Bevor wir mit der Reihe "Elektrische Schaltungen" beginnen, lass uns zuerst einen Blick auf die Grundlagen und die Geschichte der Elektrizität werfen.
Grundlagen
Für das Verständnis von Schaltkreisen ist es wichtig zu wissen, was Elektrizität ist und was verschiedene Begriffe bedeuten. Zu Beginn dieser Serie möchte ich einen kurzen Blick auf die Geschichte der Elektrizität werfen und dann grundlegende Begriffe wie Ladung, Spannung, Strom und Leistung vorstellen.
Die Geschichte der Elektrizität
Was ist Elektrizität? Das ist keine Frage, die man in einem Satz beantworten könnte. Am Anfang faszinierte die Elektrizität nur wenige. Die meisten Menschen hatten Angst. Heute könnten wir ohne Elektrizität nicht mehr leben. Sicher ist, dass wir die Elektrizität nicht erfunden haben. Elektrizität beschreibt verschiedene Phänomene, die alle eines gemeinsam haben: Sie werden durch elektrische Ladung verursacht. Einige dieser Phänomene sind seit Jahrhunderten bekannt wie beispielsweise Blitze oder der Zitteraal.
In der Anfangszeit konzentrierten sich die Wissenschaftler vor allem auf die Elektrostatik. Wir alle kennen das Gefühl, unerwartet einen elektrischen Schlag zu bekommen, wenn man etwas oder jemanden berührt. Der Grund dafür ist, dass entweder wir oder das Objekt elektrisch geladen waren. Wir fühlen Schmerz, wenn elektrischer Strom durch unseren Körper fließt, während sich das Objekt entlädt. Aber ich möchte an dieser Stelle nicht vorgreifen. Lass uns am Anfang starten.
Das Wort Elektrizität und auch der Begriff Elektron wurzeln im lateinischen Wort "electricus" oder auf Deutsch "wie Bernstein". Du fragst sich jetzt wahrscheinlich, warum? Der Begriff wurde von William Gilbert eingeführt, einem Arzt, der von 1544 bis 1603 lebte und auf dem Gebiet der Elektrizität und des Magnetismus forschte. Der Grund für den Begriff "wie Bernstein" besteht darin, dass Bernstein sich auflädt und Staubpartikel anzieht, wenn man ihn mit einem Tuch reibt. Aber Bernstein ist nicht das einzige Material, das sich auf diese Weise verhält. Verschiedene Materialien zeigen das gleiche Verhalten. Sie verhalten sich "wie Bernstein".
Beängstigender sind Experimente mit Elektrizität und ehemals lebenden Kreaturen wie Luigi Galvanis zuckende Froschschenkel. Für die Menschen seiner Zeit war dies eine Art beängstigende Magie. Heute wissen wir, dass unser Nervensystem elektrische Signale zur Informationsübertragung verwendet und dass eine externe elektrische Stimulation Muskelkontraktionen verursachen kann. Genau das passiert mit den Froschschenkeln. Nun, natürlich nur, wenn die Froschschenkel frisch sind und der Frosch noch nicht allzu lange tot ist. Aber überspringen wir die hässlichen Details. Eines sollten wir jedoch im Auge behalten: Auch wenn überall Elektrizität verwendet wird, ist sie immer noch gefährlich für uns, und aus diesem Grund werde ich möglichst in allen meinen Tutorials Kleinspannungen unter 24 V verwenden.
Kommen wir zurück zu einem angenehmeren Thema: elektrische Ladungen und Elektrostatik.
Elektrische Ladung und Elektrostatik
Das Phänomen der elektrostatischen Anziehung ist uns bereits aus William Gilberts Experiment mit Bernstein bekannt. Eine geläufigere Variante dieses Experiments ist die Verwendung eines Ballons, wie im Bild unten gezeigt. Um ihn aufzuladen, kannst du ein weiches Tuch oder einfach deine Haare verwenden, wenn es dir nichts ausmacht, deine Frisur zu ruinieren. Einmal aufgeladen, zieht der Ballon das Konfetti magisch an. In der Physik unterscheiden wir zwischen positiven und negativen elektrischen Ladungen. Unterschiedliche elektrische Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Wenn du deine Haare zum Aufladen des Ballons verwendet hast, kannst du mit großer Wahrscheinlichkeit auch sehen, dass sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen. Deine Haare werden sich in alle Richtungen abstehen. Bilder, auf denen Menschen die aufgeladene Kugel eines Van-de-Graaff-Generators berühren, sind jedoch zweifellos etwas beeindruckender. Fühl dich frei, danach zu suchen.
