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Heat Transfer Coefficient

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Überblick

Viele Bequemlichkeiten des alltäglichen Lebens beruhen auf elektrischem Strom. Er erzeugt im sichtbaren Spektrum Strahlung und versorgt uns nicht nur mit Licht, sondern hilft uns beim Kochen oder Aufwärmen von Nahrung mit unterschiedlichen elektrischen Geräten wie Elektroherden, Mikrowellenherden und Toastern. Da wir über elektrischen Strom verfügen, müssen wir nicht selbst täglich nach Brennstoff suchen, um ein Feuer anzuzünden. Dank der Elektrizität können wir uns auch mithilfe von Zügen, U-Bahnen und Hochgeschwindigkeitszügen auf horizontaler und mithilfe von Aufzügen entlang vertikaler Ebene bewegen. Auch die Wärme und Gemütlichkeit unserer Wohnungen verdanken wir dem elektrischen Strom, der elektrische Heizgeräte, Klimaanlagen und Ventilatoren betreibt. Viele elektrische Maschinen erleichtern uns die Arbeit jeden Tag und in unterschiedlichen Bereichen. Wir leben im Zeitalter der Elektrizität, was uns ermöglicht, Computer, Smartphones, das Internet, Fernsehen und andere intelligente elektronische Technologien zu nutzen. Vor dem Hintergrund, wie komfortabel Elektrizität als eine Form der Energie ist, verwundert es nicht, dass wir so viel Anstrengung in ihre Erzeugung investieren.

Es mag ungewöhnlich erscheinen, aber die Idee der praktischen Nutzung von Elektrizität wurde zuerst von den konservativsten Mitgliedern der Gesellschaft angenommen: Marineoffizieren. Es galt als schwierig, in der elitären Gesellschaft aufzusteigen und es war genauso schwer, Admiräle, die als Schiffsjungen auf Seglern angefangen hatten, von der Notwendigkeit zu überzeugen, zu Stahlschiffen mit Dampfmaschinen zu wechseln, aber die jüngeren Offiziere unterstützten Innovation. Aufgrund des Erfolgs von Feuerschiffen während des russisch-türkischen Kriegs 1770, der zum Sieg während der Seeschlacht von Çeşme führte, zog die Marine die Aufrüstung der Hafenverteidigungssysteme durch verlässliche Küstenartillerie in Kombination mit Seeminen, die zu der Zeit neu waren, in Betracht.

Die Entwicklung unterschiedlicher Typen von Seeminen begann Anfang des 19. Jahrhunderts. Zu den erfolgreichsten Konstruktionen gehörten autonome Minen, die mittels Elektrizität aktiviert wurden. Während der 1870er wurde ein Gerät zur Detonation von verankerten Minen durch Elektrizität von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz entwickelt. Eines dieser Geräte, eine Mine mit Zündhörnern, war berüchtigt und erscheint häufig in historischen Kriegsfilmen. Das „Horn“ aus Blei enthielt ein Behältnis mit einem Elektrolyt, das bei Kontakt mit dem Schiffskörper zerstört wurde. Das Elektrolyt speiste eine einfache Batterie, die wiederum die Detonation der Mine auslöste.

Marineoffiziere waren die ersten Menschen, die das Potenzial der jablotschkowschen Kerze zu schätzen wussten. Diese Kerzen waren die frühen elektrischen Lichtquellen. Sie waren nicht perfekt, erzeugten jedoch Licht durch einen elektrischen Bogen und einer weißglühenden positiven Elektrode aus Kohle. Sie wurden für Signale und zur Beleuchtung des Schlachtfelds verwendet. Der Einsatz leistungsstarker Flutlichter bot der Seite Vorteile, die sie nutzte, um das Schlachtfeld während der Nacht zu erhellen oder um Informationen zu übermitteln und die Aktionen unterschiedlicher Marineeinheiten bei Seeschlachten zu koordinieren. Flutlichter in Leuchttürmen halfen bei der Navigation in gefährlichen Küstengewässern.

