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1. Grundbegriffe und Funktionsweisen

1.1. Grundelemente materieller Körper

Jeder materielle Körper weist eine körnige Struktur auf. Die Grundelemente dieser körnigen Struktur - die Atome bzw. Moleküle - bestehen aus Ladungsträgern unterschiedlicher Polarität - den Protonen im Kern und den Elektronen in den Außenschalen der Atome bzw. Moleküle.
Die Existenz von Ladungen unterschiedlicher Polarität kann nicht weiter erklärt sondern muß als gegeben hingenommen werden. Dabei gilt, daß sich gleichpolige Ladungen abstoßen, ungleichpolige anziehen.
Protonen und Elektronen tragen jeweils die gleich große, entgegengesetzt gepolte Elementarladung. Die Elementarladung ist - wie der Name sagt - die kleinste in der Natur frei vorkommende Ladungsmenge. Eine gleich große Anzahl von Protonen und Elektronen wirken somit nach außen hin als neutral.
Historisch bedingt wird die Ladung der Elektronen als negativ, die der Protonen als positiv gekennzeichnet.

1.2. Definition der Einheit einer Ladung

Jede makroskopische Ladungsmenge ist stets ein Vielfaches der Elementarladung.
Die Einheit der Ladung ist - wiederum historisch bedingt - festgelegt worden als bestehend aus 6,2 1018 Elementarladungen. Sie trägt den Namen 1 Coulomb, abgekürzt Q, zu Ehren des französischen Physikers Charles Augustin de Coulomb (1736-1806).

1.3. Eigenschaften von Leitern und Isolatoren

Metalle als gute elektrische Leiter und Isolatoren als schlechte Leiter unterscheiden sich durch die Beweglichkeit der negativen Ladungsträger, der Elektronen. Während bei beiden Stoffarten die positiven Ladungsträger in den Kernen der Atome festsitzen, werden in Metallen pro Atom ein oder zwei Elektronen im Gitterverband der Metallatome frei beweglich.
Grundsätzlich gilt, daß Ladungen weder erzeugt noch vernichtet werden können. Die Summe aller Ladungsträger bleibt stets konstant. Betrachtet man einen abgeschlossenen, neutralen Körper, so können Ladungsträger nur durch Verschiebung bzw. durch Ladungstrennung nach außen wirksam werden. Wenn bei einem solchen Vorgang irgendwo negative Ladungsträger auftreten, so müssen sich mit Sicherheit an einer anderen Stelle, die vorher neutral war, positive Ladungsträger anhäufen. Zwischen diesen gleich gepolten Ladungsträgern treten abstoßende Kräfte auf und anziehende Kräfte zwischen ungleich gepolten Ladungsträgern (die sogenannten Coulombkräfte). Diese Coulombkräfte wirken der ursprünglichen Trennung entgegen und verhindern damit ein weiteres Verschieben von Elektronen. Solche rücktreibenden Kräfte treten bei guten Leitern - den Metallen - genau so auf wie bei schlechten Leitern, den so genannten Isolatoren.

1.4. Bedeutung geschlossener Stromkreise

Der große Vorteil der Metalle als gute elektrische Leiter kommt erst voll zur Geltung, wenn man eine in sich geschlossene Bahn, einen so genannten Stromkreis bildet. Dann können die leicht beweglichen Elektronen beständig im Kreis herumgeführt werden, ohne daß es zu einer beständigen Anhäufung von positiven oder negativen Ladungen an verschiedenen Orten und damit zu rücktreibenden Kräften kommt.
Für einen länger andauernden, gleichmäßigen Fluß von Ladungsträgern gilt dabei die Bedingung, daß pro Zeiteinheit in jedes Volumenelement dieselbe Anzahl von Elektronen herein wie heraus fließen muß, so daß es zu keiner Anhäufung kommt. Ist dieser Zustand erreicht, so spricht man von einem Fließgleichgewicht oder auch von einem stationären Zustand.

1.5. Definition der Stärke eines elektrischen Stromes

Die Ladung q, die durch einen Leiterquerschnitt transportiert wird, ist gleich der Zahl der Elektronen n, die diesen Querschnitt überqueren, multipliziert mit der Elementarladung. Wird diese Elementarladung mit e gekennzeichnet, so gilt: q = ne.
Die elektrische Stromstärke an einem bestimmten Leiterquerschnitt wird bestimmt durch die Ladung und damit die Zahl der Elektronen n, die diesen Querschnitt in einem bestimmten Zeitintervall Δt überqueren. Die Stromstärke wird mit I gekennzeichnet. I = ne/Δt = q/Δt.
Als Einheit der Stromstärke gilt ein Strom, bei dem pro Zeiteinheit (s) die Ladungseinheit (Q) durch einen Querschnitt fließt. Diese Einheit trägt den Namen "Ampere", abgekürzt A, zu Ehren des französischen Physikers André-Marie Ampère (1775-1836).
Fließt in einem Leiter ein Strom der Stärke I = 1 A, so driften 6,2 1018 Elektronen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt.