Für Besserwisser: Influenz
Warte, aber das Konfetti ist doch gar nicht geladen. Warum gibt es trotzdem eine elektrostatische Anziehung?
Nun, das liegt an einem zweiten Effekt, der elektrostatische Influenz genannt wird. Wenn ein nicht aufgeladener Gegenstand in ein elektrisches Feld gelangt oder, einfach gesagt, sich einem aufgeladenen Gegenstand nähert, wird er polarisiert.
Es gibt keine Objekte ohne elektrische Ladung in ihnen. Ein ungeladenes Objekt hat nur gleich viele positive und negative Ladungen.
Im elektrischen Feld spalten sich die Ladungen auf, weil eine Art von ihnen von dem geladenen Objekt angezogen und eine Art von ihnen abgestoßen wird. Das zuvor ungeladene Objekt hat nun eine Seite, die positiver und eine Seite, die negativer geladen ist. Die positive Seite wird von dem negativ geladenen Ballon angezogen.
Am Ende ist das Ergebnis das gleiche: unterschiedliche Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Es ist nur etwas aufwändiger zu erklären.
Die Kraft, die wir in diesem Experiment sehen, wird auch als elektromagnetische Kraft bezeichnet. Es ist eine der Kräfte, die wir in der Natur beobachten. Ein anderes Beispiel wäre die Anziehungskraft zwischen Massen. Manchmal wird dabei auch eine andere Form verwendet, um die Wirkung von Kräften darzustellen: Felder. Felder wie das elektrische Feld sind nur eine andere Form, um auszudrücken, dass es eine Kraft gibt, die auf die Teilchen einwirkt. Immer dann, wenn verschiedene Ladungen vorhanden sind, gibt es ein elektrisches Feld zwischen ihnen. Im Falle der Anziehung zwischen Massen ist es üblich, diese Ausdrucksweise zu verwenden. Wir sprechen in diesem Zusammenhang oft vom Gravitationsfeld der Erde.
Die Ladung (\(Q\)) wird in Coulomb gemessen. Auf subatomarer Ebene haben Elektronen eine negative Ladung, während Protonen eine positive Ladung haben. Diese Ladung wird auch als Elementarladung \(e\) bezeichnet. Protonen haben eine Ladung von \(+ 1 e\) und Elektronen eine Ladung von \(- 1 e\). Wie gesagt, die Ladung wird in Coulomb gemessen. Die Elementarladung beträgt jedoch gerade einmal \(1,602176634 \cdot {10 ^ {-19}}} C\). Wenn wir den Ballon an unseren Haaren reiben, werden Elektronen gezwungen, von unseren Haaren in den Ballon zu wandern, der danach negativ geladen ist. Unserem Haar fehlen nun Elektronen und es ist somit positiv geladen.
Ungeladene Atome haben die gleiche Menge an Protonen und Elektronen. In der Realität werden wir es wahrscheinlich sowieso nicht mit einzelnen Atomen zu tun haben. Wir haben geladene Moleküle, die auch als Ionen bezeichnet werden. Vielleicht kennst du das aus dem Chemieunterricht. In der Elektronik konzentrieren wir uns auf die Elektronen, da sich Elektronen frei in Materialien wie Metallen bewegen können. Dies ist ein Spezialfall für leitende Materialien, wir werden uns im nächsten Tutorial über den Widerstand näher mit diesem Thema befassen. Flüssigkeiten sind ein Beispiel dafür, dass sich auch ganze geladene Moleküle bewegen können. Ein berühmtes Beispiel dafür ist Salz oder \(Na Cl\). In Wasser spaltet es sich in ein \(Na^+\) und ein \(Cl^-\)-Ion auf. In der Elektronik interessiert uns das nicht wirklich, solange wir uns nicht mit der Batteriechemie oder der Frage befassen, warum Wasser leitfähig ist.
Bis jetzt haben wir nur über Elektrostatik gesprochen. In elektronischen Schaltkreisen dreht sich alles um bewegte Ladungen. Wir wissen, dass das Aufgeladen-sein kein optimaler Zustand für Objekte ist. Der Ballon verliert mit der Zeit seine Ladung, wenn er andere Objekte berührt. Wenn wir einen elektrischen Schlag bekommen oder einen Blitz sehen, sind wir nicht Zeuge statischer, sondern bewegter Ladungen. In diesem Fall als Teil des Entladungsprozesses von aufgeladenen Objekten. Damit kommen wir direkt zum nächsten Thema: dem elektrischen Strom.
