Amateurfunklehrgang – Der Weg zur HB9-Lizenz/ Elektrizität, Magnetismus und Funktheorie

Grundlagen Elektrizität

Grundlagen Chemie und Physik

Die Elektrizität

Beim elektrischen Strom handelt es sich grundsätzlich um den Fluss von elektrischer Ladung. Der Transport der Ladung kann durch den Fluss von Elektronen oder Ionen stattfinden.

Ladung ist eine Eigenschaft von Teilchen wie Elektronen und Protonen. Elektronen haben eine negative Ladung und Protonen haben eine positive Ladung.

Der Transport von Ladung kann auf verschiedene Weise erfolgen:

1. Durch einen Draht: Wenn eine Spannungsquelle (z.B. eine Batterie) an einen Draht angeschlossen wird, und beide Pole miteinander verbunden werden, wird ein elektrischer Strom erzeugt, der die Ladungsträger (Elektronen) durch den Draht fliessen lässt. Metalle sind gute elektrische Leiter, da sie frei bewegliche Elektronen in ihrem Atomgitter haben. Diese Elektronen können sich leicht durch das Metall bewegen und den elektrischen Strom transportieren. Metallische Leiter ermöglichen den Fluss von Elektronen. Die Leitfähigkeit ist bei Metallen temperatur- und materialabhängig. Aufgrund der verstärkten Schwingungen setzt das Material dem Elektronenfluss einen höheren Widerstand entgegen. Der Temperaturkoeffizient ist positiv.
2. Durch Gase: Unter bestimmten Bedingungen können auch Gase elektrischen Strom leiten. Wenn ein ausreichend hoher Spannungsunterschied vorhanden ist, können Elektronen im Gas ionisiert werden, was zur Bildung eines Plasmazustands führt. Das Plasma enthält frei bewegliche Ionen und Elektronen, die den elektrischen Strom transportieren können. Die eindrücklichste Plasmabildung ist der Blitz bei einem Gewitter, den Effekt nutzen wir aber im Alltag auch in Entladungslampen (Fluoreszenzleuchten, Neonröhren) oder auch beim Elektroschweissen.
3. In Lösungen: Elektrolyte (wie Salzwasser) können auch Ionen transportieren, welche geladene Atome oder Moleküle sind. Wenn Sie eine Batterie in eine Elektrolytlösung tauchen, bewegen sich die Ionen zur positiven oder negativen Seite der Batterie. Bei diesem Vorgang wird das Elektrolytchemisch verändert.
4. Durch feste, nicht- oder halbmetallische Stoffe: Einige Materialien, wie Halbleiter, können Ladungsträger in Form von Elektronen oder "Löchern" (fehlende Elektronen) transportieren.Leiter, Halbleiter, Isolatoren

In diesem Zusammenhang betrachten wir die vier Grundgrössen Spannung, Strom, Ladung und Fluss. Um diese Grundgrössen zu beeinflussen gibt es vier Fundamentalbauelemente, von denen aber bis jetzt nur drei technisch von Bedeutung sind: Widerstand, Konensator und Spule

Fundamentale Bauteile und Kenngrössen.

Strom

Der elektrische Strom bezeichnet die Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen. Die Einheit für die Stromstärke ist das Ampere. Diese wiederum ist definiert durch den Stromfluss, also durch den Fluss von Ladungsteilchen pro Sekunde:

1 Ampere ist demnach 1,602 176 634 ∙ 10^.-19 Coulomb pro Sekunde (C = As), also ca 6,2 · 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde, die durch einen Leiter fliessen.

Spannung

Die elektrische Spannung, oft auch als elektrisches Potential oder einfach Spannung bezeichnet, ist ein Mass für den elektrischen Potentialunterschied zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld. Es ist quasi die elektrische Kraft die den elektrischen Strom durch einen Leiter, wie z.B. ein Kabel, treibt. Die Einheit der Spannung ist Volt (V) und der Spannung ist das Formelzeichen U zugewiesen.

Man kann die Spannung als den Unterschied im elektrischen Potential zwischen zwei Punkten betrachten. Wenn Sie einen Punkt mit hohem Potential und einen Punkt mit niedrigem Potential haben und diese mit einem Leiter verbinden, wird ein elektrischer Strom fliessen. Spannung kann durch verschiedene Quellen erzeugt werden, wie z.B. Batterien, Generatoren oder Solarzellen.

Ladung

Stromquellen

Leiter, Halbleiter, Isolator

Leiter, Halbleiter und Isolatoren sind Materialien, die sich hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden. Leiter sind Materialien, die den elektrischen Strom leicht leiten können. In Leitern gibt es viele freie Elektronen, die sich relativ frei durch das Material bewegen können. Metalle wie Kupfer, Aluminium, Gold und Silber sind gute Leiter. Wegen ihrer hohen Leitfähigkeit werden Leiter häufig für elektrische Kabel und Drähte verwendet.

