Was ist elektrischer Strom?

Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom ist eines der grundlegendsten Konzepte in der Elektro- und Elektronikwissenschaft - elektrischer Strom ist der Kern der Elektrizitätswissenschaft. Ob es sich um eine elektrische Heizung, ein großes Stromnetz, ein Mobiltelefon, einen Computer, einen entfernten Sensorknoten oder was auch immer handelt, das Konzept des elektrischen Stroms ist für seinen Betrieb von zentraler Bedeutung.

Was ist elektrischer Strom?

Elektrischer Strom ist eine elektrische Ladung in Bewegung. Es kann sich um eine plötzliche Entladung statischer Elektrizität handeln, wie einen Blitzschlag oder einen Funken zwischen Ihrem Finger und einer Bodenlichtschalterplatte. Üblicherweise meinen wir jedoch, wenn wir von elektrischem Strom sprechen, die kontrolliertere Form von Strom aus Generatoren, Batterien, Solarzellen oder Brennstoffzellen.

Die meisten elektrischen Ladungen werden von den Elektronen und Protonen innerhalb der Atome getragen. Während das Proton positiv geladen ist, ist das Elektron negativ geladen. Protonen sind jedoch meist im Inneren von Atomkernen immobilisiert, sodass die Aufgabe, Ladung von einem Ort zum anderen zu transportieren, von Elektronen übernommen wird. Elektronen in einem leitenden Material wie einem Metall können sich entlang dieser Leitungsbänder, die die höchsten Elektronenbahnen sind, weitgehend frei von einem Atom zum anderen bewegen. Eine ausreichende elektromotorische Kraft (EMF) oder Spannung erzeugt ein Ladungsungleichgewicht, das dazu führen kann, dass sich Elektronen als elektrischer Strom durch einen Leiter bewegen.

Was macht Elektrizität schnell?

Was Elektrizität SCHNELL macht, ist die Geschwindigkeit, mit der das elektrische Feld mit dem Elektron interagiert, und die Geschwindigkeit, mit der dieses elektrische Feld den Draht entlang wandert. Zum Beispiel: Sobald der elektrische Stromkreis geschlossen ist, ist die Kraft, die das Elektron im Stromkreis anzieht, nahezu augenblicklich, und alle Elektronen bewegen sich ungefähr gleichzeitig. Während ein Elektron die Batterie am Minuspol verlässt, tritt ein anderes am Pluspol auf der anderen Seite des Stromkreises ein; Daher kann der Stromfluss als unverzögert angesehen werden.

Der elektrische Stromfluss

Bei der Betrachtung von Stromkreisen gibt es zwei Arten von Strömungen, die den Stromfluss demonstrieren können; der konventionelle Strom und der Elektronenfluss. Diese beiden bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, der herkömmliche Strom fließt von positiv nach negativ, während Elektronen fließen, die negative Ladungen sind und sich von negativ nach positiv bewegen. Während der Elektronenfluss eher als WISSENSCHAFTLICH angesehen werden kann, kann er bei der Arbeit mit komplexen Komponenten wie Logikgattern und Transistoren ziemlich verwirrend sein.

Obwohl es ein bisschen heikel ist, den elektrischen Strom mit dem Wasserfluss in einem Rohr zu vergleichen, gibt es einige Ähnlichkeiten, die das Verständnis erleichtern könnten. Michael Dobson, Physikprofessor an der University of Colorado Boulder, sagte, dass wir uns den Fluss von Elektronen in einem Draht wie den Fluss von Wasser in einem Rohr vorstellen können. Der Vorbehalt ist, dass in diesem Fall das Rohr immer mit Wasser gefüllt ist . Wenn wir das Ventil an einem Ende öffnen, um Wasser in das Rohr zu lassen, müssen wir nicht warten, bis das Wasser bis zum Ende des Rohrs gelangt ist. Wir können sehen, wie das Wasser fast augenblicklich am anderen Ende herauskommt, während das einströmende Wasser das Wasser, das sich bereits im Rohr befindet, zum Ende drückt.

Das passiert mit dem Strom im Draht. Die Leitungselektronen sind bereits im Draht vorhanden; Wir müssen nur Elektronen an einem Ende schieben, und sie fließen fast sofort am anderen Ende.

Geschichte des Stroms

Elektrische Ströme sind nach Andre-Marie Ampere benannt, der als Vater der Elektrodynamik gilt und der die Auswirkungen paralleler Drähte und die auf sie ausgeübten Kräfte in Abhängigkeit von dem durch sie geführten Strom demonstriert hat. Elektrischer Strom wird in Ampere gemessen, und obwohl es mehrere Definitionen gibt, ist ein Ampere definiert, wenn eine Ladung von einem Coulomb für eine Sekunde fließt. Die alte Definition für Ampere bezieht sich auf die Kraft, die auf zwei Drähte wirkt, die in einem bestimmten Abstand voneinander entfernt sind.