Elektrischer Strom
Elektrischer Strom (\(I\)) ist der Fluss elektrischer Ladungen. Um etwas genauer zu sein, ist es die Flussrate. Wir messen elektrischen Strom in Ampere. Ein Strom von einem Ampere bedeutet, dass eine Ladung von einem Coulomb in einer Sekunde durch einen Punkt unserer Schaltung bewegt wird.
\(1 A = 1 \frac{C}{s}\)
Theoretisch könnten wir den elektrischen Strom berechnen, indem wir die bewegte Ladungsmenge durch die dafür benötigte Zeit dividieren.
\(I = \frac{Q}{t}\)
Wir werden diese Formel in der Elektronik nicht brauchen. Um sie zu verwenden, müssten wir die Menge der bewegten Ladung messen, und das lässt sich nicht einfach mit einem Multimeter machen.
War das alles? Nun, es gibt noch einen etwas verwirrenden Punkt: die Richtung des elektrischen Stroms. Lass uns einen Blick auf das untenstehende Bild werfen. Die konventionelle Richtung des Stroms ist von \(+\) nach \(-\). Die Elektronen bewegen sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung von \(-\) nach \(+\).
Die konventionelle Stromrichtung so zu definieren, scheint zunächst eine seltsame Entscheidung zu sein. Der Grund dafür ist ein historischer. Als die konventionelle Stromrichtung definiert wurde, war nicht bekannt, dass sich negative Ladungen (Elektronen) innerhalb des Stromkreises bewegen. Die Verschiebung positiver Ladungen von \(+\) nach \(-\) ist in etwa äquivalent zur Verschiebung negativer Ladungen von \(-\) nach \(+\), auch wenn wir wissen, dass ersteres nicht das ist, was wirklich passiert. Für das Verständnis elektrischer Schaltkreise ist das nicht wirklich wichtig. Es ist üblich, sich an die konventionelle Richtung zu halten.
Spannung
Spannung ist etwas schwieriger zu erklären. Spannung ist die potentielle Energie pro Ladung und wird in Volt gemessen. Eine Spannung von einem Volt bedeutet, dass ein Coulomb Ladung eine Energie von einem Joule transportiert.
\(1 V = 1 \frac{J}{C}\)
Die elektrischen Ladungen sind nur der Träger für die elektrische Energie. Es werden keine Elektronen von der Schaltung verbraucht. Die gleiche Menge an Elektronen, die in den Stromkreis gelangt, wird ihn auch wieder verlassen. Aber woher kommt die Energie, die eine Lampe zum Leuchten bringt?
Potentielle Energie ist die Energie, die von einem Objekt aufgrund seiner Position oder Konfiguration gehalten wird. Sie wird freigesetzt, wenn das Objekt in einen niedrigeren energetischen Zustand versetzt wird. Lassen mich dir ein einfaches Beispiel für potentielle Energie aus einem anderen Bereich der Physik vorstellen.
Wenn ein Ball nach oben gehalten wird, hat er eine höhere potentielle Energie als ein Ball, der auf dem Boden liegt. Er hat diese potentielle Energie aufgrund seiner Position im Gravitationsfeld der Erde oder einfach gesprochen aufgrund seiner Höhe. Wenn man ihn fallen lässt, wird diese potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Der Ball wird beschleunigt und fällt auf den Boden. Beim Aufprall auf den Boden wird die kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Nun, der Ball wird wahrscheinlich einige Male abprallen, weil er elastisch ist, aber das ist ein anderes Thema. Was wichtig ist, ist die Tatsache, dass der Ball nach dem Fallen immer noch da ist. Der Ball hat sich nicht verändert.
Ein weiteres Beispiel wäre ein Staudamm für ein Wasserkraftwerk. Die potentielle Energie, die das Wasser aufgrund seiner Höhe hat, kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Während dieses Prozesses wird sich das Wasser weder verändern noch verschwinden. Es trägt nur die Energie.
Dasselbe gilt für die Elektronen in elektrischen Schaltkreisen. Um das zu verstehen, schauen wir uns einen einfachen Plattenkondensator an. Wir haben zwei Platten, eine positiv und eine negativ geladene. Wenn wir beide Platten mit einem Draht verbinden, bewegen sich die Elektronen von der negativen Platte auf die positive Platte. Der Kondensator entlädt sich sofort. Wir erhalten einen Funken und etwas Wärme. Wir wissen mit Sicherheit, dass hier Energie freigesetzt wurde. Aber woher kommt sie?
