Elektronisches Nachschlagewerk

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Ampère, André Marie (1775-1836),
französischer Mathematiker und Physiker, bekannt durch seine hervorragenden Beiträge zur Elektrodynamik. Ampère wurde in Polémieux-au-Mont-d’Or bei Lyon geboren. Er beschäftigte sich zunächst mit der Wahrscheinlichkeitstheorie und arbeitete als Physiklehrer in Bourg und Lyon. Später erhielt er eine Professur an der Ècole polytechnique und am Collège de France. Nach ihm ist das Ampere (A), die Einheit des elektrischen Stromes, benannt. Seine elektrodynamische Theorie und seine Überlegungen zum Verhältnis zwischen Elektrizität und Magnetismus veröffentlichte er in den Werken Recueil d’observations électrodynamiques (1822) und Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques (1826). Ampère erfand das astatische Nadelpaar, das die Grundlage für das moderne astatische Galvanometer bildete (siehe Elektronische Messgeräte). Er erkannte, dass sich zwei stromdurchflossene parallele Leiter weiter gegenseitig anziehen, wenn der Strom in die gleiche Richtung fließt, und gegenseitig abstoßen, wenn der Strom in entgegengesetzte Richtung fließt (Ampèresche Regel).
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Ampere
Basiseinheit des elektrischen Stromes mit dem Einheitenzeichen A. Die Einheit erhielt ihren Namen zu Ehren des französischen Physikers André Marie Ampère. Ein Ampere wurde ursprünglich als Fluss von einem Coulomb Elektrizität pro Sekunde definiert. Später wurde es als der Strom festgelegt, der beim Durchfluss durch zwei parallele Leiter unendlicher Länge und mit vernachlässigbarem Leistungsquerschnitt im Vakuum bei einem Abstand von einem Meter eine Kraft von 2 × 10-7 Newton pro Meter erzeugt. Siehe elektrische Einheiten; Internationales Einheitensystem.
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Batterie
Batterie, Vorrichtung, mit der chemische Energie in elektrische umgewandelt werden kann. Die Batterie besteht aus zwei oder mehreren Elektrolysezellen (siehe elektrische Zelle), die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Für Kraftfahrzeuge wurden einige neuartige Varianten entwickelt. Besonders Elektroautos benötigen verbesserte Versionen der konventionellen Speicherbatterien. Diese sind aber derzeit technisch noch nicht ganz ausgereift. Entweder bringen sie eine zu geringe Leistungsdauer, sind zu teuer, zu groß oder stellen für die Umwelt ein Problem dar. Verbesserte Batterien, die für einen Einsatz in Elektroautos geeignet sind, enthalten Lithium-Eisensulfid, Zink-Chlor, metallisches Nickelhydrid und Natrium-Schwefel. Auch Stromversorgungsgesellschaften sind an der Entwicklung derartiger Batterien beteiligt, da sie für "Ladungsnivellierungen" (um auftretende Ladungsschwankungen im System auszugleichen) eingesetzt werden können. Die Batteriemodule könnten an Stellen mit wechselndem Bedarf integriert werden. Sie verursachen nur geringe Probleme für die Umwelt und beanspruchen wenig Platz.
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Dielektrikum
oder Isolator (Nichtleiter), eine Substanz, die Elektrizität nur schwach oder gar nicht weiterleitet und daher die Kräfte eines anliegenden elektrischen Feldes aushalten kann. Elektrisch leitende Substanzen haben diese Eigenschaft nicht. Zwei unterschiedlich elektrisch geladene Körper, die auf beiden Seiten eines Glasstückes (eines Dielektrikums) angebracht werden, ziehen sich gegenseitig an. Wenn jedoch ein Stück Kupfer (ein Leiter) zwischen die beiden Körper gebracht wird, sorgt das leitende Kupfer für einen Ausgleich der Ladungen.
In den meisten Fällen erhält ein Dielektrikum seine Eigenschaften durch Polarisation. Wenn ein Dielektrikum in ein elektrisches Feld gebracht wird, richten sich die im Dielektrikum enthaltenen Dipole nach dem Feld aus. Unter Dipol versteht man allgemein die Anordnung zweier entgegengesetzter Ladungen – z. B. ein Molekül mit einem elektrisch positiven und elektrisch negativen Ende. Aufgrund dieser Polarisation steht das Dielektrikum unter Spannung und speichert Energie, die wieder abgegeben werden kann, sobald das elektrische Feld entfernt wird. Die Polarisation eines Dielektrikums ähnelt der Polarisation bei der Magnetisierung eines Eisenstücks. Wie bei einem Magneten bleibt ein Teil der Polarisation erhalten, wenn die Polarisierungskraft entfernt wird. Ein Dielektrikum aus einer Wachsplatte, die unter elektrischer Spannung gehärtet wurde, bewahrt seine Polarisation über Jahre hinweg. Ein solches Dielektrikum wird als Elektret bezeichnet.
Die Leistungsfähigkeit eines Dielektrikums, Energie zu speichern wird im Vergleich zum Vakuum ausgedrückt. Bei dieser Dielektrizitätskonstante wurde der Wert für Vakuum als eins festgelegt. Die Werte dieser Konstante variieren von etwas über eins für Luft bis über 100 für bestimmte Keramiksorten (z. B. Bariumtitanad = 109, Ferroelektrika bis 12 000). Quarzglas, Glimmer, Porzellan und einige chlorierte bzw. nichtchlorierte Aromaten haben Konstanten im Bereich von zwei bis neun. Die Fähigkeit eines Dielektrikums, elektrischen Feldern ohne Verlust ihrer isolierenden Eigenschaft standzuhalten, wird als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet. Ein gutes Dielektrikum muss einen Großteil seiner gespeicherten Energie abgeben, wenn das elektrische Feld umgekehrt wird. Der Anteil, der bei der so genannten elektrischen Friktion verloren geht, wird Leistungsfaktor des Dielektrikums genannt. Besonders Dielektrika mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, sind in allen Zweigen der Elektrotechnik weit verbreitet, da sie zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Kondensatoren beitragen. Siehe Isolation.
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Dreheisenmesswerk
Ein weiteres elektromagnetisches Messgerät ist das Dreheisenmesswerk oder Weicheiseninstrument. Dabei befinden sich zwei Weicheisenteile, eines fixiert und eines beweglich aufgehängt, zwischen den Polen einer langen, zylindrischen Spule. Durch die Zylinderspule wird ein Mess-Strom geleitet. Der Strom magnetisiert die beiden Teile gleich stark, gleichgültig, in welche Richtung der Strom fließt. Die Stromstärke wird durch Messen der Ablenkung des beweglichen Teiles festgestellt.
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Elektrische Eigenschaften von Festköpern
Die erste Beobachtung künstlich erzeugter Elektrizität waren die Eigenschaften bestimmter harzartiger Substanzen wie beispielsweise Bernstein, die sich beim Reiben an einem Stück Fell oder Wollstoff negativ aufluden und dann kleine Gegenstände (z. B. Papier) anzogen. Ein solcher Körper besitzt einen Elektronenüberschuss. Ein mit Seide geriebener Glasstab weist eine ähnliche Anziehungskraft auf ungeladene Körper auf und zieht negativ geladene Körper sogar noch stärker an. Das Glas besitzt eine positive Ladung, die als Elektronenmangel oder als Protonenüberschuss beschrieben werden kann.
In Festkörpern bilden Elektronen den "Kit" zwischen den Atomen. Diese Elektronen sind unterschiedlich fest an die Atome gebunden – je nach dem ob es sich dabei um Isolatoren, Halbleiter oder Leiter handelt. In Leitern werden die Elektronen leicht freigesetzt. Besonders Metalle wie beispielsweise Kupfer und Silber sind gute Leiter. Siehe elektrischer Leiter.
Stoffe, in denen die Elektronen fest an die Atome gebunden sind, bezeichnet man auch als Isolatoren, Nichtleiter oder Dielektrika. Glas, Gummi und trockenes Holz sind Beispiele hierfür.
Eine dritte Art Material ist ein Feststoff, in dem eine relativ kleine Anzahl von Elektronen frei werden kann. Dabei entsteht an den Stellen, wo Elektronen fehlen, ein Loch. Das Loch, das die Abwesenheit eines negativen Elektrons darstellt, verhält sich so, als ob es positiv geladen wäre. Ein elektrisches Feld verursacht sowohl die Bewegung des negativen Elektrons als auch des positiv geladenen Loches durch das Material, wodurch im Endeffekt elektrischer Strom fließt. Derartige Materialien bezeichnet man als Halbleiter. Halbleiter besitzen im Allgemeinen einen höheren elektrischen Widerstand als Leiter wie beispielsweise Kupfer. Gegenüber Isolatoren wie Glas ist ihr elektrischer Widerstand allerdings geringer. Wenn die Bewegung der negativen Elektronen den größten Teil des Stromes ausmacht, wird der Halbleiter als n-Typ bezeichnet. Wenn es jedoch die positiven Löcher sind, handelt es sich um einen p-Typ-Halbleiter.
Bei einem idealen Leiter würde eine Ladung ohne Widerstand durch ihn hindurchgehen, während ein idealer Isolator keinen Ladungsdurchgang zuließe. Es ist keine Substanz bekannt, die bei Zimmertemperatur eine der beiden Eigenschaften aufweist. Die besten Leiter bei Zimmertemperatur besitzen einen geringen elektrischen Widerstand, der aber nicht den Wert Null annimmt. Die besten Isolatoren besitzen bei Zimmertemperatur einen hohen, aber nicht unendlich hohen Widerstand. Einige Materialien verlieren jedoch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ihren gesamten Widerstand. Diese Erscheinung wird als Supraleitfähigkeit bezeichnet.
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Elektrische Kapazität,
die Fähigkeit eines Kondensators, Elektrizität zu speichern. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (abgekürzt: F) gemessen und mit der Formel C = Q/U berechnet, wobei Q die Ladung (in Coulomb) auf einem der Leiter und U die Spannungsdifferenz (in Volt) zwischen den Leitern ist. Die elektrische Kapazität hängt allein von der Dicke, der Fläche und der Zusammensetzung des Dielektrikums im Kondensator ab.
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Elektrische Ladungen
Ein quantitatives Messgerät mit dem sich elektrische Ladungen nachweisen lassen ist beispielsweise das Elektroskop. Dieses Gerät zeigt auch an, ob die Ladung negativ oder positiv ist und es bestimmt und misst die Intensität von Strahlung. In Abb. 1 wird das Gerät so dargestellt wie es zuerst von dem britischen Forscher Michael Faraday benutzt worden ist. Das Elektroskop besteht aus zwei dünnen Metallfolien (a, a_), die an einer metallischen Befestigung (b) in einem Glas oder einem anderen nichtleitenden Behälter (c) hängen. Im Knauf (d) werden die elektrischen Ladungen gesammelt; die (positiven oder negativen) Ladungen leitet man über die metallische Aufhängung in beide Folien. Die gleichen Ladungen stoßen sich gegenseitig ab, wobei ihre Entfernung grob den Ladungsmengen entspricht.
Es gibt drei Verfahren, um einen Körper elektrisch aufzuladen: (1) der Kontakt mit einem anderen Körper, der aus einer nichtähnlichen Substanz besteht (wie z. B. der Kontakt von Bernstein mit Fell) mit anschließender Trennung; (2) der Kontakt mit einem anderen geladenen Körper; und (3) die Induktion.