Aktueller Messtyp

Es gibt viele Arten von elektrischen Strommessungen, aber alle fallen in eine von zwei Kategorien; analog und digital. Analoge Messgeräte verwenden eine Spule, die von einem durch sie fließenden Strom abgelenkt wird, und der Betrag der Ablenkung ist proportional zu dem durch sie fließenden Strom. Die digitale Version verwendet stattdessen einen Widerstand, um den elektrischen Strom in eine niedrige Spannung umzuwandeln, die dann in eine digitale Zahl umgewandelt wird.

Ohmsches Gesetz

Von allen Gleichungen in der Elektronik ist die am häufigsten verwendete und wohl wichtigste Formel V (Spannung) = I (Strom) x R (Widerstand). Es zeigt, wie Spannung, Strom und Widerstand miteinander zusammenhängen. Obwohl diese Formel korrekt ist, wurde sie jedoch nicht so geschrieben, wie es die ursprüngliche Gleichung besagt.

Es ist sehr wichtig, das Ohmsche Gesetz zu verstehen, weil es uns etwas über den elektrischen Strom sagt, der es von Spannung und Widerstand unterscheidet; ein elektrischer Strom ist das Ergebnis einer Spannung und eines Widerstands. (Die Spannung beeinflusst die Geschwindigkeit des Stromflusses und der Widerstand beeinflusst die Menge des abgegebenen elektrischen Stroms). Spannung und Widerstand sind Eigenschaften sind Eigenschaften eines Objekts, während der elektrische Strom erzeugt wird.

Elektrische Stromregeln

Elektrischer Strom folgt ebenso wie Spannung und Widerstand einer Reihe von Regeln, abhängig von Parallel- und Reihenschaltungen. Da der gleiche Nennstromwert für eine Reihenschaltung und der gleiche Nennspannungswert für eine Parallelschaltung. Wenn also der elektrische Strom durch Bauteile fließt, ist der elektrische Strom, der durch eine Reihenschaltung fließt, überall immer gleich und der Strom hat den gleichen Wert. Wenn also ein A elektrischer Strom den Pluspol der Batterie verlässt, muss ein A Strom zurück in den Minuspol fließen.

Parallel dazu wird der elektrische Strom abhängig vom Widerstand jedes Pfads proportional aufgeteilt. Es ist ein weit verbreiteter Mythos, dass elektrischer Strom immer den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Stattdessen nimmt der elektrische Strom ALLE Pfade, aber die Stromstärke in jedem Pfad wird durch den Gesamtwiderstand bestimmt. Dies führt uns zur Parallelstromregel, die besagt, dass die Summe der Ströme, die in einen Knoten eintreten, gleich der Summe der Ströme ist, die denselben Knoten verlassen. Wenn beispielsweise 3 A elektrischer Strom in ein Dreiwege-Widerstandsnetzwerk fließen, dann wäre die Summe der Ströme jedes Widerstandsnetzwerks 3 A.

Die Geschwindigkeit des elektrischen Stroms

Laut der Hyperphysics-Website der Georgia State University liegt die tatsächliche Geschwindigkeit von Elektronen in Drähten in der Größenordnung von einigen Millionen Metern pro Sekunde, aber sie bewegen sich nicht in einer geraden Linie durch Drähte. Sie hüpfen nahezu willkürlich umher und kommen nur mit einigen Millimetern pro Sekunde voran. Dies wird als Driftgeschwindigkeit des Elektrons bezeichnet. Die Übertragungsgeschwindigkeit des Signals, wenn Elektronen beginnen, aus dem anderen Ende der Drähte herausgeschoben zu werden, nachdem wir den Schalter umgelegt haben, was fast Lichtgeschwindigkeit ist, beträgt etwa 300 Millionen Meter pro Sekunde (186.000 Meilen pro Sekunde). Beim Wechselstrom ändert der elektrische Strom 50 oder 60 Mal pro Sekunde die Richtung, und die meisten Elektronen kommen nie aus dem Draht heraus.

Was ist ein elektrisches Stromungleichgewicht?

Elektrische Ladungsungleichgewichte können auf viele Arten erzeugt werden. Das erste bekannte Verfahren besteht darin, eine statische Aufladung zu erzeugen, indem zwei verschiedene Materialien aneinander gerieben werden, wie das Reiben eines Tierfells mit einem Stück Bernstein. Ein elektrischer Strom konnte dann erzeugt werden, indem der Bernstein mit einem weniger geladenen Körper oder mit dem Boden in Berührung kam. Dieser elektrische Strom hat jedoch eine sehr hohe Spannung, eine sehr niedrige Stromstärke und dauerte nur den Bruchteil einer Sekunde, sodass er nicht dazu gebracht werden konnte, irgendeine nützliche Arbeit zu verrichten.

