Kap. 1.2 Elektrischer Strom - Teil 1

im Kapitel 1.2 sprechen wir über den elektrischen Strom der Begriff des Stromes beschreibt ganz allgemein eine gerichtete Bewegung von Mengen durch eine Krafteinwirkung und sie kennen das aus ihrem Alltag z.B beschreibt der Wasserstrom also die Bewegung von Wassermolekülen der Luftstrom die gerichtete Bewegung von Luftteilchen und ein Verkehrsstrom beispielsweise die Bewegung von Autos Fahrrädern und so weiter und in der Elektrotechnik besagt also ein elektrischer Strom dass hier eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern vorherrscht und das Schreiben wir uns zunächst einmal in einem kurzen Merksatz auf also der elektrische Strom ist eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern und wir

nennen das ganze auch konvektionsstrom ich führe den Begriff hier ein weil wir im nächsten Semester dann auch eine andere Stromart kennenlernen werden mit dem Verschiebungsstrom und um das zu unterscheiden sich den Begriff hier schon einmal fallen ja wie können wir uns das ganze jetzt vorstellen also nehmen wir uns mal ein leitfähiges Medium und in diesem Medium befinden sich jetzt Ladungsträger ich zeichne jetzt hier beispielhaft positive Ladungsträger und diese Ladungsträger bewegen sich in dem Medium angedeutet jetzt hier durch diese Pfeile ja das ist jetzt erstmal eine rein qualitative Aussage dass die Ladungsträger sich bewegen und wenn

ich das ganze jetzt auch quantitativ also mathematisch beschreiben möchte dann interessiert mich also wie viele Ladungsträger denn jetzt in einem Zeitintervall eine gedachte Fläche durchströmen ich zeichne so eine Fläche in dem Fall jetzt hier die Querschnittsfläche mal ein das blaue hier ist jetzt also meine Fläche a und wir führen jetzt eine neue Größe ein eine intensitätsgröße das ist die elektrische Stromstärke okay und diese neue Größe die wollen wir jetzt definieren und wir werden in diesem Semester einige mathematische Definitionen für physikalische Größen vornehmen und jetzt beim ersten Mal werde ich das mal ausführlich auch mal in

Worten hinschreiben einfach dass sie noch mal den Zusammenhang sehen zwischen dieser Beschreibung in Worten und dem mathematischen formelausdruck das heißt wir definieren die Stromstärke folgendermaßen wir sagen also die elektrische Stromstärke oder kurz Stromstärke beschreibt jetzt also die Anzahl der Ladungen die durch diese gedachte Fläche strömt in einen bestimmten Zeitintervall je Zeitintervall das heißt was wir hier haben ist also ein Quotient auch jetzt hier ein langen Bruchstrich und im Zähler steht die im Zeitintervall Delta t durch die Fläche a geströmte Ladungsmenge Q im Zeitintervall del t durch die Fläche a geströmte Ladung Q und im Nenner

steht jetzt das Zeitintervall Delta t das Formelzeichen was wir einführen für die elektrische Stromstärke ist das i also Formelzeichen i und damit können wir diese Definition der Stromstärke jetzt auch als mathematischen formelausdruck schreiben das heißt die Stromstärke i ist also lassen Sie ein bisschen Platz rechts neben dem ist Gleichzeichen ist also der Quotient aus der Ladungsmenge die durch die Fläche strömt das ist eine ladungsänderung deswegen hier Delta Q geteilt durch das Zeitintervall Delta t und wenn wir dieses Zeitintervall jetzt unendlich kurz wählen also Delta t gegen 0 gehen lassen dann bilden wir den Grenzübergang schreiben

hin das ist der li Delta t geht gegen 0 ja und für diesen Grenzübergang geht das also über in die Ableitung der Ladung nach der Zeit DQ nach DT so und diese Definition Rahme ich jetzt hier mal rot ein die ist also elementar das heißt der Strom beschreibt also die zeitliche ladungsänderung also mathematisch die Ableitung der Ladung nach der Zeit ja die Maßeinheit der Stromstärke ist das Ampere und ich will das mal ganz kurz herleiten also die Maßeinheit der Stromstärke bekommen wir ja über den Operator eckige Klammer Maßeinheit der Stromstärke ja und das berechnet sich