Die Wirkung elektrischer Ladungen auf Leiter und Nichtleiter wird in Abb. 2 gezeigt. Ein negativ geladener Körper A befindet sich zwischen einem neutralen Leiter B und einem neutralen Nichtleiter C. Die freien Elektronen im Leiter werden abgestoßen und wandern auf die von A abgewandte Seite, die positiven Ladungen hingegen werden angezogen und bewegen sich auf die zugewandte Seite. Der ganze Körper B wird von A angezogen, da die Anziehung zwischen den nahe beisammen liegenden ungleichen Ladungen größer ist als die Abstoßung der gleichen Ladungen, die weiter voneinander entfernt sind. Die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen verändern sich umgekehrt (invers) zum Quadrat der Entfernung zwischen den Ladungen. Im Nichtleiter C können sich die Elektronen nicht frei bewegen. Dennoch richten sich die Atome oder Moleküle des Nichtleiters so aus, dass ihre gebundenen Elektronen so weit wie möglich von A entfernt sind. Auch der Nichtleiter wird von A angezogen, allerdings weniger stark als der Leiter.
Die Bewegung der Elektronen im Leiter B in Abb. 2 und die Ausrichtung der Atome des Nichtleiters C verleihen diesen Körpern positive Ladungen auf den A zugewandten Seiten und negative Ladungen auf den von A abgewandten Seiten. So erzeugte Ladungen heißen induzierte Ladungen.
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Elektrische Messungen
Der Ladungsfluss, also der Strom in einem Draht, wird als die Anzahl der Coulomb pro Sekunde gemessen, die durch eine bestimmte Stelle des Drahtes fließen. Ein Coulomb pro Sekunde entspricht einem Ampere – das ist die nach dem französischen Physiker André Marie Ampère benannte Einheit des elektrischen Stromes (s. u.).
Eine weit verbreitete Energieeinheit in der Atomphysik ist das Elektronenvolt (eV). Sie entspricht der Energiemenge, die ein Elektron aufnimmt, das mit einer Potentialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird. Es ist eine kleine Einheit, die häufig mit einer Million oder einer Milliarde multipliziert wird. Die resultierenden Einheiten lauten Megaelektronenvolt (MeV) bzw. Gigaelektronenvolt (GeV). Siehe Elektronenvolt.
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Elektrizität
Elektrizität, Sammelbezeichnung für physikalische Erscheinungen, die sich aus der Existenz von Ladungen und dem Zusammenwirken von Ladungen ergeben. Wenn eine Ladung unbeweglich oder statisch ist, übt sie Kräfte auf in der Nähe befindliche Körper aus. Wenn Ladung in Bewegung ist, erzeugt sie zusätzlich magnetische Wirkungen. Elektrische und magnetische Wirkungen werden auch durch die relative Lage und Bewegung von positiv und negativ geladenen Materieteilchen verursacht. Soweit elektrische Auswirkungen vorhanden sind, sind diese Teilchen entweder neutral, positiv oder negativ (siehe Atom und Atomtheorie). Elektrizität hat zu tun mit positiv geladenen Teilchen wie z. B. Protonen, die sich gegenseitig abstoßen, und negativ geladenen Teilchen wie z. B. Elektronen, die sich ebenfalls gegenseitig abstoßen (siehe Elektron; Proton). Negative und positive Ladungsträger ziehen sich jedoch gegenseitig an. Dieses Verhalten kann wie folgt zusammengefasst werden: Gleiche Ladungen stoßen sich ab und ungleiche Ladungen ziehen sich an.
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Elektrizitätszähler
Der Wattstundenzähler, auch Elektrizitätszähler genannt, ist ein Gerät zur Messung der im Stromkreis eines Hauses verbrauchten Gesamtenergie. Er unterscheidet sich vom Wattmeter nur dadurch, dass die bewegliche Spule durch einen Motorläufer ersetzt ist. Ein Fliehkraftregler regelt diesen Läufer, der sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die proportional der verbrauchten Energie ist. Die Ankerwelle ist über Zahnräder mit einer Reihe von skalierten Scheiben verbunden, die den Gesamtverbrauch an Energie anzeigen.
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Elektrode,
Bauteil eines elektrischen Schaltkreises, das die konventionelle Verdrahtung des Schaltkreises mit einem elektrisch leitetenden Stoff wie z. B. Elektrolyt oder Gas verbindet. Die elektrisch positive Elektrode wird Anode und die negative Elektrode Kathode genannt. Die bekannteste Form einer Trockenbatterie besitzt eine Kohlenstoff-Anode und eine Zink-Kathode, die Kontakt mit einer Elektrolyt-Lösung haben. Elektroden von Bogenlampen werden aus Kohlenstoff hergestellt, während Elektroden zum Bogenschweißen aus einem mit Flussmittel umhüllten Metall bestehen. Elektroden in Vakuumröhren werden aus Kohlenstoff sowie verschiedenen Metallen und Legierungen gefertigt, je nach Einsatzgebiet der Röhren.
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Elektrodynamometer
Mit einem Elektrodynamometer lässt sich Wechselstrom durch elektromagnetische Ablenkung messen. Bei diesem Messgerät ersetzt eine mit der beweglichen Spule durch Reihenschaltung verbundene fixierte Spule den Dauermagneten. Weil beide Spulen hintereinander geschaltet sind, fließt durch beide derselbe Strom. Da die Stromrichtung sowohl in der fixierten als auch in der beweglichen Spule im gleichen Moment wechselt, wird die bewegliche Spule immer in die gleiche Richtung abgelenkt, und das Gerät zeigt die Messung konstant an. Diese Art von Messgerät kann auch zur Messung von Gleichstrom eingesetzt werden.
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Elektromagnetismus
Die Bewegung einer Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters weist auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes hin (siehe Magnetismus), das den Leiter umgibt. Wenn Ströme durch zwei parallele Leiter fließen, so ziehen sich die beiden Leiter gegenseitig an, wenn der Strom in beiden Leitern in die gleiche Richtung fließt. Fließen die Ströme allerdings gegenläufig, so stoßen sich die Leiter gegenseitig ab. Das durch Strom in einer Drahtschleife erzeugte Magnetfeld ist dergestalt, dass sich die Schleife, wenn sie in der Nähe der Erde aufgehängt wird, wie eine Kompassnadel solange ausrichtet, bis die Drahtschleife senkrecht zu einer Linie stehen bleibt. Diese Linie verbindet den magnetischen Nordpol mit dem magnetischen Südpol der Erde.
Das Magnetfeld eines Strom führenden Leiters breitet sich kreisförmig um den Leiter aus. Die Richtung der magnetischen Kraftlinien im Feld verläuft gegen den Uhrzeigersinn, wenn man in die Richtung blickt, in die sich die Elektronen bewegen. Das Feld um den Leiter ändert sich nicht, solange der Strom gleichmäßig durch den Leiter fließt.
Wenn ein Leiter so bewegt wird, dass er Kraftlinien eines magnetischen Feldes schneidet, dann wirkt das entstandene Magnetfeld auf die freien Elektronen im Leiter ein und verursacht so eine Potentialdifferenz – und damit einen elektrischen Strom. Diese Wirkung tritt unabhängig davon auf, ob der Draht bewegt wird und das magnetische Feld stationär ist, oder ob der Draht stationär ist und das Feld bewegt wird. Wenn ein Strom in einem Leiter zu fließen beginnt, breitet sich ein Feld um den Leiter aus. Dieses Feld schneidet den Leiter selbst und induziert einen Strom, der dem verursachenden Strom entgegengerichtet ist. Bei einem geraden Stück Draht als Leiter ist dieser Effekt sehr gering. Wenn der Draht jedoch zu einer Spule aufgewickelt ist, wird die Wirkung stark gesteigert. Die Felder der einzelnen Windungen einer Spule schneiden auch die Nachbarwindungen und induzieren auch in ihnen einen Strom. Daraus ergibt sich, dass eine Spule beim Anlegen einer Spannung den Stromfluss im Prinzip behindert. Ähnlich verhält es sich beim Abschalten der Spannung: Das Magnetfeld bricht zusammen und wieder schneiden die sich bewegenden Kraftlinien die Windungen der Spule. Der dabei induzierte Strom fließt in die gleiche Richtung wie der ursprüngliche Strom, und die Spule hält bildlich gesprochen den Stromfluss aufrecht. Aufgrund dieser Eigenschaften verzögert eine Spule jede Änderung des Stromflusses. Diese Erscheinung bezeichnet man als elektrische Trägheit oder Induktivität. Diese Trägheit ist bei Gleichstromkreisen von geringer Bedeutung, da sie nicht auftritt, wenn Strom gleichmäßig fließt. In Wechselstromkreisen ist sie dagegen von großer Bedeutung (s. u.).
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Elektronische Bauteile
Elektronische Schaltungen bestehen aus miteinander verbundenen elektronischen Bauteilen. Diese Bauteile werden in zwei Kategorien unterteilt: in aktive und passive Bauteile. Die Kategorie der passiven Bauteile umfasst Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Als aktiv werden Batterien, Generatoren, Vakuumröhren und Transistoren bezeichnet.
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Elektroskop,
Gerät zur Messung der Höhe der elektrischen Ladung eines Gegenstands. Elektroskope wurden durch genauere elektronische Geräte verdrängt. Heute verwendet man sie nur noch zu Demonstrationszwecken.
In einer vereinfachten Form besteht ein Elektroskop aus zwei leichten Leitern, die in einem Behälter aus Glas oder einem anderen isolierenden Material aufgehängt sind. Die beiden Leiter werden elektrisch mit einem dritten Leiter außerhalb des Behälters verbunden. Kommt dieser äußere Leiter mit einem geladenen Körper in Berührung, laden sich die beiden Leiter in dem Behälter mit etwa der gleichen Ladung auf und stoßen einander ab. Misst man, wie weit sich die Leiter auseinanderbewegen, kann man daraus die Ladung berechnen.
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Elektrostatik
Ein geläufiger Nachweis von Elektrizität ist die abstoßende oder anziehende Kraft zwischen zwei ruhenden Ladungsträgern. Sie üben gegenseitig gleich große elektrische Kräfte aufeinander aus. Die elektrische Ladung auf beiden Teilchen kann in Coulomb gemessen werden (siehe elektrische Einheiten). Die Kraft zwischen Teilchen, die die Ladungen q1und q2 tragen, lässt sich mit dem Coulomb’schen Gesetz berechnen. Nach diesem Gesetz verhält sich die wirkende Kraft proportional zum Produkt der Ladungen, geteilt durch das Quadrat der sie trennenden Entfernung. Die Proportionalitätskonstante ? wird als Dielektrizitätskonstante bezeichnet und ist abhängig von dem Medium, das die Ladungen umgibt (z. B. Luft). Das Gesetz entwickelte der französische Physiker Charles Augustin de Coulomb.
Jedes elektrisch geladene Teilchen ist von einem Kraftfeld umgeben. Dieses Feld kann durch Kraftlinien (Feldlinien) dargestellt werden, welche die Richtung anzeigen, in der die Kraft auf eine Ladung wirkt. Um ein geladenes Teilchen von einem Punkt im Feld zu einem anderen zu bewegen, muss Arbeit verrichtet werden. Die dazu benötigte Energiemenge wird als Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet. Diese Differenz gibt man üblicherweise in Volt an. Die Erde stellt einen großen Leiter dar, der im Wesentlichen als elektrisch gleichförmig angenommen werden kann. Sie wird allgemein als das Bezugniveau Null für potentielle Energie verwendet. So gibt man das Potential eines positiv geladenen Körpers als eine bestimmte Anzahl von Volt über den Potential der Erde, und das Potential eines negativ geladenen Körpers als eine entsprechende Voltanzahl unterhalb des Erdpotentials an.