Gleichstrom

Die nächste bekannte Methode zur Erzeugung eines elektrischen Ladungsungleichgewichts war die elektrochemische Batterie, sie wurde 1800 von dem italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden, nach dem die Einheit für elektromotorische Kraft, das Volt (V), benannt wurde . Sein Voltaic Pile bestand aus einem Stapel abwechselnder Zink- und Kupferplatten, die durch in Salzwasser getränkte Papierschichten getrennt waren und eine konstante Gleichstromquelle (DC) erzeugten. Er und andere Wissenschaftler verbesserten und verfeinerten seine Erfindung in den nächsten Jahrzehnten. Laut dem National Museum of American History erregten Batterien die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler und Erfinder, und in den 1840er Jahren lieferten Batterien elektrischen Strom für neue elektrische Geräte wie die Elektromagnete von Joseph Henry und den Telegrafen von Samuel Morse.

Andere Gleichstromquellen sind Brennstoffzellen, die Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser kombinieren und dabei elektrische Energie erzeugen. Der Sauerstoff und der Wasserstoff könnten als reine Gase oder aus der Luft und einem chemischen Brennstoff wie Alkohol zugeführt werden. Eine weitere elektrische Gleichstromquelle (DC) sind Photovoltaik- oder Solarzellen. In diesen Geräten stammt die photonische Energie aus dem Sonnenlicht, das von Elektronen absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wechselstrom

Heute wissen wir vielleicht alle, dass der meiste Strom, den wir verbrauchen, in Form von Wechselstrom (AC) stammt, der aus dem Stromnetz stammt. Wechselstrom (AC) wird von elektrischen Generatoren erzeugt, die nach dem Faradayschen Induktionsgesetz arbeiten, durch das ein sich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Leiter induzieren kann. Ein Generator besteht aus rotierenden Drahtspulen, die beim Drehen ein Magnetfeld durchlaufen. Wenn sich die Spulen drehen, schalten sie relativ zum Magnetfeld ein und aus und erzeugen einen elektrischen Strom, der jede halbe Umdrehung die Richtung umkehrt. Der elektrische Strom kann 60 Mal pro Sekunde oder 60 Hertz (Hz) (50 Hz in einigen Ländern) einen vollständigen Vorwärts- und Rückwärtszyklus durchlaufen. Der Generator kann von Dampfturbinen angetrieben werden, die mit Kohle, Erdgas, Öl oder einem Kernreaktor beheizt werden. Es kann auch von Windturbinen oder Wasserturbinen in Wasserkraftwerken angetrieben werden.

Der elektrische Strom fließt vom Generator durch eine Reihe von Transformatoren, wo er zur Übertragung auf eine viel höhere Spannung gebracht wird. Dies liegt daran, dass der Durchmesser der Drähte die Stromstärke oder Stromstärke bestimmt, die sie ohne Überhitzung und Energieverlust verarbeiten können. Die Spannung wird jedoch nur dadurch begrenzt, wie gut der Draht von der Erde isoliert ist. Es ist interessant festzustellen, dass der elektrische Strom nur über einen Draht statt über zwei geleitet wird. Beide Seiten des Gleichstroms (DC) werden als positiv und negativ bezeichnet. Da sich die Polarität des Wechselstroms jedoch 60 Mal pro Sekunde ändert, werden beide Seiten des Wechselstroms (AC) als heiß und geerdet bezeichnet. Bei Fernstromübertragungsleitungen tragen die Drähte das heiße Ende, und das Masseende wandert durch die Erde, um den Stromkreis zu vervollständigen.

Da Leistung gleich Spannung mal Stromstärke ist, können Sie eine höhere Spannung verwenden, um bei gleicher Stromstärke mehr Strom an die Leitung zu senden. Die Hochspannung wird dann heruntergesetzt, während sie über ein Netz von Umspannwerken verteilt wird, bis sie den Transformator in der Nähe Ihres Hauses erreicht, wo sie schließlich auf 110 V heruntergesetzt wird. (In den USA werden Steckdosen und Lampen mit 110 V bei 60 Hz betrieben. In Europa läuft fast alles mit 230 V bei 50 Hz. )

Sobald der Strom das Ende der Leitung erreicht, wird der größte Teil des Stroms auf eine von zwei Arten verwendet: entweder zur Bereitstellung von Wärme und Licht durch elektrischen Widerstand oder zur Erzeugung mechanischer Bewegung durch elektrische Induktion. Es gibt ein paar andere Anwendungen, wie Leuchtstofflampen und Mikrowellenherde, die nach anderen Prinzipien arbeiten, aber der Löwenanteil der Energie geht an Geräte, die auf Widerstand und/oder Induktivität basieren. Ein Haartrockner zum Beispiel verwendet beides gleichzeitig.

Schlussfolgerung

Der elektrische Strom spielt eine sehr wichtige Rolle in unserem Leben: Er kann arbeiten. Es kann Ihr Zuhause beleuchten, Ihre Kleidung waschen und trocknen, Ihre Geräte mit Strom versorgen und sogar Ihr Garagentor auf Knopfdruck öffnen. Immer wichtiger wird jedoch die Fähigkeit des elektrischen Stroms, Informationen zu transportieren, insbesondere in Form von binären Daten. Obwohl die Internetverbindung zu Ihrem Computer nur einen winzigen Bruchteil des elektrischen Stroms einer elektrischen Heizung verbraucht, wird sie für das moderne Leben immer wichtiger.

 

 

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