeigt am Anfang einen sehr schönen Versuch zur Demonstration der Selbstinduktion. Im mittleren Teil gibt es etwas Mathematik. Der dritte Teil zeigt eine Darstellung des Stromverlaufes am Oszilloskop.

Weblinks:
Elektrische Leistung
Je mehr elektrische Energie in einer bestimmten Zeit umgesetzt wird, desto größer ist die Leistung. Im Gleichstromkreis ist sie das Produkt aus Spannung und Stromstärke. James Watt (1736 - 1819) verbesserte den Wirkungsgrad der Dampfmaschine und schuf so die technische Grundlage der industriellen Revolution. Er führte die noch heute gebräuchliche Einheit PS ein. Als Anerkennung seiner Verdienste trägt die Einheit der elektrischen Leistung seinen Namen. 
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • die in einer Zeitspanne umgesetzte elektrische Energie
  • Formelzeichen: P (engl.: power = Leistung)
  • Einheit: W (Watt)
Beispiele/Erklärungen:
Im Gleichstromkreis gilt: P = U * I. Damit lässt sich bei Kenntnis von zwei der Größen die dritte berechnen. 
  • U = 230 V, I = 5 A:
    P = 230 V * 5 A
    P = 1150 W
  • U = 230 V, P = 50 W:
    I = P / U
    I = 50 W / 230 V
    I = 0,22 A
  • P = 250 W, I = 1,1 A:
    U = P / I
    U = 250 W / 1,1 A
    U = 227 V
Im Wechselstromkreis gibt es drei Arten von Leistung:
  • Blindleistung
  • Wirkleistung
  • Scheinleistung
Das liegt daran, dass Kondensatoren und Spulen die Phasen von Strom und Spannung gegeneinander verschieben. 
Weblinks:
Frequenz
Die Frequenz gibt bei einem periodischen Vorgang die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an. Der deutsche Physiker Heinrich Hertz (1857 - 1894) war der erste, der elektromagnetische Wellen erzeugen konnte. 1930 wurde die Einheit der Frequenz nach ihm benannt.
  • Größe der Physik/Elektrizitätslehre
  • Schwingungen pro Sekunde
  • Formelzeichen: f (lat.: frequentia = Häufigkeit)
  • Einheit: Hz (Hertz)
Beispiele/Erklärungen:
Zur Erklärung der Grundgrößen eignet sich am besten eine Schaukel. Nach dem Anstoßen schwingt sie hin und her. 

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Die maximale Auslenkung nennt man Amplitude. Lässt man jetzt die Schaukel los, schwingt sie zwischen den Totpunkten hin und her. Wir nehmen den Idealfall ohne bremsende Einflüsse. Unsere Schaukel schwingt ungedämpft immer konstant hin und her (der Traum mancher Eltern Wink).
Die Zeit für einen kompletten Durchlauf (also hin und her) heißt Schwingungsdauer. Die Anzahl der kompletten Durchläufe pro Sekunde ist die Frequenz. Unsere Schaukel schwingt recht langsam. Sie hat vielleicht eine Schwingungsdauer von 2 Sekunden. Das heißt jetzt, dass sie in einer Sekunde lediglich eine halbe (0,5) Schwingung schafft. Deshalb ist die Frequenz 0,5 Hz.

Zurück zur Elektrizität: Auch Spannung und Strom können schwingen. Nehmen wir die Netzspannung. Die Höhe der Spannung ändert sich ständig von -325 V zu 325 V und zurück. Verglichen mit der Schaukel sind -325 und 325 die Totpunkte und 0 V ist die Ruhelage. Warum bemerken wir das nicht, indem bspw. alle Glühlampen flackern? Es liegt an der deutlich höheren Frequenz im Vergleich zu unserer Schaukel. Sie beträgt 50 Hz. Ein kompletter Durchlauf (-325 zu 325 und wieder zurück zu -325) dauert lediglich 0,02 Sekunden. So schnell kann sich die Helligkeit eines Glühfadens nicht ändern. 
An unseren Steckdosen liegt der sogenannte Effektivwert der Wechselspannung an. Er berechnet sich mit Ueff = 325 V / 1,4. Es ergeben sich 232 V, was unserer Netzspannung entspricht. Übrigens: Die 1,4 ist der gerundete Wert für die Wurzel aus 2.
Weblinks:
Vorsätze für Maßeinheiten
Häufig ist es notwendig, einen Vorsatz vor die Maßeinheit (z. B. Farad, Henry oder Ohm) zu setzen. Im Folgenden stehen die in unserem Hobby gebräuchlichsten Präfixe.
  • M | Mega | gr.: megas = groß | 1 000 000
  • k | Kilo | gr.: chilioi = tausend | 1 000
  • m | Milli | lat.: mille = tausend | 0,001
  • µ | Mikro | gr.: mikros = klein | 0,000 001
  • n | Nano | gr.: Zwerg | 0,000 000 001
  • p | Piko | ital.: piccolo = klein | 0,000 000 000 001
Beispiele/Erklärungen:
4,7 kΩ= 4,7 * 1000 Ω= 4700 Ω
30 mH = 30 * 0,001 H = 0,03 H
22 nF = 22 * 0,000 000 001 F = 0,000 000 022 F
Besonders das letzte Beispiel zeigt, wie sinnvoll der Einsatz dieser Vorsätze ist.
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