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Galvanometer
Zur Feststellung und Messung von Strom verwendet man hauptsächlich Galvanometer. Dieses Gerät beruht auf folgendem Prinzip: Fließt ein elektrischer Strom durch ein äußeres Magnetfeld, so wird ein zweites Magnetfeld erzeugt, welches dem äußeren entgegenwirkt. Beim Galvanometer wird das äußere Magnetfeld meist durch einen kleinen Dauer- oder Elektromagneten erzeugt. Entweder ist der Magnet oder die Spule beweglich. Zwischen dem Magnetfeld des Dauermagneten und dem erzeugten Magnetfeld der Spule wirkt eine Kraft. Diese Kraft lenkt proportional zur Stromstärke das bewegliche Teil ab. An dem beweglichen Teil ist ein Zeiger oder Ähnliches angebracht, so dass der Grad der Ablenkung auf einer kalibrierten Mess-sSkala abgelesen werden kann.
Ergänzt man ein Galvanometer mit einer Mess-Skala und kalibriert es entsprechend, wird es zum Amperemeter, einem Gerät zur Messung des elektrischen Stromes.
Durch den dünnen Draht einer Galvanometerspule kann nur ein begrenzter Strom fließen. Müssen starke Ströme gemessen werden, wird ein Stromnebenschluss mit geringem Widerstand an die Pole des Leistungsmessers angelegt. Der größte Teil des Stromes fließt durch diesen Nebenschlusswiderstand. Der kleine Teil, der durch das Messgerät fließt, entspricht noch immer dem gesamten Teil des Stromes. Diese Proportionalität ermöglicht die Messung von Strömen von mehreren hundert Ampere.
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Geschichte der Elektrotechnik
1600 stellte der englische Physiker William Gilbert die ersten Untersuchungen über Elektrizität an. Gilbert benutzte als erster den Ausdruck elektrisch (griechisch élektron: Bernstein).
Die erste Maschine zur Erzeugung von elektrischen Ladungen wurde 1672 von dem deutschen Physiker Otto von Guericke beschrieben. Der französische Wissenschaftler Charles François de Cisternay Du Fay erklärte als erster die beiden unterschiedlichen Arten elektrischer Ladung: positive und negative Ladung. Der erste Kondensator, die Leidener Flasche (Kleistsche Flasche), wurde 1745 entwickelt. Sie bestand aus einer Glasflasche, die innen und außen mit Stanniol überzogen war, wobei die beiden Folien voneinander getrennt waren. Wenn eine der beiden Folien mit einer elektrostatischen Maschine aufgeladen wurde, konnte man einen heftigen Schlag erhalten, indem man beide Folien gleichzeitig berührte.
Benjamin Franklin verbrachte viel Zeit mit Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität. Sein berühmtes Experiment mit dem Drachen lieferte den Beweis dafür, dass die atmosphärische Elektrizität im Prinzip identisch mit der elektrostatischen Ladung der Leidener Flasche ist. Franklin entwickelte die Theorie, dass Elektrizität eine Flüssigkeit ist, die in jeder Materie vorhanden ist, und dass ihre Wirkungen durch Überschüsse und Mängel dieser Flüssigkeit erklärt werden könnten.
Das Gesetz, dass sich die Kraft zwischen elektrischen Ladungen indirekt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den Ladungen verhält, wurde durch den britischen Chemiker Joseph Priestley um 1766 experimentell bewiesen. Priestley wies auch nach, dass sich eine elektrische Ladung von selbst gleichförmig über die Oberfläche einer hohlen Metallkugel verteilte, und dass innerhalb einer solchen Kugel keine Ladung und kein elektrisches Kraftfeld existierten. Charles Augustin de Coulomb erfand eine Torsionswaage für die genaue Messung der von elektrischen Ladungen ausgeübten Kraft. Mit diesem Gerät bestätigte er die Beobachtungen von Priestley und zeigte, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen auch proportional zum Produkt der einzelnen Ladungen ist. Faraday, der im frühen 19. Jahrhundert viel zur Erforschung der Elektrizität beitrug, war auch Urheber der Theorie von den elektrischen Kraftlinien.
Die italienischen Physiker Luigi Galvani und Alessandro Volta führten die ersten bedeutenden Experimente mit elektrischen Strömen durch. Galvani erzeugte Muskelkontraktionen in Froschbeinen, indem er elektrischen Strom durch sie fließen ließ. Volta stellte 1800 die erste künstliche elektrochemische Spannungsquelle in Form der Voltaischen Säule vor. Die Tatsache, dass um einen fließenden Strom ein Magnetfeld existiert, wies 1819 der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted nach. André-Marie Ampère bestimmte die Richtung des elektromagnetischen Feldes und erfand die elektromagnetische Spule. Auch die Theorie über Molekularströme in Magneten stammt von ihm. 1831 bewies Faraday, dass ein durch eine Spule fließender Strom auf elektromagnetischem Weg einen Strom in einer benachbarten Spule induzieren kann. Um 1840 bewiesen James Prescott Joule und der deutsche Wissenschaftler Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, dass in elektrischen Stromkreisen das Gesetz der Energieerhaltung gilt, und dass Elektrizität eine Energieform ist.
Ein bedeutender Beitrag zur Erforschung der Elektrizität im 19. Jahrhundert lieferte der britische Wissenschaftler James Clerk Maxwell, der die Fundamente für eine Theorie der elektromagnetischen Wellen legte und Licht als ein elektromagnetisches Phänomen deutete. Maxwells Theorie bestätigte der deutsche Physiker Heinrich Rudolf Hertz, der 1886 elektrische Wellen erzeugte und Experimente über die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen durchführte. Dem italienischen Ingenieur Guglielmo Marconi dienten diese Erkenntnisse als Grundlage für das erste Funkgerät, das er 1896 der Fachwelt vorstellte. Siehe Funk.
Bereits etwas früher begann man mit Untersuchungen über den Durchgang von Elektrizität durch Gase. Der deutsche Physiker Julius Plücker untersuchte mit seinem Schüler Johann Wilhelm Hittorf die Spektren verdünnter Gase. Plücker entdeckte 1859 die Kathodenstrahlen. 1876 stellte der deutsche Forscher Eugen Goldstein die Ablenkbarkeit von Kathodenstrahlen mit Hilfe eines Magneten fest. Goldstein entdeckte 1886 die so genannten Kanalstrahlen. Mit der Elektronentheorie führte der holländische Physiker Hendrik Antoon Lorentz im Jahr 1892 die Atomistik in die Elektrizitätslehre ein. Die Ladung des Elektrons wurde 1909 von dem amerikanischen Physiker Robert Andrews Millikan erstmals genau gemessen.
Für zusätzliche Informationen zu erwähnten Personen, siehe die Biographien derer, nach deren Namen keine Daten angegeben sind. Siehe auch Elektrochemie; Elektronik.
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Halbleiter,
festes oder flüssiges Material, das bei Raumtemperatur in der Lage ist, Elektrizität etwas besser zu leiten als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Metalle wie Kupfer, Silber und Aluminium sind ausgezeichnete Leiter, aber Isolatoren wie Diamant und Glas sind sehr schlechte Leiter (siehe Isolation). Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder bei Zufügung von Verunreinigungen (Dotierung) oder unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern außerordentlich gesteigert werden. Ihre Leitfähigkeit kann dann Werte erreichen, die mit Metallen vergleichbar sind. Die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern untersucht man in der Festkörperphysik.
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Impedanz (Wechselstromwiderstand)
Die Anwendung des Ohmschen Gesetzes auf Wechselstromkreise wird durch die Tatsache kompliziert, dass dort immer Kapazität und Induktivität auftreten. Die Induktivität sorgt dafür, dass der Spitzenwert eines Wechselstromes gegenüber der Spannungsspitze verzögert wird. Die Kapazität bewirkt eine Verzögerung der Spannungsspitze gegenüber dem Stromspitzenwert. Kapazität und Induktivität behindern den Wechselstromfluss und müssen daher in Berechnungen des Stromflusses einbezogen werden. Der Strom in Wechselstromkreisen kann graphisch mit Hilfe von Vektoren oder anhand der algebraischen Gleichung
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Induktion
Induktion (Elektrizität), in der Elektrizität die Erzeugung von elektrischem Strom in einem Leiter, der über ein magnetisches Feld bewegt wird (daher lautet die vollständige Bezeichnung eigentlich elektromagnetische Induktion). Der Effekt wurde von dem britischen Physiker Michael Faraday entdeckt und führte zur Entwicklung des elektrischen Rotationsgenerators, der mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt.
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Integrierte Schaltkreise
Die meisten integrierten Schaltkreise sind kleine, etwa zwei bis vier Quadratmillimeter große Stücke ("Chips") aus Silicium, in die Transistoren eingearbeitet wurden. Mit Hilfe der Photolithographie fertigen die Entwickler auf einem einzigen Chip Zehntausende von Transistoren, indem sie zahlreiche n- und p-dotierte Bereiche auf dem Chip platzieren. Diese wiederum werden während der Fabrikation durch winzige Leiterbahnen zu komplexen Spezialschaltkreisen verbunden. Diese integrierten Schaltkreise bezeichnet man als monolithisch, weil sie auf einem einzigen Siliciumkristall angelegt werden. Chips benötigen sehr viel weniger Platz und sind kostengünstiger zu produzieren als entsprechende Schaltungen aus einzelnen Transistoren.
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Integrierter Schaltkreis,
winzige elektronische Schaltung für spezielle Funktionen wie Verstärkung. Normalerweise wird ein integrierter Schaltkreis (IC: integrated circuit) mit anderen Bauteilen zu einem komplexeren System kombiniert. Ein IC wird als Einheit hergestellt, indem Fremdstoffe auf Silicium aufgebracht werden, das damit als Halbleitermaterial dient. Eine andere Methode besteht darin, das Silicium mit einem Elektronenstrahl zu behandeln. Viele hundert identische ICs werden gleichzeitig auf einem Mikroplättchen von einigen Zentimetern Durchmesser fabriziert. Das Plättchen wird anschließend in einzelne ICs – so genannte Chips – zerteilt. Ein LSI-Chip (Large-Scale Integration: hohe Integrationsdichte) enthält die Informationen von etwa 5 000 Transistoren auf einem Siliciumquadrat mit etwa 1,3 Zentimeter Seitenlänge. Hunderte von diesen integrierten Schaltkreisen können auf einem Silicium-Mikroplättchen mit acht bis 15 Zentimeter Durchmesser untergebracht werden. Bei höherer Informationsdichte können Siliciumchips mit Millionen von Elementen erzeugt werden. Einzelne Schaltelemente sind auf dem Chip durch dünne Metall- oder Halbleiterfilme verbunden, die von dem Rest der Schaltung durch dünne Dielektrikumschichten isoliert sind. Die Chips werden in kleine Gehäuse mit externen Anschlüssen verpackt, so dass sie in Platinen eingesetzt und mit anderen Schaltungen und Bauteilen verbunden werden können.
In den letzten Jahren hat die Leistungsfähigkeit von ICs immer weiter zugenommen, während deren Herstellungskosten stetig gesunken sind. Dies hat revolutionäre Neuerungen beim Bau elektronischer Anlagen mit sich gebracht: Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit nahmen erheblich zu, gleichzeitig wurden die räumlichen Dimensionen, die physikalische Komplexität und der Energiebedarf erheblich reduziert. Besonders die Computertechnologie profitierte von dieser Entwicklung. Die logischen und arithmetischen Funktionen eines Kleincomputers können nun durch einen VLSI-Chip (Very Large-Scale Integration: sehr hohe Integrationsdichte), den so genannten Mikroprozessor, durchgeführt werden. Sämtliche logischen und arthmetischen Funktionen sowie alle Speicherfunktionen eines Kleincomputers können mit seinen gesamten Bauteilen auf einer einzigen Platine oder sogar auf einem einzigen Chip untergebracht werden. Ein solches Gerät wird als Mikrocomputer bezeichnet.
