Mein kleiner Elektroniklehrgang

Mein kleiner Elektroniklehrgang

An dieser Stelle soll in der nächsten Zeit ein kleiner Elektroniklehrgang entstehen. Zum Zeitpunkt, an dem dieser Text hier gerade entsteht habe ich nur eine ungefähre Idee, wie umfangreich das ganze werden soll. Wichtig ist mir im Moment, dass das Niveau auf der einen Seite soweit Verständlich ist, dass auch der interessierte Laie die Möglichkeit bekommt, einfache Schaltungen zu Verstehen oder sogar zu entwickeln, auf der anderen Seite soll die Materie so tiefgehend besprochen werden, dass aus dem „Basteln“ ein echtes „Entwickeln“ wird.

Dabei wird es nicht ohne Mathematik gehen, was auf den ersten Blick vielleicht den ein oder anderen Abschrecken mag. Der Autor möchte dabei aber mit „einfacher“ Mathematik auskommen und auf höhere Mathematik verzichten. Der Interessierte Leser soll sich hiervon also nicht abschrecken lassen, denn nur so bietet sich ihm das Aha-Erlebnis mit einigen einfachen Berechnungen vorab auf Anhieb zu einer funktionierenden Schaltung zu kommen.

Letztlich muss das ganze aber jetzt erst einmal Gestalt annehmen. Und dazu soll jetzt erst einmal ganz vorne bei den Grundlagen begonnen werden.

Grundbegriffe

Fragt man Wikipedia, was Elektronik überhaupt sei, erhält man als Antwort: Die Lehre von der Steuerung von Elektronen. Darunter werden „alle Vorgänge in Steuer-, Regel- und Verstärkerschaltungen sowie die Vorgänge in den hierfür verwendeten Bauelementen verstanden.“

Aus dieser Definition geht hervor, dass Elektronen eine Wichtige Rolle als Medium in der Elektronik einnehmen. Elektronen kennt man als Bestandteile der Atome. Sie bilden die Hülle des Atoms, in der sie sich um den Atomkern bewegen. Eine — in diesem Zusammenhang die wichtigste — Eigenschaft des Elektrons ist seine (elektrische) Ladung. Das Elektron trägt eine negative Elementarladung -q, wogegen der Atomkern ein positives ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung nq trägt.

Elektrische Ladung

Damit sind wir bereits beim ersten wichtigen Grundbegriff der Elektronik, dem Begriff der elektrischen Ladung. Elektrische Ladung ist zunächst mal ein recht abstrakter Begriff, der eine Eigenschaft von Elementarteilchen bezeichnet. Aus unserer täglichen Erfahrung kennen wir elektrische Ladung z.B. wenn uns beim Kämmen die Haare zu Berge stehen. An diesem Effekt erkennen wir auch, dass zwischen den elektrischen Ladungen Kräfte wirken, die sowohl abstoßend (zwischen den Haaren, die weit voneinander abstehen) als auch anziehend (z.B. zwischen Haaren und Kamm) sein können.

In der Tat ist es so, dass es positive und negative elektrische Ladungen gibt. Gleichnamige Ladungen (positiv – positiv und negativ – negativ) stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich dagegen an.

Die elektrische Ladung wird in der Einheit Coulomb, abgekürzt 1 C gemessen. Diese Einheit ist nach dem französischen Physiker Charles Augustin de Coulomb benannt. Jede Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches einer Elementarladung. Diese Tatsache, dass es eine kleinste, nicht meh teilbare Ladung gibt, wurde zum ersten mal von dem Physiker Robert Andrews Millikan bereits im 19. Jahrhundert in einem Versuch mit winzigen Öltröpfchen nachgewiesen. Die Größe der Elementarladung, die Millikan damals gemessen wurde und die inzwischen mit anderen Messverfahren präzisiert wurde, beträgt etwa 1,602 \cdot 10^{-19} C.

 Ladungsfluss oder elektrischer Strom

Bestimmte Materialien sind in der Lage, elektrische Ladung zu transportieren, man spricht von elektrischer Leitung. Im nächsten Kapitel werden wir etwas genauer auf diese Leitung eingehen. An dieser Stelle soll es nur um das Phänomen des Ladungsflusses durch einen Leiterquerschnitt gehen. Diesen Ladungsfluss nennt man elektrischen Strom. Der elektrische Strom ist definiert als elektrische Ladung, die in einer bestimmten Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Mathematisch ausgedrückt: I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}. Dabei ist I der Strom, \Delta Q die elektrische Ladung, die im Zeitintervall \Delta t durch den Querschnitt fließt. Gemessen wird der elektrische Strom in der Einheit Ampere, abgekürzt 1 A, benannt nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère. Ein Ampere fließt, wenn pro Sekunde ein Coulomb durch den Leitungsquerschnitt fließt.