Halbleiter haben Eigenschaften, die zwischen denen von Leitern und Isolatoren liegen. Ihre Leitfähigkeit kann durch verschiedene Faktoren verändert werden, z.B. durch Temperatur, Belichtung mit Licht oder durch das Hinzufügen von Fremdatomen (Dotierung). Halbleiter haben eine Energielücke zwischen den Valenzelektronen und den Leitungselektronen, die kleiner ist als die von Isolatoren. Dies ermöglicht es Elektronen unter bestimmten Bedingungen, in das Leitungsband zu springen und einen elektrischen Strom zu leiten. Silizium und Germanium sind die bekanntesten Halbleitermaterialien. Halbleiter sind die Grundlage der modernen Elektronik und werden in Transistoren, Dioden und integrierten Schaltungen verwendet.

Isolatoren leiten den elektrischen Strom sehr schlecht oder gar nicht. Sie haben eine große Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, wodurch es für Elektronen schwierig wird, zu fliesen und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Glas, Gummi und die meisten Kunststoffe sind Beispiele für Isolatoren. Isolatoren werden häufig verwendet, um elektrische Leiter zu ummanteln und zu isolieren, um unbeabsichtigten Stromfluss oder Kurzschlüsse zu verhindern.

Die spezifische Leitfähigkeit

Die spezifische Leitfähigkeit, auch als elektrische Leitfähigkeit oder Konduktivität bezeichnet, gibt an, wie gut ein Material elektrischen Strom leitet. Sie wird mit dem Symbol σ (Sigma) dargestellt und hat die Einheit Siemens pro Meter (S/m).

Die allgemeine Formel für die spezifische Leitfähigkeit lautet:

σ=I/(U⋅A)

• σ die spezifische Leitfähigkeit,
• I der elektrische Strom in Ampere (A),
• U die elektrische Spannung in Volt (V), und
• A der Querschnittsflächenbereich des Materials in Quadratmetern (m²).

Es gibt Materialien, deren Leitfähigkeit von der Temperatur abhängig ist. Diese Abhängigkeit wird durch den Temperaturkoeffizienten (positiver oder negativer Koeffizient) beschrieben.

Positiver Temperaturkoeffizient (PTC):

Bei einigen Materialien, wie beispielsweise Halbleitern, steigt die spezifische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Beispiel: Silizium. Die Anwendungen von PTC-Materialien sind vielfältig:

Heizelemente: Wenn Strom durch das PTC-Material fliesst, erhitzt es sich. Mit zunehmender Temperatur verschlechtert sich die Leitfähigkeit, was zu einer Abhnahme der Erwärmung führt.

Temperaturkompensation: PTC-Widerstände werden als Temperaturkompensationskomponenten in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Sie können dazu verwendet werden, die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Schaltung zu minimieren, indem sie den Widerstand bei steigender Temperatur erhöhen.

Überstromschutz: PTC-Widerstände können als Überstromschutz, verwendet. Wenn der Strom über einen bestimmten Schwellenwert steigt, erhöht sich der Widerstand des PTC-Materials dramatisch, was den Stromfluss begrenzt und die Schaltung vor Schäden schützt

Anlaufstrombegrenzer: PTC-Elemente begrenzen vorübergehend hohe Einschaltströme, indem sie bei Start des Geräts einen erhöhten Widerstand aufweisen. Nachdem das Gerät eingeschaltet ist, erhitzt sich das PTC-Material, der Widerstand steigt, und der Strom wird begrenzt.

Negativer Temperaturkoeffizient (NTC):

Bei den meisten Metallen nimmt die spezifische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ab. Beispiel: Kupfer. Die Anwendungen von PTC-Materialien sind vielfältig:

Temperaturmessung: NTC sind als Temperatursenseron schnell ansprechend, genau und günstig.

Einschaltstrombegrenzung: Durch den hohen Widerstand im kalten Zustand wird der Strom begrenzt. Durch den Stromfluss findet eine Erwärmung statt und der Widerstand sinkt.

Spannung, Strom und Widerstand

Gleichstromwiderstand und das Ohmsche Gesetz

Die Formel welche das Verhältnis zwischen Spannung, Strom und Widerstand beschriebt nennt man "Ohmsches Gesetz".

$U=R*I$

U: Spannung [V]

R: Widerstand [Ohm]

I: Strom [A]

Beispiele - wir gehen immer von einem linearen Verhalten des Widerstandes aus

(simulator: https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html)

Wechselstromwiderstand (Induktiver Widerstand, Impedanz)

Der induktive Widerstand ist im Wesentlichen der Widerstand, den eine Spule einem Wechselstrom entgegensetzt. Je höher die Frequenz des Wechselstroms ist oder je größer die Induktivität der Spule ist, desto grösser wird die Impedanz und somit der induktive Widerstand. Neben der Impedanz führt eine Spule bei Wechselstrom auch zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Der Strom eilt in der Phase der Spannung um 90 Grad voraus.

Die Spule im Gleichstromkreis: Bei Gleichstrom, der keine Frequenzänderung aufweist (f = 0), hat die Spule keinen induktiven Widerstand, da die Änderungsrate des Stroms null ist. Dies bedeutet, dass der Widerstand gegen Gleichstrom beinahe null ist (Widerstand des Kupferdrahtes).