ICs haben die Entwicklung vieler neuer Produkte ermöglicht, wie Taschenrechner und Personalcomputer, Digitaluhren und Videospiele. Außerdem haben sie zur Kostensenkung oder Verbesserung vieler bestehender Produkte beigetragen, etwa bei Haushaltsgeräten, Fernsehern, Radios und Stereoanlagen. Sie werden in Industrie, Medizin, Verkehrsregelung (auf dem Boden und in der Luft), Umweltüberwachung und Kommunikationstechnik in großem Maßstab eingesetzt.
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Kabel, elektrisches,
aus einem oder mehreren elektrischen Leitern bestehender, mit einer Isolierschicht (Isolation) und in einigen Fällen mit einer zusätzlichen Schutzschicht überzogener Leitungsstrang. Kabel werden für die Übertragung von elektrischer Energie oder von Impulsen eines elektronischen Nachrichtensystems verwendet.
Zur Übertragung von elektrischer Energie nutzt man im Hochspannungsbereich Kabel mit drei Drähten und einem Metallmantel, die mit unter Druck stehendem Öl gefüllt sind. Im Mittelspannungsbereich werden gewöhnlich isolierte Kabel mit nur einem Leiter verwendet. Bei der Verkabelung von Wohngebieten kommen häufig Kabel zum Einsatz, die zwei isolierte Leiter enthalten und mit zusätzlichen Isolierschichten überzogen sind. Um die Außenhaut des Kabels ist zum Schutz gegen Beschädigungen ein spiralförmig gewundenes Metallgeflecht angebracht. Das Zündkabel, das hochgespannten Strom zu den Zündkerzen von Verbrennungsmotoren leitet, besitzt nur einen Leiter.
In Kommunikationssystemen werden meist Kabel verwendet, die aus zahlreichen mit Papier isolierten Drahtpaaren bestehen. Die einzelnen Drahtpaare sind verflochten, wodurch die durch andere Stromkreise im gleichen Kabel induzierte Interferenz gering gehalten wird. Zum Schutz gegen elektrische Interferenzen durch andere Stromkreise sind Rundfunkkabel oftmals mit einem geerdeten Metallgeflecht abgeschirmt. Koaxialkabel bestehen im Prinzip aus mehreren Kupferrohren, in deren Mitte sich jeweils ein Leiterdraht befindet. Das Koaxialkabel kann in einem breiten Frequenzbereich eingesetzt werden und es eignet sich z. B. für die Signalübertragung beim Fernsehen. Im Gegensatz dazu bestehen die Kabel zur Signalübertragung beim Telefon aus einer Vielzahl kunststoffisolierter dünner Kupferkabel.
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Kirchhoff,
Gustav Robert (1824-1887), deutscher Physiker, geboren in Königsberg (heute Kaliningrad, Russland), Studium an der Universität Königsberg. Kirchhoff war an den Universitäten Breslau, Heidelberg und Berlin Professor für Physik. Er entwickelte gemeinsam mit dem deutschen Chemiker Robert Wilhelm Bunsen das moderne Spektroskop für die chemische Analyse. 1860 entdeckten die beiden Wissenschaftler die Elemente Cäsium und Rubidium unter Zuhilfenahme der Spektroskopie. Kirchhoff führte auch Untersuchungen zur Strahlungswärmeübertragung durch und postulierte zwei Gesetze, die man heute unter dem Namen Kirchhoffsche Gesetze kennt. Sie betreffen die Stromverzweigung in elektrischen Stromkreisen.
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Kondensator
Kondensator, Gerät zur Speicherung elektrischer Ladung. Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei Metallplatten, die durch eine nichtleitende Schicht, dem so genannten Dielektrikum, getrennt sind. Wenn eine der Platten mit Elektrizität einer Stromquelle aufgeladen wird, erfolgt über Induktion eine Ladung der anderen Platte mit umgekehrtem Vorzeichen. Diese wird also positiv geladen, wenn die Originalladung negativ ist, und negativ, wenn die Originalladung positiv ist. Die Leidener Flasche (Kleistsche Flasche) ist die Urform eines Kondensators, bei dem die beiden Leiterplatten aus Metallfolien bestehen, die innen und außen als Hülle einer als Dielektrikum (Stanniol) funktionierenden Glasflasche oder eines Kruges angebracht sind. Diese Urform erfanden die Physiker Cunaeus in Leiden und Ewald Georg von Kleist 1746 unabhängig voneinander. Das Gerät hat heute nur noch historische Bedeutung. Die elektrische Leistungsfähigkeit eines Kondensators ist seine Kapazität, ein Maß für die elektrische Ladung, die er speichern kann.
Kondensatoren sind in ihrer Aufnahmefähigkeit an elektrischer Ladung begrenzt. Sie sperren Gleichstrom, sind aber gute Leiter für Wechselstromschaltungen. Diese Eigenschaft ist zum Schutz bestimmter Teile einer Schaltung vor Gleichstrom nützlich. Kondensatoren fester und regelbarer Kapazität werden zusammen mit Spulen als Schwingkreise in Radios und anderen elektronischen Anlagen eingebaut. Große Kondensatoren werden außerdem für Stromleitungen verwendet, um die Belastung zu dämpfen und mehr Strom mit den Leitungen zu übertragen.
Kondensatoren werden in vielen verschiedenen Formen hergestellt. Luft, Glimmer, Keramik, Papier, Öl oder Vakuum wird abhängig vom Verwendungszweck des Geräts als Dielektrikum eingesetzt.
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Leiter (elektrischer),
alle Materialien, die dem elektrischen Strom wenig Widerstand entgegensetzen. Der Unterschied zwischen einem Leiter und einem Isolator, der ein schlechter Leiter von Elektrizität oder Wärme darstellt, ist eher gradueller als grundsätzlicher Natur, weil alle Substanzen bis zu einem gewissen Grad Strom leiten. Ein guter elektrischer Leiter, wie z. B. Silber oder Kupfer, kann eine Leitfähigkeit besitzen, die mehr als eine Milliarde mal größer ist als die eines guten Isolators, wie z. B. Glas oder Glimmer. Das Phänomen der Supraleitfähigkeit lässt sich beispielsweise beobachten, wenn bestimmte Substanzen in die Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes abgekühlt werden. In festen Leitern wird der elektrische Strom durch die Bewegung von Elektronen geleitet, in Lösungen und Gasen erfolgt die Leitung durch Ionen.
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Lichtbogen
Lichtbogen (Bogenentladung), bei einer stromstarken elektrischen Gasentladung die intensive Leuchterscheinung, die zwischen zwei Elektroden in einem Gas unter niedrigem Druck oder in Luft stattfindet. Dieser Effekt wurde erstmals 1812 von dem britischen Chemiker Sir Humphry Davy beobachtet.
Um einen Lichtbogen aufzubauen, werden zwei bleistiftähnliche Elektroden, meist aus Kohlenstoff, miteinander in Berührung gebracht. Anschließend wird ein sehr starker Strom (etwa zehn Ampere) durch sie hindurchgeleitet, der eine starke Erwärmung am Kontaktpunkt hervorruft. Wenn die Elektroden getrennt werden, ensteht ein flammenähnlicher Lichtbogen zwischen ihnen. Durch die hohe Temperatur werden im Lichtbogen Ionen erzeugt (Thermoionisation). Die so ionisierte Luftstrecke zwischen den Elektroden bleibt durch genügend starken Strom erhalten. In einem Lichtbogen in Luft lassen sich bei normalem Druck Temperaturen von 3 500 °C erreichen.
Die Wärmeintensität eines elektrischen Lichtbogens wird u. a. in speziellen Industrieöfen (Lichtbogen- oder Elektrolichtbogenöfen) verwendet, um beispielsweise Metalle zu schmelzen. In so einem Lichtbogenofen steigen die Temperaturen leicht auf 2 800 °C. Lichtbögen werden auch als hochintensive Lichtquellen eingesetzt. Bogenlampen haben den Vorteil sehr konzentrierter Lichtquellen, da 85 Prozent der Lichtintensität von einem kleinen Bereich an der Spitze der positiven Kohlenstoffelektrode abgestrahlt wird. Diese Lampen dienten früher häufig zur Straßenbeleuchtung, werden aber heutzutage beispielsweise in Filmprojektoren eingesetzt. Bei Natriumdampf- und Quecksilberdampflampen handelt es sich im Prinzip um eingeschlossene Bogenlampen, in denen der Lichtbogen bei reduziertem Druck in einer Atmosphäre von Quecksilber- oder Natriumdampf erzeugt wird. Diese Lampen verwendet man z. B. in besonderen Messgeräten (u. a. Umweltanalytik). Den Lichtbogen nutzt man außerdem beim so genannten Lichtbogenschweißen.
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Logikschaltungen
Logikschaltungen bilden das Kernstück jedes Geräts, in dem Signale kontrolliert, ausgewählt oder kombiniert werden. Anwendungsgebiete von Logikschaltungen liegen in der Telefonvermittlung, Satellitenübertragung und digitalen Computeroperationen.
Digitale Logik ist ein Verfahren, um einfache "Wahr"- und "Falsch"-Entscheidungen auf der Grundlage von Regeln der Boole’schen Algebra zu treffen. "Wahr" kann durch eine Eins und "Falsch" durch eine Null ausgedrückt werden. In Logikschaltungen erscheinen diese Ziffern als Signale mit zwei unterschiedlichen Spannungen. Logikschaltungen führen spezielle Wahr-Falsch-Entscheidungen durch, die auf mehreren Wahr-Falsch-Eingangssignalen beruhen. Die Signale werden von mechanischen Schaltern oder Transistorwandlern generiert. Wenn ein Signal einmal akzeptiert und überprüft wurde (um unerwünschte elektrische Signale oder "Rauschen" auszuschließen), wird es von den digitalen Logikschaltungen verarbeitet. Die große Palette von digitalen Logikbauteilen, meist integrierte Schaltkreise, bietet eine breite Auswahl von logischen Funktionen durch logische Gatter mit Operatoren wie "ODER", "UND" sowie "NICHT" und Kombinationen davon (z. B."NICHT-ODER"). Eine weit verbreitete Familie von Logikschaltungen ist die Transistor-Transistor-Logik (TTL). Eine andere Familie ist die CMOS-Logik (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Komplementär-Metalloxid-Halbleiter), die ähnliche Funktionen durchführt, dabei mit sehr wenig Strom auskommt, aber auch viel langsamer operiert. Es gibt noch verschiedene andere, weniger bekannte Familien von Logikschaltungen, wie die mittlerweile veraltete Widerstand-Transistor-Logik (RTL, Resistor-Transistor Logic) und die emittergekoppelte Logik (ELC, Emitter Coupled Logic), die für Hochgeschwindigkeitssysteme verwendet wird.
Die Grundeinheiten eines Logik-Bauteiles sind die digitalen logischen Gatter. Ein UND-Gatter hat zwei oder mehr Eingänge und einen einzigen Ausgang. Der Ausgang eines UND-Gatters liefert genau dann "Wahr", wenn an allen Eingängen ebenfalls "Wahr" anliegt. Ein ODER-Gatter hat zwei oder mehr Eingänge und ebenfalls nur einen einzigen Ausgang. Die Ausgabe eines ODER-Gatters lautet "Wahr", wenn mindestens einer der Eingänge den Wert "Wahr" besitzt. Die Ausgabe lautet "Falsch", wenn alle Eingänge den Wert "Falsch" bekommen haben. Ein INVERTER (Umkehrer) hat einen einzigen Eingang sowie einen einzigen Ausgang und verkehrt jedes Signal ins Gegenteil: Aus "Wahr" wird "Falsch" und aus "Falsch" wird "Wahr", er führt die NICHT-Funktion durch. Kompliziertere Logikschaltungen können aus diesen elementaren Grundbausteinen zusammengesetzt werden, z. B. Flip-Flops (binäre Schalter), Zähler, Vergleicher, Addierer und weitere komplexere Kombinationen.
