Elektrische Bauelemente

Im Anfängerpraktikum werden ihr mit verschiedenen elektrischen Bauelementen umgehen müssen. Um beim Erstellen einer elektrischen Schaltung den Überblick zu behalten und das erwünschte Ergebnis zu erzielen sollten wir die einzelnen Bauelemente auch vorher verstanden haben.

Lineare Bauelemente weisen im Wesentlichen einen linearen Zusammenhang zwischen elektrischen Größen, z.B. Strom und Spannung, auf. Beim Betrieb mit Wechselspannung sich das z. B. so aus, dass im Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal keine weiteren Frequenzen vorkommen. Nichtlineare Bauelemente haben eine erwünschte Nichtlinearität. So leitet eine Diode den Strom nur in einer Richtung, während sie sich bei entgegengesetzter Polarität nahezu wie ein Isolator verhält. Passive Bauelemente sind jene, die keine Verstärkerwirkung zeigen und keine Steuerungsfunktion besitzen. Aktive Bauelemente zeigen in irgendeiner Form eine Verstärkerwirkung des Nutzsignals oder erlauben eine Steuerung.

Ein elektrischer Widerstand wird auch ohmscher Widerstand genannt. Er hat das Formelzeichen $R$. Wenn Elektronen durch einen Leiter fließen, stoßen sie ab und zu auch gegen Atome, was sie verlangsamt. Ein Widerstand ist nun ein Material, bei dem die Elektronen öfter stoßen. Dies hat Einfluss auf Spannung und Stromstärke. Eine einprägsame Formel dazu ist die “URI-Formel” : $U=R \cdot I$ ($U$ für Spannung, $R$ für Widerstand, $I$ für Stromstärke). Sie beschreibt das Ohmsche Gesetz. Die Einheit des elktrischen Widerstands ist passenderweise Ohm und wird mit dem Formelzeichen $\Omega$ (groß Omega) bezeichnet.

Es ist zwischen Widerständen in Parallel- und Reihenschaltung zu unterscheiden.

In einer Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand $R_{ges}$ gleich der Summe der Einzelwiderstände.

\begin{align*} R_{ges} = \sum_{i=1}^{N} R_i \end{align*}

mit i Widerständen und der Gesamtanzahl N an Widerständen. Die Strömstärke ist in Reihenschaltung von Widerständen überall gleich.

In einer Parallelschaltung ist der Gesamtwiederstand die Summe der Kehrwerte (also das “Gegenteil”).

\begin{align*} R_{ges} = \sum_{i=1}^{N} \frac{1}{R_i} \end{align*} mit i Widerständen und der Gesamtanzahl N an Widerständen.

Bei der Messung von Widerständen kann man das Ohmsche Gesetz ausnutzen. $U=R\cdot I \Rightarrow R = \frac{U}{I}$ Ist also Stromstärke $I$ und Spannung $U$ bekannt, kann der Widerstand $R$ einfach berechnet werden.

Als Spannungsquelle fassen wir eine elektrische Energiequelle auf, die in Anhängigkeit der angeschlossenen Verbraucher elektrischen Strom liefert. Dies sind zum Beispiel Batterien, solarzellen oder Generatoren.

Damit ein elektrischer Strom fließen kann, muss eine elektrische Spannung anliegen.

Hierbei muss zwischen Stromquellen mit Gleichspannung und Wechselspannung unterschieden werden.

Stromquellen mit Gleichspannung Dies wird in Stromquellen mit Gleichspannung erreicht, indem ein Zustand aufrecht erhalten wird, in dem am Minuspol einer Stromquelle ein Elektronenüberschuss, am Pluspol ein Elektronenmangel besteht. Stromquellen mit Wechselspannung

Kondensatoren sind Baulemente, die elektrische Energie (Ladung) Speichern können. Im Prinzip besteht ein Kondensator aus zwei gegenüberliegende Metallplatten, getrennt durch eine isolierende Schicht (auch Dielektrikum genannt). Wird nun eine Spannung angelegt, einsteht ein elektrisches Feld. Eine Platte nimmt dabei negative Ladungsträger auf, die andere hingegen positive, sodass das Verhältnis gleich groß ist.

Auch hier gilt es wieder zwischen Gleichspannugs- und Wechselspannugnskondensatoren zu unterscheiden.

Wechselspannungskondensatoren sind ungepolt und dürfen sowohl an Wechsel- aöls auch an Gleichspannung angeschlossen werden.

Ein Transformator dient dem Zweck Spannungen $U$, Ströme $I$ und Widerstände $R$ in Wechselstromkreisen zu erhöhen bzw. zu verringerrn. Man spricht von herauf- und heruntertransformieren.

Bei einer Glühlampe heizt ein elektrischer Strom ein elektrischer Leiter auf, wodurch er zum Leuchten angeregt wird.