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Strom, Spannung und elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist der grundlegende Ursprung der Elektrizität.
Obwohl in der Diskussion über Elektrizität häufig Begriffe wie Strom (Ampere) und Spannung (Volt) im Vordergrund stehen, ist es die elektrische Ladung (Coulomb), die die entscheidende Voraussetzung dafür bildet, dass in einem Gleichstromkreis Strom fließen kann und elektronische Schaltungen funktionieren. Die elektrische Ladung ist eine fundamentale Eigenschaft von Teilchen, die es ihnen ermöglicht, elektrische Kräfte zu erzeugen und zu erfahren. In einem elektrischen Schaltkreis bewegen sich geladene Teilchen, typischerweise Elektronen, durch den Leiter, was den Fluss von elektrischem Strom ermöglicht. Ohne die Existenz und Bewegung dieser Ladungen wäre die Erzeugung und Nutzung von Elektrizität nicht möglich.
Mehr zu elektrische Ladung: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Ladung

Strom besteht aus beweglichen elektrischen Ladungen
Strom wird in Ampere gemessen. Es sind hauptsächlich Elektronen, die eine negative Ladung besitzen. In der klassischen Elektrotechnik wird der Stromfluss traditionell als Bewegung positiver Ladungen betrachtet. Das bedeutet, dass die Richtung des Stroms von der positiven zur negativen Seite verläuft. In Wirklichkeit bewegen sich jedoch die Elektronen, die negativ geladen sind, in die entgegengesetzte Richtung, also von Minus nach Plus.
Mehr über Ampere: https://de.wikipedia.org/wiki/Ampere

Bei der Berechnung von Strom, Spannung und Widerstand in einem Stromkreis wird häufig die Konvention beibehalten, dass der Strom von Plus nach Minus fließt. Diese vereinfachte Sichtweise erleichtert die Analyse elektrischer Schaltungen, obwohl sie nicht die tatsächliche Bewegung der Elektronen widerspiegelt. Die Konvention stammt aus der Zeit, bevor die Natur der Elektrizität vollständig verstanden war. Als die ersten elektrischen Experimente durchgeführt wurden, glaubte man, dass positive Ladungen die Bewegung im Stromkreis verursachen.

Die Beibehaltung dieser Konvention ermöglicht eine einheitliche und konsistente Kommunikation in der Elektrotechnik und vereinfacht viele mathematische Modelle und Berechnungen. Es ermöglicht die Anwendung von Kirchhoffschen Regeln und anderen mathematischen Techniken, ohne dass ständig Vorzeichenwechsel berücksichtigt werden müssen. Strom kann nur fließen, wenn ein geschlossener Schaltkreis vorhanden ist. Ist dieser Kreis unterbrochen, wie beispielsweise bei einem ausgeschalteten Lichtschalter, kann der Strom nicht mehr fließen.

Spannung an einem metallischen Leiter
Um Elektronen in Bewegung zu setzen, benötigt man eine Kraft, die als Spannung bezeichnet wird. Diese wird in Volt gemessen und in der Regel von einer Batterie oder einem Netzteil bereitgestellt. Die Spannung beschreibt den Unterschied im elektrischen Potential zwischen zwei Punkten und kann als eine Art „Druck“ verstanden werden, der die Elektronen zum Fließen anregt.
Mehr über Volt: https://de.wikipedia.org/wiki/Volt

Punktladungen
Bei der Analyse von Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen werden Elektronen häufig als Punktladungen betrachtet. Die Elektrostatik untersucht ruhende elektrische Ladungen, deren Verteilungen und die Kräfte zwischen Punktladungen, wobei das coulombsche Gesetz die Grundlage bildet. Dieses Gesetz beschreibt die Kraft zwischen zwei Punktladungen, die direkt proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (C), wobei ein Coulomb der Ladung entspricht, die durch einen Strom von einem Ampere in einer Sekunde transportiert wird..
Mehr über Coulomb: https://de.wikipedia.org/wiki/Coulomb
Mehr über das Coulombsche Gesetz: https://de.wikipedia.org/wiki/Coulombsches_Gesetz

Wasserstoffatom

Wasserstoffatom nach dem Bohrschen Atommodell

    • Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Kern enthält Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral) und macht über 99,9 % der Atommasse aus. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl und das chemische Element. Die Atomhülle besteht aus Elektronen (negativ geladen), die den Kern umkreisen. In einem neutralen Atom entspricht die Anzahl der Elektronen der Anzahl der Protonen, wodurch das Atom elektrisch neutral bleibt. Die Gesamtmasse des Atoms ergibt sich aus der Summe von Protonen und Neutronen (Massenzahl), da Elektronen eine vernachlässigbare Masse haben.

Positive Ladung wird typischerweise von Protonen im Atomkern getragen. In der klassischen Physik wird eine positive Ladung als die „Ladung“ definiert, die durch das Fehlen von Elektronen (negativ geladenen Teilchen) in einem Atom entsteht. Materie mit positiver Ladung zieht Elektronen an und stößt andere positiv geladene Objekte ab.

Negative Ladung wird von Elektronen getragen, die entweder frei beweglich sind oder in Atomorbitalen um den Atomkern kreisen. Materie mit negativer Ladung stößt andere negativ geladene Objekte ab und zieht positiv geladene Objekte an.

Zusammengefasst: Positive Ladungen stammen von Protonen im Atomkern, während negative Ladungen von Elektronen in der Elektronenhülle kommen. Gleiche Ladungen, wie zwei positive oder zwei negative, stoßen sich ab, während ungleiche Ladungen (eine positive und eine negative) sich anziehen.
Mehr zu elektrische Ladung:
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Ladung
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110081.htm

Ein Objekt wird als elektrisch neutral bezeichnet, wenn es gleich viele positive und negative Ladungen hat. In diesem Fall heben sich die Effekte der positiven und negativen Ladungen gegenseitig auf.

Wenn Atome Elektronen verlieren oder gewinnen, entstehen Ionen. Ein Atom, das ein Elektron verliert, erhält eine positive Ladung und wird als Kation bezeichnet. Ein Atom, das ein Elektron aufnimmt, erhält eine negative Ladung und wird als Anion bezeichnet.
Mehr zu Atome, Elektronen und Ionen:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110271.htm

Die Kraft zwischen zwei Ladungen ist direkt proportional zum Produkt ihrer Größe, was bedeutet, dass eine Zunahme der Ladungen die Anziehung oder Abstoßung zwischen ihnen verstärkt. Gleichzeitig ist die Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Ladungen. Das heißt, wenn der Abstand zwischen den Ladungen zunimmt, verringert sich die Kraft, die sie aufeinander ausüben. Verdoppelt sich der Abstand, reduziert sich die Kraft auf ein Viertel ihres ursprünglichen Wertes.

Elektrizitätslehre – Formelsammlung PDF zum Download
https://www.ffl-rieger.de/downloads/elektrotechnikformelsammlung.pdf

Elektrizitätslehre – Formeln – Das Wichtigste auf einen Blick
https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/komplexere-schaltkreise/grundwissen/elektrizitaetslehre-formeln

Die folgende Internetseiten richtet sich an Interessierte, die sich intensiver mit den Phänomenen und Gesetzen der Elektrizität auseinandersetzen möchten:
Elektrotechnik Fachbuch – Grundlagen der Elektrotechnik
https://www.elektrotechnik-fachbuch.de/e_grundlagen_kap_01.html