Projektlabor Robotik MINTgrün

Elektrischer Strom ist per Definition bewegte Ladung. Sobald sich also ein geladenes Teilchen in bewegung setzt haben wir Strom. Das Formelzeichen von Strom ist I und die Einheit Ampere [A].

Spannung beschreibt einen Potentialunterschied. Darunter kann man sich vorstellen, dass man zwei Reservoirs (A und B) hat in dem einen befinden sich sehr viele sich abstossende Teilchen (A) in dem anderen nichts (B). In dem Reservoir mit den vielen sich abstossenden Ladungsträgern haben wir ein hohes Potential und in dem anderen eines von 0. Die Spannung beschreibt nun den Potentialunterschied also Pot(A)-Pot(B) = U. Wenn wir diese Idee weiterentwickeln so kommt man zu dem schluss, dass eine Spannung (wenn die beiden Pole/Reservoirs verbunden werden) einen Strom erzeugt, da die sich abstossenden Teilchen versuchen sich Gleichmäßig zu verteilen. Das Formelzeichen der Spannung ist U und die Einheit [V] Volt.

Der Widerstand ist eine Eigenschaft des verwendeten leitenden Materials. Er „bremst“ den Strom quasi aus. So zeichnen sich zB. Isolatoren dadurch aus einen sehr hohen elektrischen Widerstand zu haben und zwar so hoch, dass kein Strom mehr fliessen kann.

Das Ohmsche Gesetz postuliert einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom, wobei die Konstante der Widerstand ist. Das bedeutet, dass man in einem Stromkreis, wenn man die Spannung und den Strom misst berechnen kann wie groß der Widerstand ist. Bzw. allgemeiner wenn man 2 der drei Größen kennt, kennt man auch die 3.
Als Gleichung fromuliert U = R * I.
Achtung! Dieses Gesetz gilt nicht immer, so gibt es (auch bei uns im Labor) Bauteile die sich nicht so einfach beschreiben lassen.

Eine Reihenschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbraucher hintereinander geschaltet sind (vgl. Abbildung 1). In so einer Kofiguration verhalten sich die drei Größen U,R und I wie folgt.
Die Spannung U teilt sich auf die Bauteile R1 und R2 auf. Anders ausgedrückt an jedem der Bauteile fällt eine Spannung ab. Oder in eine Formel gefasst:

 U = U1 + U2

Der Strom durch alle Bauteile (R1 und R2) ist identisch.

 I0 = I1 = I2 

Der Gesamtwiderstand ergibt sich als Summe der Einzelwiderstände:

 R = R1 + R2 

Hierbei werden die Verbraucher in separaten Stromkreisen an die gleiche Spannungsquelle angeschlossen (vgl. Abbildung 2).
Die Spannung die an jeder der Lasten R1 und R2 anliegt enspricht der Spannung U der Spannungsquelle.

 U = U1 = U2 

Der Strom teilt sich an der Gabelung (Knoten Nr. 2) auf in zwei Ströme I1 und I2 wobei gilt:

 I0 = I1 + I2 

Der Gesamtwiederstand, den man an Knoten 2 und 5 (oder 1 und 4) messen würde ist durch

 R = 1/R1 + 1/R2 

gegeben.

Die Leistung P beschreibt allgemein die Energie, welche in einer bestimmten Zeit umgesetzt (geleistet) wurde. Die Einheit der Leistung ist Watt. Allgemein als Formel dargestellt:

 P = ΔE/Δt

Die elektrische Leistung (bei Gleichstrom!) ist gegeben durch folgenden Zusammenhang:

 P = U * I

Damit kann man zB. abschätzen wieviel Leistung an einem Widerstand abfällt und dann daraus zB. vorhersagen ob besagter Widerstand durchbrennt oder nicht. zB: Könnten wir eine einfache Schaltung mit einer Spannungsquelle (U) und einem Verbraucher (R1) haben. Wir kennen die Spannung U bereits, da wir sie selbst angelegt haben. Normalerweise kennt man den fliessenden Strom noch nicht. Wir können ihn allerdings wenn wir den Widerstand R1 kennen mit dem Ohmschen Gesetzt wie folgt berechnen.

U = R1 * I | Umformen
I = U/R1

Das setzten wir nun in die Gleichung für die Leistung ein und erhalten:

P = U^2/R1

Ist nun unser Wert für P größer als die Angabe auf unserem Widerstand so müssen wir einen Widerstand mit höherer Leistung oder einen mit einem höheren Widerstand R1 einbauen.