Nun, jemand hat den Kondensator zuvor aufgeladen und Energie zugeführt, um die Elektronen dazu zu zwingen, sich zu einer der beiden Platten zu bewegen. Das ist so vergleichbar mit dem Platzieren des Balles an einer höher gelegenen Position, von der aus er herunterfallen kann. Indem wir die Elektronen auf eine Platte bewegen, erhöhen wir ihre potentielle Energie, genau wie wir es mit dem Ball getan haben. Wir erzeugen ein elektrisches Feld zwischen den Platten. Wenn wir beide Platten mit einem Draht verbinden, entladen sie sich. Sobald alle überschüssigen Elektronen die positive Platte erreicht haben und das elektrische Feld zusammengebrochen ist, gibt es keine Energie mehr freizusetzen. Das ist analog zum Ball, der auf dem Boden liegt.
Ohne die getrennten Ladungen kann keine Energie freigesetzt werden, und beim Verbinden beider Platten fließt kein Strom. Wir haben eine Spannung von 0 V. Wenn die Platten aufgeladen sind, können wir eine Spannung messen. Dies sagt uns, dass es potentielle Energie gibt, die freigesetzt werden kann.
Wo genau befindet sich diese potentielle Energie? Nun, das ist schwer zu definieren. Die Tatsache, dass wir die potentielle Energie nicht leicht lokalisieren können, macht es so schwer, sie zu verstehen. Die Energie ist aufgrund des Zustands der getrennten Ladungen und der Anziehungskraft zwischen ihnen vorhanden. Mit anderen Worten, die Energie ist im elektrischen Feld gespeichert.
Natürlich gibt es nicht nur Plattenkondensatoren, und in anderen Fällen kann die Energiequelle eine andere sein. Bei Batterien ist es eine chemische Reaktion. In Kraftwerken ist es gewöhnlich eine Turbine, in der die kinetische Energie von Dampf oder Wasser in elektrische Energie umgewandelt wird. Wichtig dabei ist, dass keine Energie aus dem Nichts erzeugt wird, sondern nur ein Typ in einen anderen umgewandelt werden kann. Es ist sogar noch schlimmer, wir verlieren dabei immer etwas Energie. Versteh mich nicht falsch, diese Energie ist nicht wirklich weg, sie ist nur in einer Form, in der wir sie nicht mehr verwenden können. In den meisten Fällen ist diese Form nutzloser Energie Wärmeenergie. Ein Beispiel: Bei vielen Geräten haben wir keine Verwendung für die von den elektrischen Komponenten erzeugte Wärme, wir müssen sie loswerden, damit das Gerät nicht überhitzt.
Eine wichtige Tatsache über Spannung und potentielle Energie ist, dass sie immer relativ zu einem Referenzpunkt gemessen wird. Im Falle der Ball war dies der Boden. Im Falle unseres Kondensators ist es eine der Platten. In Schaltungen messen wir die Spannung relativ zur Masse oder im Falle von Batterien relativ zum Minuspol. Das müssen wir aber nicht. In Schaltkreisen mit mehreren Komponenten können wir die Spannung zwischen verschiedenen Punkten messen. Dies ist analog zu einem Fluss mit mehreren Staustufen. Wir können uns die Energie betrachten, die wir aus dem gesamten System herausholen können, oder wir können uns eine einzelne Staustufe ansehen. Wir können den Spannungsabfall über einen einzelnen Widerstand oder eine einzelne Last messen. In Kombination mit dem Strom, der durch den Stromkreis fließt, können wir daraus die Energiemenge berechnen, die von diesem spezifischen Bauteil umgewandelt wird. Was uns zum letzten Thema bringt: elektrische Leistung.
Elektrische Leistung
Leistung (\(P\)) ist die physikalische Größe, um die pro Zeiteinheit umgewandelte Energiemenge anzugeben. Die Leistung kann berechnet werden, indem man den elektrischen Strom (Flussrate der elektrischen Ladungen) mit der Spannung (Menge der pro Ladung transportierten Energie) multipliziert:
\(P = U \cdot I\)
Die Leistung wird in der Einheit Watt (W) gemessen. Eine Leistung von einem Watt bedeutet, dass ein Joule Energie pro Sekunde umgewandelt wird:
\(1 W = 1 V A = 1 \frac{C}{s}\frac{J}{C} = 1 \frac{J}{s}\)