Viel Verwirrung entsteht oft um den Begriff der Stromrichtung. Verwirrend ist hier gelegentlich, dass der Strom von aus der Bewegung von Elektronen  herrührt, die Ihrerseits eine negative elektrische Ladung tragen. Die Bewegungsrichtung der Elektronen ist somit entgegengesetzt zur Stromrichtung. Oft hört man Begriffe, wie technische Stromrichtung und physikalische Stromrichtung, wobei letztere die Bewegungsrichung der Trägerteilchen angeben soll. Interessanter Weise hat der Autor diesen Begriff in 20 Jahren Berufspraxis als Physiker nie gehört.

Der elektrische Strom ist ganz klar als Ladungsfluss definiert. Die Bewegungsrichtung der Trägerteilchen spielt dabei keine Rolle. Aufgrund der Definition als Ladungsfluss gibt es auch nur eine einzige Stromrichtung, vom positive geladenen Ende des Leiters hin zum negativ geladenen.

Die elektrische Spannung

Im Abschnitt über die elektrische Ladung wurde gesagt, dass zwischen elektrischen Ladungen eine Kraft wirkt. Hat man zwei entgegengesetzt geladene Körper ziehen diese sich an. Will man diese Körper voneinander trennen, muss man gegen diese Kraft „ankämpfen“. Physikalisch ausgedrückt heißt das, man muss Arbeit verrichten. Das Produkt aus Kraft und Weg wird als Arbeit bezeichnet.W = \vec{F}\cdot\vec{s}.

Teilt man diese Arbeit durch die Ladungsmenge, die man getrennt hat, in der Mathematik nennt man das normieren, erhält man eine Größe die man elektrische Spannung nennt. Die elektrische Spannung gibt somit an, wie viel Arbeit pro Ladungsmenge zur Trennung der Ladung aufgewandt wurde. Sie wird in Volt, abgekürzt 1V gemessen. Auch diese Einheit ist nach einem Physiker benannt, dem Italiener Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Graf von Volta, der als Erfinder der Batterie gilt.

Das Verrichten von Arbeit entspricht einer Zufuhr von Energie. Da Energie nach dem Energieerhaltungssatz nicht verloren geht, ist die Spannung nicht nur ein Maß dafür, wie viel Arbeit in der Vergangenheit an der Ladung verrichtet wurde, sondern auch wie viel Energie pro Ladungsmenge vorhanden ist.

Die elektrische Spannung ist eine Größe, die zwischen zwei Punkten gemessen wird. Oft hört man Aussagen, ein Punkt einer Schaltung habe eine Spannung von x V . Diese Aussage für sich ist zunächst mal unsinnig, den die Spannung ist nur zwischen zwei Punkten definiert. Gemeint ist bei solchen Aussagen immer, dass die Spannung zwischen diesem Punkt und einem gemeinsamen Referenzpunkt, der für alle Messungen verwendet wird  x V beträgt.

Elektrische Leistung

Fließt ein Strom von einem Punkt zu einem anderen zwischen denen eine Spannung anliegt, wird die Energie, die in der Ladung gespeichert ist auf dem Weg abgegeben. Da die Spannung der Energie pro Ladung entspricht und Strom angibt, wie viel Ladung pro Zeit durch einen Querschnitt fließt, entspricht das Produkt aus beiden Größen der Energie, die pro zeit abgegeben wird:P = U\cdot I = \frac{\Delta E}{\Delta Q} \cdot \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.

Die Energie, die pro Zeit umgesetzt wird, nennt man Leistung. Gemessen wird sie in der Einheit Watt (abgekürzt 1 W), benannt nach dem schottischen Erfinder der Dampfmaschine James Watt. Die Formen, in denen die Energie abgegeben wird, sind vielfältig. In Elektromotoren wird sie in mechanischer Energie, in Glühlampen oder Leuchtdioden in Form von Licht abgegeben. Oftmals wird die Energie aber auch einfach nur ungewollt in thermische Energie umgewandelt, d.h. die Elektronik erwärmt sich im Betrieb.

Zusammenfassung

stromkreis

In dem Bild sind noch einmal die Dinge zusammen gefasst, die in diesem Kapitel beschrieben wurden. Um elektrische Ladungen zu trennen muss Arbeit verrichtet werden, d.h. der Ladung wird Energie zugeführt. Die Energie pro Ladung nennt man elektrische Spannung. Sie wird zwischen den Punkten gemessen, an denen sich die getrennten Ladungen befinden.

Bestimmte Materialien haben die Eigenschaft, Ladungen transportieren zu können. Man nennt diese Materialien Leiter. Verbindet man zwei Punkte, zwischen denen eine Spannung anliegt mit einem Leiter findet ein Ladungsausgleich statt: Es fließt ein elektrischer Strom. Der Stromfluss geht vom positiven Pol zum negativen. Das Maß für den Stromfluss ist die Ladung, die pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt. Gemessen wird sie in Ampere.

Beim Stromfluss wird die Energie, die der Ladung zugeführt wurde, wieder abgegeben. Dies kann in Form von mechanischer Arbeit, Licht oder Wärme geschehen.

Bevor es nun richtig los geht, gibt es im nächsten Kapitel noch einige Sicherheitshinweise.

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