Um eine gewünschte Gesamtfunktion zu erreichen, werden zahlreiche Logikelemente zu komplexen Schaltungen kombiniert. In einigen Fällen werden Mikroprozessoren verwendet, um die Schalt- und Regelfunktionen von einzelnen Logikelementen durchzuführen. Die Prozessoren werden speziell mit einzelnen Befehlen programmiert, um eine gestellte Aufgabe oder mehrere Aufgaben wahrzunehmen. Ein Vorteil der Mikropozessoren ist die Möglichkeit, verschiedene Logikfunktionen ausführen zu können, die nur von den gespeicherten Programmbefehlen abhängen. Der Nachteil der Mikroprozessoren ist die sequentielle Abarbeitung von Befehlen, die für einige Anwendungen zu langsam ist. In diesen Fällen werden speziell entwickelte Logikschaltungen eingesetzt.
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Mikroamperemeter
Ein Mikroamperemeter ist so kalibriert, dass es millionstel Ampere anzeigt. Ein Milliamperemeter zeigt tausendstel Ampere an.
Wechselstrom kann man nicht mit gewöhnlichen Amperemetern messen, da der Wechsel der Stromrichtung eine Ablenkung in beide Richtungen bewirkt.
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Netzteile
Die meisten elektronischen Geräte benötigen zum Arbeiten Gleichstrom. Das erste Element eines Gleichstromnetzteiles ist ein Transformator, mit dem sich die Spannung passend herauf- oder herunterregeln lässt. Eine weitere Funktion des Transformators ist die Trennung des Geräts von der Stromleitung, um die Gefahr elektrischer Stromschläge zu vermindern. Dem Transformator folgt ein Gleichrichter, normalerweise eine Diode. In der Vergangenheit verwendete man Vakuumdioden und Niederstromgleichrichter. In Letzteren waren viele verschiedene Materialien wie z. B. Germaniumkristalle oder Cadmiumsulfide eingebaut. Heutzutage werden aufgrund ihrer geringen Kosten und der hohen Zuverlässigkeit fast ausschließlich Siliciumgleichrichter verwendet.
Wenn gleichgerichtete Spannung durch Störungen und Rauschen überlagert wird (bei defekten Audioverstärkern als Brummen wahrzunehmen), kann dies durch einen Kondensator herausgefiltert werden. Je größer der Kondensator ist, desto kleiner sind die Spannungsstörungen. Eine noch feinere Steuerung der Spannungshöhe und der Störungen kann durch einen Spannungsregler vorgenommen werden, der außerdem interne Spannungen von Schwankungen aus der Steckdose unabhängig macht. Ein einfacher, weit verbreiteter Spannungsregler ist die Zenerdiode. Sie besteht aus einer p-n-Diode, die bis zu einer vorherbestimmten Spannung als Isolator reagiert. Beim Überschreiten dieser Spannung wird sie zum elektrischen Leiter und leitet die überschüssige Spannung ab. Höher entwickelte Spannungsregler werden normalerweise als integrierte Schaltkreise umgesetzt.
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Ohm,
Georg Simon (1787-1854), Physiker, geboren in Erlangen. Nach dem Studium in Erlangen lehrte er u. a. in Bamberg, Köln und Berlin Mathematik. Von 1833 bis 1849 war er Physikprofessor an der Polytechnischen Schule in Nürnberg und von 1852 bis zu seinem Tod Professor für Experimentalphysik an der Universität von München. Bekannt wurde er durch seine Forschung zu elektrischen Strömen. Er formulierte das Gesetz über die Beziehung zwischen Strom, Spannung und Widerstand, das als Ohm’sches Gesetz bekannt wurde. Es ist das grundlegende Gesetz des Stromflusses. Die Einheit des elektrischen Widerstands wurde nach Ohm benannt.
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Ohmsches Gesetz
Strom fließt in einem elektrischen Stromkreis nach zahlreichen festgelegten Regeln. Das grundlegende Gesetz des Stromflusses ist das Ohmsche Gesetz, das nach seinem Entdecker Georg Ohm benannt wurde. Das Gesetz besagt, dass der Betrag des Stromes in einem Stromkreis aus reinen Widerständen direkt proportional (verhältnisgleich) zur Spannung und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises ist. Die Formel wird normalerweise mit der Formel
 

ausgedrückt, wobei I der Strom in Ampere (Symbol: A), U die Spannung in Volt (Symbol: V) und R der Widerstand in Ohm (Symbol: ?) ist. Das Ohmsche Gesetz gilt für alle elektrischen Stromkreise, sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom. Allerdings müssen für die Analyse komplexer Schaltkreise zusätzliche Prinzipien beachtet werden, ebenso für Wechselstromkreise mit Induktivität und Kapazität.
In einer Reihenschaltung sind alle Geräte bzw. Elemente in dem Stromkreis aufgebaut, ohne sich aufzuteilen oder in parallele Schaltungen zu verzweigen.
Wenn zwei oder mehr Widerstände sich in einer Reihenschaltung befinden, errechnet sich der Gesamtwiderstand als Summe aller Einzelwiderstände. Sind die Widerstände jedoch parallel geschaltet, wird der Gesamtwiderstand nach folgender Formel berechnet:
 
 
In einer Parallelschaltung werden alle elektrischen Geräte wie Glühlampen oder Zellen einer Batterie so angeordnet, dass alle positiven (+) Pole, Elektroden und Anschlüsse an einen Leiter angeschlossen sind und alle negativen (–) an einen anderen Leiter, so dass mehrere Stromzweige entstehen. Der Wert zweier gleicher paralleler Widerstände entspricht der Hälfte des Wertes eines einzelnen Widerstandes. In jedem Fall ist der Gesamtwert von parallelgeschalteten Widerständen kleiner als der Wert des kleinsten der betroffenen Widerstände. In Wechselstromkreisen und anderen Stromkreisen mit veränderlichen Strömen müssen noch weitere Schaltkomponenten außer den Widerständen betrachtet werden.
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Oszillatoren
Oszillatoren (Schwinger) bestehen meist aus einem Verstärker und einem Rückkopplungselement: Das Ausgangssignal wird wieder am Eingang des Verstärkers eingespeist. Die frequenzbestimmenden Elemente setzen sich aus regelbaren Schwingkreisen oder pulsierenden Kristallen zusammen. Kristallgesteuerte Oszillatoren besitzen die größte Genauigkeit und Stabilität. Oszillatoren werden für die Erzeugung von Audio- und Funksignalen in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Beispielsweise werden in modernen Tastentelefonen einfache Audiofrequenz-Oszillatoren zur Übertragung der Wähltöne verwendet. Audiofrequenz-Oszillatoren sind außerdem in Weckern, Radios, elektronischen Instrumenten, Computern und Alarmanlagen anzutreffen. Hochfrequenz-Oszillatoren dienen in Kommunikationsapparaturen zur Abstimmung und Signalerkennung. Radio- und Fernsehsender benutzen für die Erzeugung von Übertragungsfrequenzen Hochfrequenz-Oszillatoren.
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Primärelemente
Der gebräuchlichste Typ ist das Leclanché- oder Trockenelement. Entwickelt hat es der französische Chemiker Georges Leclanché um 1860. Die heutzutage verwendete Form ist der ursprünglich entwickelten immer noch sehr ähnlich. Der Elektrolyt eines Primärelements besteht dabei aus einer Mischung Ammoniumchlorid und Zinkchlorid. Beide liegen in Pastenform vor. Die äußere Zinkhülle der Batterie ist der Minuspol. Die positive Elektrode (Pluspol) besteht aus einem Kohlenstoffstab, der von einer Mischung aus Kohlenstoff und Mangandioxid umgeben ist. Das Leclanchéelement erzeugt eine Spannung von circa 1,5 Volt.
Ein anderes weit verbreitetes Primärelement ist das Zink-Quecksilberoxid-Element, kurz Quecksilberbatterie genannt. Es kann in Form einer kleinen Platte hergestellt und damit bei Hörgeräten, Photozellen und elektrischen Armbanduhren eingesetzt werden. Die negative Elektrode besteht aus Zink, die positive aus Quecksilberoxid. Der Elektrolyt ist eine Kaliumhydroxidlösung. Die Quecksilberbatterie erzeugt circa 1,34 Volt Spannung.
Das Brennstoffelement ist ein weiteres Primärelement. Hier werden die chemischen Stoffe in einem kontinuierlichen Ablauf zu- und abgeführt.
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Resonanz (Elektronik),
Zustand in einem elektrischen Schaltkreis, bei dem sich die Gesamtimpedanzen der Kapazität und der Induktivität gegenseitig aufheben oder gegenseitig verstärken, wodurch eine minimale oder eine maximale Impedanz erreicht wird. Die Impedanz ist der Widerstand eines Wechselstromkreises.
In jedem Schaltkreis tritt die Resonanz bei einer festgelegten Frequenz auf, der Resonanzfrequenz. Diese hängt von den Beträgen der Induktivität und der Kapazitäten in der Schaltung ab (siehe Kondensator). Wenn eine Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz an den Schaltkreis angelegt wird, in dem Kondensator (Kapazität) und Widerstand (Induktivität) in Reihe geschaltet sind, erreicht die Impedanz der Schaltung ihr Minimum und der Schaltkreis leitet einen maximalen Strom. Sind beide parallel geschaltet, gilt genau das Gegenteil: Die Impedanz ist extrem hoch und wenig Strom wird fließen.
Resonanzschaltungen werden in elektrischen Anlagen, wie beispielsweise Filtern, verwendet um Ströme mit speziellen Frequenzen auszuwählen oder zu verhindern. Derartige Filter setzt man z. B. bei Radio- und Fernsehempfängern ein.
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Sekundärelemente
oder Akkumulatoren, die bei umgekehrtem Ablauf der chemischen Reaktion wieder aufgeladen werden können, erfand 1859 der französische Physiker Gaston Planté. Die Zelle von Planté bestand aus einem Bleiakkumulator, wie er auch heute noch verwendet wird. Er enthält drei oder sechs Zellen, die in Reihe geschaltet werden. Man findet Akkumulatoren in Personen- und Lastautos, in Flugzeugen und anderen Fahrzeugen. Akkumulatoren können so starken elektrischen Strom liefern, wie er beispielsweise zum Starten eines Motors benötigt wird. Als Elektrolyt dient verdünnte Schwefelsäure. Die negative Elektrode besteht aus Blei, die positive aus Bleidioxid. Mit einfachen Worten erklärt, dissoziiert beim Betrieb die negative Bleielektrode in freie Elektronen und zweifach positive Bleiionen. Die Elektronen fließen durch den äußeren elektrischen Stromkreis zur Bleidioxidanode. Die positiven Bleiionen verbinden sich mit Sulfationen im Elektrolyten zu Bleisulfat. An der Bleidioxidanode kommt es zu einer weiteren chemischen Reaktion. Aus Bleidioxid, positiven Wasserstoffionen im Elektrolyten und Elektronen bilden sich Wasser und positive Bleiionen. Letztere verbinden sich mit Sulfationen zu Bleisulfat.
Ein Bleiakkumulator ist nach einiger Zeit erschöpft, da die Schwefelsäure allmählich in Wasser und die Elektroden in Bleisulfat umgewandelt werden. Beim Aufladen der Batterie verlaufen die oben angegebenen Reaktionen in umgekehrter Richtung. Die Lebensdauer eines Bleiakkumulators liegt bei ungefähr fünf Jahren. Er liefert circa 2 Volt pro Zelle.
