Elektrische Elemente/ Elektronik

In der Elektronik, soweit sie dieses Buch betrifft, geht es darum, verschiedene Bauteile so miteinander zu beschalten, dass hinterher eine sinnvolle Anwendung dabei herauskommt, die das tut, was wir uns vorher überlegt haben. Hierzu haben wir Spannungsquellen, die unsere Schaltungen mit Energie versorgen, Leiter, die die Energie zu den Bauteilen transportieren und Bauteile, die in ihrer Verschaltung eine Funktion ergeben.

Energie und Leistung

Energie spüren wir überall dort, wo wir uns anstrengen müssen, um etwas zu erreichen. Einen Schlitten einen Berg hochziehen beispielsweise bedeutet, die Lageenergie zu vergrößern. Anschließend mit dem Schlitten den Berg herunterzufahren bedeutet Spaß, und aus physikalischer Sicht Lageenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln. Die Energie, um den Schlitten den Berg hochzuziehen, bekommen wir aus der Nahrung. Die Energie ist in der Nahrung chemisch gebunden und wird in unserem Körper so freigesetzt, dass wir einen Schlitten ziehen können.

In einer Batterie oder einem Akku ist ebenfalls Energie in chemischer Form gespeichert. Schließt man an eine Batterie eine Lampe an, dann fließt ein Strom durch die Lampe hindurch und wieder zurück zur Batterie. Das geht so lange, bis die gesamte verfügbare Energie in der Batterie in Licht und Wärme für die Lampe umgewandelt wurde. Einen Akku kann man anschließend wieder aufladen, ihm also neue Energie zur Verfügung stellen.

Wenn jemand eine bestimmte Menge Energie (mit dem Formelzeichen E abgekürzt) in einer bestimmten Zeit (t) umsetzen kann, dann spricht man von Leistung (P). Fährt jemand denselben Berg mit seinem Schlitten in kürzerer Zeit hinunter, dann ist seine Leistung größer. Bei einem Fön mit größerer Leistung werden die Haare schneller trocken und eine Musikanlage mit größerer Leistung ist im allgemeinen lauter als andere.

Leistung wird in Watt gemessen. Ein typischer Fön hat beispielsweise 1000 Watt, also ein Kilowatt. Lässt man diesen eine Stunde lang laufen, dann hat man 1 Kilowatt mal eine Stunde, also eine Kilowattstunde. Das ist eine Energie und kostet rund 20 ct. Für das Bereitstellen dieser Energie bezahlt man beim Energieversorger.

Mathematischer ausgedrückt: Energie ist Leistung mal Zeit oder $E=P\cdot t$

Ladung und Spannung

In einem Stromkreis gibt es zwei Ladungssorten, positive und negative Ladungen. Diese Ladungen haben das Bestreben, sich zu verbinden – sie ziehen sich an. Die Energie pro Ladung, die notwendig ist, um nun zwei Ladungen zu trennen, ist die elektrische Spannung. Mit einem Kondensator kann man Ladungen sammeln. Zwischen den Polen dieses Kondensators entsteht dann eine Spannung.

Die elektrische Spannung hat als Formelzeichen U und als Einheit das Volt (V). Beispielsweise haben wir im Haushalt an der Steckdose eine Spannung von $U=230\,\mathrm {V}$ anliegen.

Strom

Ladung wird zumeist durch metallischen Leiter transportiert. Im Fall einer Glühlampe wird der Glühfaden dabei heiß und zwar so heiß, dass er nicht nur Wärme, sondern auch sichtbares Licht aussendet. Sich von einer Seite zur anderen Seite bewegende Ladung im Leiter nennt man Strom. Die Stärke des Stromes kann man messen.

Die Stromstärke I ist dabei die Anzahl der Ladungen, die pro Zeit durch einen Leiter fließen. Die Einheit ist das Ampere (A). Als Formel ausgedrückt $I={\frac {Q}{t}}$.

Mit Stromstärke, Spannung und Leistung kann man rechnen. Es gilt $P=U\cdot I$.

• Beispiel 1: Ein Haushaltsfön hat eine Leistung von 1500 W. An der Steckdose liegen 230 V an. Dann ist die Stromstärke durch den eingeschalteten Fön ungefähr 6,5 A.

Dieser Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Leistung besagt auch, dass man bei niedriger Spannung durch einen hohen Strom die gleiche Leistung umsetzen kann wie bei höherer Spannung durch einen entsprechend niedrigeren Strom.

Gleichspannung, Wechselspannung

Bei einer Batterie hat man einen Pluspol und einen Minuspol. Schließt man nun an beide Pole eine Lampe an, dann fließt der Strom vom Pluspol zum Minuspol. In diesem Fall spricht man von Gleichspannung, weil die Pole immer gleich sind. Bei Wechselspannung hingegen ändern sich die Pole dauernd. Mal ist der eine Pol der Pluspol und mal der andere. Das ist so, als würde man eine Batterie dauernd umpolen. Die Spannung im Haushaltsnetz ändert 100 mal in der Sekunde ihre Richtung; die Pole wechseln, und deswegen spricht man von Wechselspannung.

Wechselspannung ist aufgrund ihrer Drehung die „natürliche“ Spannung, die von den Generatoren der Energieversorger bereitgestellt wird. Auch ein Fahrraddynamo stellt aufgrund seiner Drehung Wechselspannung bereit.

Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke

Lässt man Strom durch einen metallischen Leiter, wie zum Beispiel einen Kupferdraht fließen, dann liegt an diesem Leiter eine Spannung an. Sorgt man nun dafür, dass sich die Temperatur nicht ändert, dann kann man feststellen, dass

• wenn die Stromstärke steigt, auch die Spannung steigt und
• wenn die Spannung steigt, auch die Stromstärke steigt.
• Verdoppelt man zum Beispiel die Spannung am Leiter, dann verdoppelt sich auch die Stromstärke, und
• verdoppelt man die Stromstärke, dann verdoppelt sich auch die Spannung.

Diese Eigenschaft der Elektrizität bei metallischen Leitern nennt man Ohmsches Gesetz; es wird benutzt, um den elektrischen Widerstand zu definieren bzw. zu berechnen.

Gruppierung für Bauteile

Elektrische Bauteile kann man nach verschiedenen Kriterien gruppieren. Hier folgen einige Kategorien für Bauteile:

• Einige Bauteile haben eine verstärkende Wirkung, man nennt diese Bauteile aktiv (Diode, Transistor, …) im Gegensatz zu passiv (Spule, Widerstand, Kondensator, …).
• Manche Bauteile leiten den elektrischen Strom; man nennt sie deswegen schlicht Leiter. Manche Bauteile wie Dioden leiten den Strom nur unter bestimmten Voraussetzungen; man nennt sie Halbleiter. Bauteile und Stoffe, die den elektrischen Strom nicht leiten, nennt man Isolatoren.
• Die Anzahl der Anschlüsse an einem Bauteil spielt oft eine Rolle. So spricht man von Bauteilen, die nur zwei Anschlüsse haben, von einem Zweipol (z. B. Widerstand, Diode, ...) und bei Bauteilen mit drei Anschlüssen von einem Dreipol (z. B. Transistor).
• Die Gehäuseform ist ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Bauteilen. Besonders im Hobbybereich muss man seine Bauteile anfassen können, sie dürfen eine bestimmte Größe nicht unterschreiten. Andererseits wünschen sich beispielsweise Handy-Hersteller, dass die Bauteile besonders klein sind, um immer kleinere Mobiltelefone zu bauen.
• Letztlich das für uns in diesem Buch wichtigste Kriterium – die Funktion des Bauteils.

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