1.6. Das Ohmsche Gesetz

Um durch einen Widerstand einen gleichmäßigen Strom fließen zu lassen, ist eine bestimmte konstante Antriebskraft/Spannung an den Ausgängen des Widerstandes erforderlich. Der Zusammenhang zwischen einer solchen Antriebskaft und der Spannung U wird im folgenden Abschnitt erläutert.
Wird nun die Spannung erhöht, so ist es plausibel, daß sich auch die Stromstärke erhöht. Es ist aber nicht selbstverständlich, daß dieser Zusammenhang linear ist, daß sich also die Stromstärke proportional mit der angelegten Spannung verändert. In der Praxis ist ein solcher linearer Zusammenhang selten, da sich in aller Regel mit einer geänderten Stromstärke die Temperatur und damit auch das Widerstandsverhalten ändert. Hält man aber die Temperatur des Widerstandes konstant und natürlich auch alle anderen Eigenschaften wie Länge, Querschnitt etc. so zeigt sich bei allen metallischen Leitern eine Proportionalität zwischen angelegter Spannung und Stromstärke.
Fazit: Fließt ein Gleichstrom I durch einen Widerstand R und bleiben alle äußeren Parameter konstant, so gilt U/I = konstant. Dieser Zusammenhang wurde von dem Physiker Ohm entdeckt und wird Ohmsches Gesetz genannt.
Es ist üblich diese Konstante, die für den betreffenden Widerstand charakteristisch ist, direkt zur Definition des Widerstandswertes heranzuziehen und mit R zu kennzeichnen: R = U/I.
Die Einheit des Widerstandes ist 1 Ohm, abgekürzt Ω, zu Ehren des deutschen Physikers Georg Simon Ohm (1789-1854).

1.7. Funktionsweise einer Spannungsquelle

Eine elektrische Spannungsquelle besteht im Prinzip aus einer elektrischen Leitung, die mit zwei von außen zugänglichen metallischen Kontakten verbunden ist. Als wesentliche Eigenschaft einer Spannungsquelle kommt jedoch hinzu, daß sie Kräfte aufbringen kann, die die in dieser Leitung vorhandenen, freien Elektronen von einem Kontakt hin zum anderen verschieben. Je nach Art der Spannungsquelle sind diese Kräfte von unterschiedlicher Natur, wie z.B. chemische Kräfte bei einer Batterie oder elektromagnetische Kräfte bei einem Generator.
Die Wirkung dieser Kräfte ist stets die gleiche: An einem der metallischen Ausgänge entsteht ein Überschuß an Elektronen, am anderen Kontakt fehlen diese Elektronen und treten dort als positive Ladung in Erscheinung.

Abb. 1: Batterie als Spannungsquelle
mit Oberflächenladungen auf den metallischen Kontakten

Nun gilt, daß sich bei einem Metall zusätzliche Elektronen nie im Innern sondern nur auf der Oberfläche aufhalten können.
Warum sich zusätzliche Elektronen nicht von der Oberfläche entfernen, sondern dort festgehalten werden, ist nicht ganz einfach zu erklären. Dabei spielt u.a. die Temperatur, die Oberflächenbeschaffenheit des Leiters und die Art der Umgebung eine Rolle. Eine genauere Erklärung ist für die folgenden Überlegungen aber nicht erforderlich. Es genügt, als experimentell gesicherte Tatsache hinzunehmen, daß sich zusätzliche Elektronen in einem Leiter an der Oberfläche und nur an der Oberfläche aufhalten können.
Je größer die Dichte dieser positiven und negativen Ladungen auf den Oberflächen der metallischen Kontakte einer Spannungsquelle, desto größer wird ihre gegenseitige Abstoßung. Von einer bestimmten, für jede Spannungsquelle charakteristischen Größe an verhindern diese Coulombkräfte jede weitere Erhöhung der Dichte an zusätzlichen Ladungsträgern. Es kommt zu einem Gleichgewichtszustand, einem stationären Zustand zwischen der Kraft der Spannungsquelle und den rücktreibenden Coulombkräften.


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