Ein weiteres Sekundärelement ist der Nickel-Eisen-Akkumulator. Er gehört zu den alkalischen Akkumulatoren und wurde um 1900 von dem amerikanischen Erfinder Thomas Edison entwickelt. In seiner Funktionsweise entspricht er dem Bleiakkumulator. Allerdings besteht hier der Minuspol aus Eisen und der Pluspol aus Nickel(III)-hydroxid. Als Elektrolyt dient eine Kaliumhydroxidlösung. Der Nachteil des Nickel-Eisen-Akkumulators besteht darin, dass während des Aufladens gasförmiger Wasserstoff abgegeben wird. Der Akkumulator wird hauptsächlich in der Schwerindustrie eingesetzt. Er läuft ungefähr zehn Jahre und erzeugt circa 1,15 Volt.
Eine ähnliche Batterie ist der Nickel-Cadmium-Akkumulator, bei dem die negative Elektrode aus Cadmium besteht. Sie erzeugt ebenfalls 1,15 Volt und funktioniert etwa 25 Jahre lang.
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Sensoren und Wandler
Mechanische, thermische, elektrische und chemikalische Größen ermittelt man beispielsweise mit Sensoren und Wandlern. Ein Sensor stellt Veränderungen fest, wie z. B. Änderungen der Temperatur, Position oder der chemischen Konzentration. Der Wandler formt die Daten des Sensors in elektrische Signale um, die an Instrumente zum Ablesen, Aufzeichnen oder zur Steuerung der Messgrößen weitergegeben werden. Sensoren und Wandler können an weit vom Beobachter entfernten Orten arbeiten.
Einige Geräte vereinen beide Eigenschaften in sich. Ein Thermopaar besitzt zwei Drahtverbindungen aus zwei verschiedenen Materialien. Bei Temperaturänderungen wird zwischen den Drähten eine kleine elektrische Spannung erzeugt. Ein Thermowiderstand ist ein spezieller Widerstand, dessen Widerstandswert sich temperaturabhängig verändert. Ein regelbarer Widerstand (Potentiometer) kann mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umwandeln. Speziell entwickelte Kondensatoren werden für Entfernungsmessungen eingesetzt, und Photozellen können Helligkeiten erkennen (siehe Photozelle). Andere Geräte setzt man für Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsmessungen sowie für Messungen von Flüssigkeitsbewegungen ein. Manchmal müssen schwache elektrische Signale durch eine elektronische Schaltung verstärkt werden.
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Sicherung,
Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Stromkreises vor den Auswirkungen extremer Stromspitzen. Die Hauptkomponente einer Sicherung ist meistens ein Metallstreifen. Überschreitet der Strom in dem Stromkreis einen bestimmten, festgelegten Wert, schmilzt das Sicherungsmetall, der Stromkreis ist unterbrochen. Geräte zum Zünden von Sprengstoffen nennt man ebenfalls Sicherungen.
Eine Zylindersicherung besteht aus einem schmelzbaren Metallstreifen, der in einem Keramik- oder Faserzylinder eingeschlossen ist. Metallkappen an den Enden des Zylinders stellen den Kontakt zu dem Metallstreifen her. Diese Art von Sicherungen ist so in einem elektrischen Stromkreis eingebaut, dass der Strom durch den Sicherungsstreifen fließen muss. Wenn Stromspitzen durch den Stromkreis fließen, erhitzt sich die Metallverbindung bis zum Schmelzen. Dies führt dann zur Unterbrechung des Stromkreises.
Neuere Sicherungsentwicklungen erlauben eine kurzzeitige Überschreitung der Grenzwerte, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Derartige Sicherungen werden in Schaltkreisen für Klimaanlagen-Netzgeräte benötigt, denn beim Anschalten dieser Geräte sind kurzzeitige Stromspitzen zu erwarten. Ein weiterer neuer Typ von Sicherungen enthält mehrere Metallverbindungen, die durch einen Schalter ausgewählt werden können. Wenn die Sicherung durchgeschlagen wurde, kann auf einen anderen Sicherungsstreifen umgeschaltet werden, ohne die Sicherung zu wechseln.
In Hochspannungsschaltungen werden spezielle Sicherungsschalter anstelle von Schmelz-Sicherungen eingesetzt. Siehe elektrische Stromanlagen.
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Silicium
Symbol Si, halbmetallisches Element, das nach Sauerstoff das zweithäufigste auf der Erde ist. Die Ordnungszahl von Silicium ist 14. Das Halbmetall steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems (unter Kohlenstoff) und wurde erstmals 1823 von dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius isoliert. Vor allem als Stahllegierung, als technisches (metallurgisches) Silicium (u. a. Ausgangsmaterial für die Aluminiumindustrie) und als so genanntes Halbleitersilicium hat das Element wirtschaftliche Bedeutung erlangt (s. u.).
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Sonnenbatterien
erzeugen durch einen photoelektrischen Umwandlungsprozess Strom. In einer Sonnenbatterie sind mehrere Solarzellen in Reihen- oder Parallelschaltung zusammengefasst. Als Elektrizitätsquelle dient ein Halbleiter, z. B. ein Siliciumkristall mit Fremdatomen im Kristallgitter. Die Strahlungsenergie des einfallenden Lichtes wird durch einen Photoeffekt im Kristallinnern (physikalisch: p-n-Übergang) in elektrische Energie umgewandelt. Sonnenbatterien besitzen eine lange Lebensdauer. Weil man mit ihnen eine langfristige Energieversorgung bei geringem Gewicht erreicht, dienen sie oft in Raumschiffen als Stromquelle.
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Spannungsquellen
Um einen Stromfluss in einem elektrischen Schaltkreis zu erzeugen, ist eine Spannung oder Potentialdifferenz nötig. Geeignete Quellen können z. B. sein: (1) elektrostatische Maschinen, die nach dem Prinzip der Induktion elektrischer Ladungen durch mechanische Vorgänge arbeiten; (2) elektromagnetische Maschinen, in denen Strom durch die mechanische Bewegung von Leitern durch ein oder mehrere Magnetfelder erzeugt wird; (3) voltaische Zellen, in denen durch elektrochemische Vorgänge chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird; (4) Apparaturen, die Strom durch die Wirkung von Wärme erzeugen; (5) Geräte, die elektrischen Strom durch die Einwirkung von Licht liefern; (6) Vorrichtungen, bei denen eine elektrische Spannung durch Druck entsteht wie z. B. in einem piezoelektrischen Kristall (siehe Kristall); (7) Brennstoffzellen, in denen aus brennbaren Gasen (z. B. Wasserstoff oder Erdgas) direkt auf elektrochemischem Weg elektrischer Strom gewonnen wird.
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Spulen
Spulen bestehen aus Leitungsdraht, der in Form einer Rolle aufgewickelt ist. Wenn Strom durch die Spule fließt, wird ein der Stromrichtung entgegengesetztes Magnetfeld aufgebaut, falls die Stromstärke schnell wechselt (siehe Induktion). Eine Spule kann wie ein Kondensator dazu verwendet werden, zwischen schnell wechselnden und langsam wechselnden Signalen zu trennen. Bei einer Kombination von Spule und Kondensator erreicht die Spannung in der Spule bei einer bestimmten Frequenz einen Maximalwert. Diese Frequenz hängt von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule ab. Man verwendet dieses Prinzip in Radioempfängern, wobei eine spezielle Frequenz durch einen regelbaren Kondensator eingestellt wird.
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Elektrischer Strom
Wenn zwei gleich starke, entgegengesetzt geladene Körper über einen metallischen Leiter verbunden werden, "neutralisieren" sich die Ladungen im Prinzip gegenseitig. Diese Neutralisierung wird durch einen Elektronenfluss im Leiter vom negativ geladenen Körper zum positiv geladenen erreicht (in einigen Zweigen der Elektrotechnik geht man vereinbarungsgemäß davon aus, dass die Stromrichtung umgekehrt ist, also von Plus nach Minus). In jedem zusammenhängenden Leitersystem fließen Elektronen von der Stelle mit dem geringsten Potential zu der Stelle mit dem höchsten Potential. Dieser Vorgang wird als elektrischer Strom bezeichnet. So genannter Gleichstrom fließt ständig in die gleiche Richtung, während Wechselstrom ständig seine Richtung ändert.
Drei voneinander abhängige Größen bestimmen den Fluss von Gleichströmen. Die erste ist die Potentialdifferenz im Stromkreis, die auch als Spannung bezeichnet wird. Die zweite ist die Stärke des fließenden Stromes. Diese Größe wird üblicherweise in Ampere angegeben, wobei ein Ampere einem Fluss von ungefähr 6,250 × 1018 Elektronen pro Sekunde entspricht, die einen beliebigen Punkt im Stromkreis innerhalb einer Sekunde durchfließen. Unter normalen Bedingungen leisten alle Substanzen, Leiter ebenso wie Nichtleiter, dem Fluss des elektrischen Stromes einen gewissen Widerstand. Dieser Widerstand begrenzt notwendigerweise den Strom und wird in Ohm (?) angegeben. Das Ohm ist als der Widerstand definiert, der den Strom in einem Stromkreis mit einer Potentialdifferenz von einem Volt auf ein Ampere begrenzt. Diese Beziehung ist das Ohm’sches Gesetz und wurde nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm benannt, der diese Beziehung 1827 aufstellte. Das Ohm’sche Gesetz kann in der algebraischen Gleichung U = I × R ausgedrückt werden, wobei U die Spannung in Volt ist, I die Stromstärke in Ampere und R der Widerstand in Ohm. Aus dieser Gleichung kann für einen gegebenen Stromkreis jede der drei Größen ausgerechnet werden, wenn die anderen beiden Größen bekannt sind. Eine andere Formulierung des Ohm’schen Gesetzes lautet I = U/R. Siehe elektrischer Schaltkreis; elektrische Leistungsmesser.
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, können zwei wichtige Wirkungen beobachtet werden: Die Temperatur des Drahtes steigt, und ein Magnet oder eine Kompassnadel in der Nähe des Drahtes werden abgelenkt. Während des Stromflusses stoßen die Elektronen mit den Atomen des Leiters zusammen und verlieren Energie, die in Form von Wärme frei wird. Die aufgewendete Energiemenge in einem Stromkreis gibt man in Joule an. Die benötigte Leistung für diesen Vorgang wird in Watt gemessen, wobei ein Watt einem Joule pro Sekunde entspricht. Die Leistung in einem gegebenen Stromkreis kann mit Hilfe der Gleichung P = U × I oder P = I2 × R berechnet werden. Leistung kann auch erbracht werden, wenn mechanische Arbeit geleistet wird, durch elektromagnetische Strahlung wie z. B. Licht oder Radiowellen, sowie durch elektrochemische Prozesse.
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Stromversorgungsnetze,
Systeme zur Umwandlung anderer Energieformen in elektrische Energie und zur Übertragung dieser Energie zum Verbraucher. Hinsichtlich der Kosten pro übertragener Energieeinheit hat die Energieübertragung in Form von elektrischem Strom bedeutende wirtschaftliche Vorteile (Siehe Elektromotoren und Generatoren). Stromversorgungsnetze ermöglichen auch die Nutzung von Wasserkraft über größere Distanzen. Moderne Stromversorgungsnetze arbeiten mit Wechselstrom, da dessen Spannung mit Hilfe von Transformatoren leicht erhöht oder verringert werden kann. Somit kann jeder Teil des Systems mit der geeigneten Spannung betrieben werden. Ein Stromversorgungsnetz besteht aus sechs Hauptelementen: (1) dem Kraftwerk, (2) den Transformatoren, welche die erzeugte Spannung auf die hohen Spannungen der Hochspannungsnetze transformieren, (3) den Hochspannungsleitungen, (4) den Transformatoren, welche die Spannung der Mittelspannungsnetze erzeugen, (5) den Mittelspannungsnetzen und (6) den Transformatoren, welche die vom Verbraucher benötigte Spannung erzeugen.