jetzt also aus dem ktient der Maßeinheit da Ladung teilt durch die Maßeinheit der Zeit die Maßeinheit der Ladung ist das Coulomb das hatten wir bereits kennengelernt die Maßeinheit der Zeit die Sekunde ein Coulomb ist ein amperesekunde also amperesekunde geteilt durch Sekunde das Sekunde kürzt sich raus und es bleibt übrig ein Ampere diese Einheit ist also benannt nach andre Marie Ampere ein französischer Ph er französischer Physiker der im späten 18 frühen 19 Jahrhundert gelebt hatte in Frankreich und einer der führenden Wissenschaftler damals auf dem Gebiet der Elektrodynamik und zu dessen Ehren wird also diese Maßeinheit für

die elektrische Stromstärke nach ihm benannt und das ist die Grundeinheit der Elektrotechnik da muss man ein bisschen aufpassen das ist vielleicht etwas verwirrend als die Grundgröße der Elektrotechnik ist die elektrische Ladung und die Grundeinheit ist das Ampere die Einheit der elektrischen Stromstärke wir müssen noch ein paar Worte zur Stromrichtung sagen wir wenden als Konvention die sogenannte technische Stromrichtung und die technische Stromrichtung beschreibt also die Bewegungsrichtung der positiven Ladungsträger das hat historische Gründe heute bei metallischen Leitern sind die sich bewegenden Ladungsträger ja in der Regel die negativen Elektronen aber aus diesen historischen Gründen verwenden wir halt

die technische Stromrichtung was noch erforderlich ist ist eine Angabe einer Bezugsrichtung durch zähpfeile das ist ganz wichtig also Angabe der Bezugsrichtung durch sogenannte zählpfeile die wahlit der zugsrichtung ist erst einmal willkürlich und das will ich mal kurz an einem Beispiel zeigen nehmen wir uns also noch mal wieder diesen Leiter und in diesem Leiter befinden sich jetzt beispielsweise positive Ladungsträger und negative Ladungsträger jetzt wähle ich die Bezugsrichtung willkürlich in dem Fall also von links nach rechts durch einen zpfeil gebe ich diese Bezugsrichtung an und wenn jetzt die positiven Ladungsträger sich in Richtung dieses zähpfalls bewegen und

die negativen Ladungsträger entsprechend in die entgegengesetzte Richtung also in dem Fall von rechts nach links dann ist die elektrische Stromstärke betragsmäßig positiv also größer Null im umkehrfall heißt das folgendes zeichnen wir die Anordnung noch mal und wir haben wieder positive ladungs Träger und negative Ladungsträger so zählpfeil behalten wir in dem Fall in der Bezugsrichtung hier von links nach rechts und wenn jetzt die Bewegungsrichtung der Ladungsträger sich umkehrt also die positiven Ladungsträger sich in dem Fall von rechts nach links bewegen und die negativen Ladungsträger von links nach rechts dann ändert sich das Vorzeichen der elektrischen Stromstärke

und in dem Fall wäre als die Stromstärke negativ also I kleiner 0 na und noch einmal zur Wiederholung also die Wahl dieser bezugsrichtungen ist willkürlich und die kann dann also in jedem strompfahrt in einem Netzwerk vorgegeben werden ja und als letzten Punkt möchte ich noch kurz drauf hinweisen dass es verschiedene Stromarten gibt und da unterscheiden wir vor allen den Gleichstrom und den zeitveränderlichen Strom von einem Gleichstrom sprechen wir wenn die elektrische Stromstärke zeitlich konstant ist also I ist also die Änderung der Ladung nach der Zeit sei jetzt konstant dann sprechen wir von einem Gleichstrom und

für den Fall dass die elektrische Stromstärke sich mit der Zeit ändert also I ist jetzt ganz allgemein nur DQ nach DT und im allgemeinen zeitveränderlich dann sprechen wir von einem etveränderlichen Strom ja und wenn diese zeitliche Änderung auch noch periodisch erfolgt dann nennen wir das ganze Wechselstrom und dieser Spezialfall der beschäftigt uns dann ganz ausführlich im dritten Semester in der Lehrveranstaltung dynamische Netzwerke