In typischen Systemen erzeugen die Generatoren der Kraftwerke Spannungen bis 26 000 Volt. Höhere Spannungen sind wegen der komplizierten Isolierung und des Risikos, dass Störungen und Schäden auftreten, unerwünscht. Diese Spannung wird mit Transformatoren auf Spannungen von 138 000 Volt bis 765 000 Volt für die Übertragung auf den Hochspannungsnetzen erhöht. Je höher die Spannung ist, desto geringer ist die Stromstärke und folglich der zum Quadrat der Stromstärke proportionale Energieverlust. In Umspannwerken wird die Spannung auf 69 000 Volt bis 138 000 Volt verringert, um die Übertragung auf den Mittelspannungsnetzen zu ermöglichen. Schließlich wird die Spannung noch einmal mit Transformatoren auf die verschiedenen Verbrauchsspannungen reduziert. Die Schwerindustrie benötigt üblicherweise 33 Kilovolt (ein Kilovolt oder kV entspricht 1 000 Volt), Eisenbahnen benötigen 15 bis 25 Kilovolt. Für andere Verbraucher wird die Spannung weiter reduziert: Für Gewerbebetriebe benötigt man etwa 415 Volt, Haushalte in manchen Ländern 240 Volt, in anderen 220 oder 110 Volt.
Die Entwicklung von Hochspannungsgleichrichtern ermöglicht die wirtschaftlich sinnvolle Umwandlung von Hochspannungswechselstrom in Hochspannungsgleichstrom zur Energieübertragung. Dadurch werden kapazitive und induktive Verluste (siehe unten) bei der Übertragung vermieden.
Das Kraftwerk eines Stromnetzes besteht aus einer primären Antriebseinheit, wie z. B. einer Wasser- oder Dampfturbine, die einen elektrischen Generator antreibt. Der weltweit größte Teil der elektrischen Energie wird mit Hilfe von Dampf produziert, der wiederum durch Kohle, Öl, Kernenergie oder Gas erzeugt wird. Geringere Mengen an elektrischer Energie werden mit Wasserkraft, Dieselmotoren oder anderen Verbrennungsmotoren produziert.
Die Leitungen der Hochspannungsnetze bestehen gewöhnlich aus Kupfer- oder Aluminiumdraht oder aus Stahl, der mit Kupfer bzw. Aluminium ummantelt ist. Die Leitungen sind mit Isolatoren aus Porzellan an hohen Gittermasten aus Stahl befestigt. Durch die Verwendung von ummanteltem Stahldraht und hohen Masten kann der Abstand zwischen den Masten vergrößert werden, wodurch sich die Leitungskosten verringern. Moderne Hochspannungsleitungen, die gerade verlaufen, kommen mit weniger als vier Masten pro Kilometer aus. In Städten und anderen Gebieten, in denen offene Leitungen eine Gefahr darstellen, werden für die Stromverteilung isolierte Erdkabel verwendet. Einige dieser Kabel besitzen einen Hohlraum, in dem Öl unter geringem Druck zirkuliert. Das Öl gewährleistet einen vorübergehenden Schutz vor Wasserschäden, wenn ein Leck im Kabel auftritt. Röhrenartige Kabel, in denen mehrere Kabel in einer Röhre eingeschlossen sind, in der sich unter hohem Druck (etwa 15 Atmosphären) stehendes Öl befindet, werden für Stromleitungen mit Spannungen bis 345 Kilovolt verwendet.
Jedes Stromversorgungsnetz besitzt eine große Menge zusätzlicher Einrichtungen für den Schutz der Generatoren, Transformatoren und Leitungen. Das Netz besitzt häufig auch Vorrichtungen, welche die an den Verbraucher abgegebene Spannung regulieren und den Leistungsfaktor des Netzes korrigieren (siehe unten).
Um alle Teile eines Netzes vor Kurzschlüssen und zu hohen Stromstärken zu schützen und um normale Schaltvorgänge zu ermöglichen, werden Stromkreisunterbrecher verwendet. Diese Unterbrecher sind große Schalter, die im Fall ein Kurzschlusses oder unter anderen Bedingungen, die ein plötzliches Ansteigen der Stromstärke zur Folge haben, automatisch betätigt werden. Da im Augenblick der Stromkreisunterbrechung zwischen den Enden des Schalters ein Lichtbogen gebildet wird, sind einige große Schalter (wie sie z. B. zum Schutz von Generatoren oder von Teilen einer Hochspannungsleitung verwendet werden) in einem flüssigen Dielektrikum wie Öl untergebracht, um den Lichtbogen zu unterdrücken. Bei großen Schaltern, die in Luft oder in Öl arbeiten, werden Magnetfelder eingesetzt, um den Lichtbogen zu unterbrechen. Kleine Stromkreisunterbrecher werden in Läden, Fabriken und modernen Hausinstallationen verwendet. Bei elektrischen Installationen in Wohnhäusern wurden früher für den gleichen Zweck gewöhnlich Sicherungen verwendet. Eine Sicherung besteht aus einem Stück Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt. Sie wird in den Stromkreis geschaltet und schmilzt, wenn die Stromstärke über einen bestimmten Wert ansteigt, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird.
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Thermoelektrische Messinstrumente
Mit Messgeräten, die auf die Wärmewirkung eines elektrischen Stromes reagieren, misst man hochfrequente Wechselströme. Bei einem thermoelektrischen Messinstrument, auch Thermoumformer genannt, fließt der Strom durch einen dünnen Draht, der eine Thermopaarlötstelle erwärmt. Die im Thermopaar erzeugte Elektrizität wird mit einem gewöhnlichen Galvanometer gemessen. Bei einem Hitzedrahtinstrument fließt der Strom durch einen dünnen Draht, der sich erwärmt und ausdehnt. Dieser Draht ist mechanisch mit einem Zeiger verbunden. Dieser bewegt sich über eine kalibrierte Skala.
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Transformator,
elektronisches Gerät, das mindestens zwei elektrisch getrennte Drahtspulen enthält, die im Prinzip magnetisch miteinander gekoppelt sind. Die Übertragung der elektrischen Energie von der ersten Spule (Primärspule) auf die zweite Spule (Sekundärspule) erfolgt durch Induktion (siehe Elektrizität). Zur Verminderung so genannter Wirbelströme enthalten die Spulen lamellierte Eisenkerne. Grob gesehen entspricht die elektrische Spannung an den Wicklungen der Spulen der Anzahl der Windungen.
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Transistoren
Transistoren werden aus Halbleitern gefertigt. Das sind Materialien wie z. B. Silicium oder Germanium, die "dotiert" wurden (Hinzufügung winziger Mengen eines fremden Elements), so dass entweder ein Überschuss oder ein Mangel an freien Elektronen vorliegt. Im ersten Fall wird der Halbleiter als n-Leiter (negativ) bezeichnet, im anderen Fall als p-Leiter (positiv). Durch die Kombination von Materialien beider Typen wird eine Diode realisiert. Wenn diese Diode mit einer Stromquelle (z. B. einer Batterie) derart verbunden wird, dass der p-Leiter positiv und der n-Leiter negativ ist, werden die Elektronen von dem negativen Batteriepol abgestoßen und können ungehindert in die p-Region vordringen, der es an Elektronen mangelt. Wenn die Batterie umgekehrt angeschlossen wird, gelangen die Elektronen, die im p-Material ankommen, nur unter Schwierigkeiten zum n-Leiter, der bereits mit freien Elektronen angefüllt ist. In diesem Fall fließt so gut wie kein Strom.
Der bipolare Transistor wurde 1948 als Ersatz für die Vakuumröhre erfunden. Er besteht aus drei Schichten dotierten Materials, die zwei p-n-Verbindungen (Bipole) in den Konstellationen p-n-p oder n-p-n bilden. Eine Verbindung des Transistors ist an eine Stromquelle angeschlossen, um Strom fließen zu lassen (Durchlassrichtung), während die andere in der umgekehrten Richtung angeschlossen ist (Sperrrichtung). Wenn der Strom in Durchlassrichtung durch ein anliegendes Signal verändert wird, reagiert der Strom in der Sperrrichtung entsprechend darauf. Dieses Prinzip kann für den Bau von Verstärkern ausgenutzt werden, bei denen ein schwaches Signal in Durchlassrichtung eine starke Stromveränderung in der Sperrrichtung auslöst.
Ein anderer Transistortyp ist der Feldeffekt-Transistor (FET). Dieser Transistor arbeitet nach dem Prinzip der Anziehung oder Abstoßung von Ladungen in einem umgebenden elektrischen Feld. Eine Stromverstärkung wird auf eine ähnliche Art erreicht wie durch die Gittersteuerung einer Vakuumröhre. Feldeffekt-Transistoren arbeiten viel effizienter als bipolare Transistoren, da ein starkes Signal mit einem sehr kleinen Energieaufwand gesteuert werden kann. Der FET ist der wichtigste Vertreter der unipolaren Transistoren.
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Vakuumröhren
Eine Vakuumröhre (auch Elektronenröhre genannt) besteht aus einem luftleeren Glaskörper, der mehrere Metallelektroden enthält. Eine einfache zweielementige Röhre (Diode) besitzt eine Kathode und eine Anode, die mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden ist. Die Kathode, eine kleine Metallröhre, wird durch einen Heizfaden erhitzt. Dadurch setzt man Elektronen frei, die zur Anode wandern, einem Metallzylinder rund um die Kathode. Wenn an die Anode eine Wechselspannung angelegt wird, fließen jeweils nur während der positiven Periode Elektronen. In der negativen Periode der Wechselspannung weist die Anode alle Elektronen ab, so dass kein Strom durch die Röhre fließen kann. Auf diese Weise kann z. B. Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden (siehe Elektrizität; Gleichrichtung). Wenn ein Gitter aus Metalldrahtspiralen zwischen der Kathode und der Anode angebracht wird, kann durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gitter der Elektronenfluss gesteuert werden. Wenn das Gitter negativ ist, weist es Elektronen ab, und nur ein Bruchteil der von der Kathode ausgestrahlten Elektronen kann die Anode erreichen. Eine solche Röhre wird Triode genannt und kann als Verstärker eingesetzt werden. Leichte Schwankungen der Gitterspannung, die durch Funk- oder Audiosignale erzeugt werden, verursachen starke Veränderungen im Elektronenfluss von der Kathode zur Anode und damit auch in der Schaltung, die mit der Anode verbunden ist.
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Verband deutscher Elektrotechniker e.V. (VDE),
Vereinigung zur Förderung und Pflege der technischen Wissenschaften und ihrer Anwendung mit Sitz in Frankfurt am Main. Der 1893 gegründete VDE, der 33 Bezirksvereine mit über 36 000 Mitgliedern repräsentiert, organisiert u. a. Fachtagungen, Vorträge und Seminare. Er unterhält seit 1920 eine Prüfstelle, die elektrotechnische Erzeugnisse einer eingehenden Sicherheitsprüfung unterzieht und mit dem VDE-Prüfzeichen zertifiziert. Angegliedert sind dem VDE fünf Wissenschaftsorganisationen: die Informationstechnische Gesellschaft, die Energietechnische Gesellschaft sowie die VDI/VDE Gesellschaften Mikroelektronik, Mess- und Automatisierungstechnik, Mikro- und Feinwerktechnik.
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Verstärkerschaltungen
Elektronische Verstärker werden hauptsächlich zur Erhöhung von Spannungen, Stromstärken oder Signalstärken verwendet. Ein linearer Verstärker liefert eine Signalverstärkung ohne oder mit sehr geringer Verzerrung, so dass die Ausgabe proportional zur Eingabe ist. Ein nichtlinearer Verstärker kann dagegen spürbare Veränderungen an der Wellenform des Signals vornehmen. Lineare Verstärker werden für Audio- und Videosignale genutzt, während nichtlineare Verstärker in Oszillatoren, Stromquellen, Modulatoren, Mischern, Logikschaltungen und anderen Anwendungen zu finden sind, bei denen eine Kappung der Amplitude erwünscht ist. Obwohl in der Vergangenheit Vakuumröhren im Verstärkerbau eine entscheidende Rolle spielten, werden heutzutage im Allgemeinen einzelne Transistorschaltungen oder integrierte Schaltkreise eingesetzt.
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Volt
Volt, Einheit der elektrischen Spannung bzw. der elektrischen Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, Einheitenzeichen V, SI-Einheit des Internationalen Einheitensystems. Das elektrische Potential ist die potentielle Energie in elektrischen Systemen. 1 Volt ist gleich der Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, wenn die Arbeit 1 Joule nötig ist, um die Ladung 1 Coulomb von einem zum anderen Punkt zu bewegen (siehe elektrische Einheiten; Elektrizität).
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Voltmessung
Zur Messung eines Potentialgefälles, also einer Spannung, wird ein Galvanometer mit hohem Widerstand mit der Spule in Reihe geschaltet. Legt man diese Anordnung an eine Batterie oder an zwei Punkte eines Stromkreises an, fließt ein kleiner Strom durch das Messgerät. Damit das Messgerät nicht leidet, wird der Strom durch einen in Reihe geschalteten Widerstand begrenzt. Der Strom ist proportional zur Spannung. Ist das Galvanometer entsprechend kalibriert, kann man die Spannung messen. Mit entsprechend dimensionierten Reihenwiderständen kann man mit einem Galvanometer eine breite Palette von Spannungen messen. Das genaueste Gerät zur Messung von Spannungen ist das Potentiometer. Hier gelingt die Messung durch den Vergleich einer unbekannten, gemessenen Spannung mit einer bekannten Größe.
Zur Messung von Wechselstrom verwendet man Wechselstrommesser mit hohem Innenwiderstand oder ähnliche Geräte mit hohem Reihenwiderstand.
Bei weiteren Verfahren zur Spannungsmessung kommen Vakuumröhren und elektronische Schaltkreise zum Einsatz (siehe Elektronik). Sie sind besonders für Messungen bei hohen Frequenzen geeignet. Ein solches Gerät ist der Röhrenvoltmesser. In seiner einfachsten Form wird dabei ein Wechselstrom mit einer Vakuumdiode gleichgerichtet und dieser gleichgerichtete Strom mit einem gewöhnlichen Galvanometer gemessen. Bei anderen Voltmessgeräten dieser Art werden die verstärkenden Eigenschaften von Elektronenröhren genutzt, um äußerst geringe Spannungen zu messen. Das Elektronenstrahl-Oszilloskop kann ebenfalls zur Spannungsmessung eingesetzt werden, da die Ablenkung des Elektronenstrahles proportional zu der auf die Ablenkplatten oder -spulen wirkenden Spannung ist.
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Wattmeter
Der von einem beliebigen Teil eines Stromkreises verbrauchte Strom lässt sich am besten mit einem Wattmeter messen, einem Gerät, das einem Elektrodynamometer ähnelt. Die fixierte Spule eines Wattmeters ist so angeschlossen, dass die gesamte Spannung des Stromkreises durch sie läuft. Die bewegliche Spule ist mit einem hohen Widerstand in Reihe geschaltet. Der durchfließende Strom ist proportional zur Spannung der Stromquelle. Die so erreichte Ablenkung der beweglichen Spule hängt sowohl von der Stromstärke als auch von der Spannung ab und kann direkt als elektrische Leistung kalibriert werden, da die elektrische Leistung das Produkt aus Spannung und Stromstärke ist.
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Wechselströme
Wenn ein Leiter in einem Magnetfeld hin und her bewegt wird, ändert der Strom im Leiter ständig seine Flussrichtung. Mehrere Strom erzeugende Geräte arbeiten nach diesem Prinzip und erzeugen so einen Wechselstrom. Im Vergleich zu Gleichstrom hat Wechselstrom mehrere nützliche Eigenschaften. Der in der Praxis wichtigste Vorteil des Wechselstromes liegt darin, dass Spannung und Stromstärke durch einen Transformator auf fast jeden gewünschten Wert gebracht werden können. Wenn ein Wechselstom in einer Drahtspule fließt, werden Magnetfelder mit ständig umkehrenden Polen auf- und abgebaut. Wenn ein anderer elektrischer Leiter oder eine Drahtspule in das Magnetfeld der ersten Spule gebracht wird, ohne dass eine elektrische Verbindung besteht, induziert das Magnetfeld einen Wechselstrom in der zweiten Spule. Wenn die zweite Spule eine größere Anzahl von Wicklungen hat als die erste, ist die in der zweiten Spule induzierte Spannung größer als die Spannung in der ersten Spule, da das Magnetfeld auf eine größere Anzahl von Einzelleitern einwirkt. Umgekehrt ist die induzierte Sekundärspannung kleiner als die Primärspannung, wenn die Sekundärspule eine geringere Anzahl von Wicklungen aufweist.
Der Transformator ermöglicht die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken. Wenn 200 000 Watt Leistung an eine Stromleitung abgegeben werden, können diese ebenso gut mit einer Spannung von 200 000 Volt und einer Stromstärke von einem Ampere wie auch mit einer Spannung von 2 000 Volt und einer Stromstärke von 100 Ampere abgegeben werden, da die Leistung gleich dem Produkt aus Spannung und Stromstärke ist. Der Leistungsverlust in der Leitung durch Erwärmung ist gleich dem Quadrat der Stromstärke multipliziert mit dem Widerstand. Wenn der Leitungswiderstand zehn Ohm beträgt, verliert die 200 000 Volt-Leitung zehn Watt Leistung, die 2 000 Volt-Leitung jedoch 100 000 Watt, was der halben Leistung entspricht. Siehe Stromversorgungsnetze.
Das Magnetfeld um eine Spule in einem Wechselstromkreis ändert sich ständig und die Spule verzögert ständig den Stromfluss aufgrund der oben erwähnten Induktivität. Das Verhältnis zwischen der Spannung und der Stromstärke bei einer idealen Spule (d. h. an einer Spule ohne Widerstand) ist dergestalt, dass die Stromstärke den Wert Null annimmt, wenn die Spannung ihr Maximum erreicht, und umgekehrt die Stromstärke ihr Maximum erreicht, wenn die Spannung den Wert Null annimmt. Zusätzlich induziert das sich ändernde Magnetfeld eine Potentialdifferenz in der Spule, die die gleiche Größe und die umgekehrte Richtung der anliegenden Spannung besitzt. In der Realität besitzen Spulen immer Widerstand, Kapazität und Induktivität.
Befindet sich in einem Wechselstromkreis ein Kondensator, ist die Stromstärke proportional zur Größe des Kondensators und zur Häufigkeit des Spannungswechsels im Kondensator. In einem idealen Kondensator sind Spannung und Stromstärke genau phasenverschoben. Es fließt kein Strom, wenn die Spannung ihren Maximalwert erreicht, weil dann die Änderungsrate der Spannung Null beträgt. Umgekehrt ist die Stromstärke am größten, wenn die Spannung Null beträgt, weil dann die Änderungsrate der Spannung am größten ist. Strom fließt auch dann durch einen Kondensator, wenn keine direkte elektrische Verbindung zwischen seinen Platten besteht, da die Spannung an einer Platte eine entgegengesetzte Ladung auf der anderen Platte induziert.
Aus den oben genannten Wirkungen folgt, dass keine Leistung verloren geht, wenn Wechselspannung an ideale Induktivität oder Kapazität angelegt wird. In der Praxis weisen jedoch alle Wechselstromkreise neben Induktivität und Kapazität auch Widerstand auf, und daher geht tatsächlich Leistung verloren. Der Leistungsverlust hängt von den relativen Beträgen der drei Größen in den Stromkreisen ab.
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Wheatstone-Brücke
Widerstände lassen sich am genauesten mit einem Galvanometer messen, das sich in einem Stromkreis befindet und nach dem britischen Physiker Sir Charles Wheatstone Wheatstone-Brücke genannt wird. Dieser Stromkreis besteht aus drei bekannten und einem unbekannten Widerstand, die rautenförmig angeordnet sind. Eine Gleichspannung wird an zwei gegenüberliegenden Punkten der Raute angelegt. Zwischen die beiden anderen Punkte wird ein Galvanometer geschaltet. Stehen alle vier Widerstände in einem stabilen Verhältnis zueinander, fließt der gleiche Strom durch die beiden Teile des Stromkreises, und kein Strom fließt durch das Galvanometer. Ändert man den Wert eines der bekannten Widerstände, kann die Brücke dazu verwendet werden, jeden Wert des unbekannten Widerstands auszugleichen, den man anhand der Werte der anderen Widerstände berechnen kann. Ähnliche Brücken, bei denen die Widerstände der Brückenteile durch bekannte Induktivitäten oder Kapazitäten ersetzt werden, verwendet man zur Messung der Induktivität oder Kapazität der Teile von Stromkreisen. Brücken dieser Art heißen meist Wechselstrom-Messbrücken, da sie statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom gespeist werden.
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Widerstand, elektrischer,
Eigenschaft eines bestimmten Körpers oder eines Materials, einen elektrischen Stromfluss zu behindern. Die Größe des Widerstands in einem elektrischen Stromkreis bestimmt, wie viel Strom bei einer bestimmten an einen Stromkreis angelegten Spannung z. B. gemäß dem ohmschen Gesetz fließen kann. Die Einheit des elektrischen Widerstands ist das Ohm. Es ist definiert als der Widerstand, der bei einer angelegten Spannung von einem Volt den Strom auf ein Ampere begrenzt. Das einheitliche Formelzeichen für den elektrischen Widerstand ist R, als Symbol für die Einheit Ohm wurde der griechische Großbuchstabe Omega ? gewählt. Der elektrische Widerstand ist vom Material abhängig. Bei einem zylindrischen homogenen Leiter wird dieser Umstand berücksichtigt, in dem man einen materialabhängigen Faktor mit dem Quotienten aus Leiterlänge und Querschnitt multipliziert. Den Faktor nennt man auch spezifischen Widerstand. Bei manchen Berechnungen an elektrischen Netzwerken ist es zweckmäßiger, mit dem Kehrwert des spezifischen Widerstands zu rechnen, den man als elektrische Leitfähigkeit ? bezeichnet. Die Einheit der Leitfähigkeit ist das Siemens pro Meter (S/m). Den reziproken elektrischen Widerstand 1/R nennt man elektrischen Leitwert (abgekürzt: G) – dieser hat die Einheit Siemens (S).
Der spezifische Widerstand wird nicht nur durch Leiterlänge und den Leiterquerschnitt bestimmt, sondern auch durch die Temperatur beeinflusst. Bei einer festen Temperatur ist der Widerstand dem spezifischen Widerstand und der Länge des Widerstandskörpers direkt proportional und verhält sich indirekt proportional zur Querschnittsfläche. Gewöhnlich steigt der Widerstand eines Materials mit steigender Temperatur.
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Erstellt von Bastian Höft, EI 97 A