Es überrascht auch nicht, dass die Marine eine große Bereitschaft zeigte, Technologien anzunehmen, die die drahtlose Übermittlung von Informationen bot. Die großen Dimensionen der frühen Sendegeräte waren für die Marine kein Problem, da es auf den Schiffen ausreichend Platz gab.

Elektrische Maschinen wurden genutzt, um das Laden von Kanonen an Bord von Schiffen zu vereinfachen; elektrische Kraftmaschinerie wurde genutzt, um die Geschütztürme zu drehen, und erhöhte die Genauigkeit und Effektivität der Kanonen. Der Maschinentelegraf ermöglichte der Besatzung zu kommunizieren und erhöhte die Effizienz, was bei einer Schlacht erhebliche Vorteile mit sich brachte.

Eine der schrecklichsten Nutzungsmöglichkeiten elektrischen Stroms in einer Seeschlacht war die des Dritten Reichs auf Angriffs-U-Booten. Hitlers Unterseeboote, die die Rudeltaktik nutzten, senkten viele Transportkonvois der Alliierten. Die bekannte Geschichte von Konvoi PQ 17 ist ein Beispiel.

Die britische Marine konnte mehrere Enigma-Geräte sicherstellen, die von den Deutschen zur Kodierung von Nachrichten verwendet wurden, und den Code mit der Unterstützung von Alan Turing knacken. Er ist der Vater moderner Computertechnik. Die Alliierten fingen Funkkommunikation des deutschen Admirals Karl Dönitz ab und konnten mithilfe dieser Informationen die Küstenluftwaffe nutzen, um das Rudel in die Enge zu treiben und an die Küsten von Norwegen, Deutschland und Dänemark zurückzuzwingen. Daher waren ab 1943 Angriffe nur von kurzer Dauer.

Hitler plante, seine U-Boote mit V-2-Raketen auszustatten, um damit die Ostküste der USA anzugreifen. Schnelle Angriffe an der West- und Ostfront konnten dies verhindern.

Die heutige Marine lässt sich schwer ohne Flugzeugträger und Atom-U-Boote vorstellen. Sie werden von Kernreaktoren angetrieben, die Technologien aus dem 19. Jahrhundert auf Dampfantriebsbasis, Technologien des 20. Jahrhunderts auf Basis von Elektrizität und die Kerntechnologien des 20. und 21. Jahrhunderts kombinieren. Die Energieerzeugungssysteme von Atom-U-Booten sorgen für ausreichend elektrische Energie, um den Energiebedarf einer großen Stadt zu decken.

Zusätzlich zu den bereits genannten Einsätzen der Elektrizität zieht die Marine andere Anwendungen in Betracht, beispielsweise eine Railgun bzw. elektromagnetische Schienenkanone. Eine Railgun ist eine elektrische Kanone, bei der Bewegungsenergie-Projektile verwendet werden, die ein großes Zerstörungspotenzial aufweisen.

Geschichte

Mit der Entwicklung zuverlässiger Energiequellen für Gleichstrom (direct current, DC) wie die Voltasche Säule, die von dem italienischen Physiker Alessandro Volta stammt, haben viele hervorragende Wissenschaftler weltweit die Eigenschaften des elektrischen Stroms und die von ihm verursachten physikalischen Phänomene sowie den praktischen Nutzen für Wissenschaft und Technik erforscht. Zu den Stars unter den Wissenschaftlern gehören Personen wie Georg Ohm, der das ohmsche Gesetz herleitete, um das Verhalten von elektrischen Strom in einem grundlegenden Stromkreis zu beschreiben, der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff, der die Berechnung komplexer Stromkreise entwickelte und der französische Physiker André Marie Ampère, der das Gesetz entdeckte, mithilfe dessen die Eigenschaften in einem geschlossenen Kreis beschrieben werden, auf den ein Magnetfeld einwirkt und durch den ein elektrischer Strom fließt. Es ist das ampèresche Gesetz oder Durchflutungsgesetz. Die unabhängige Arbeit des englischen Physikers James Prescott Joule und des russischen Wissenschaftlers Heinrich Lenz führte zur Entdeckung des Stromwärmegesetzes, mit dem der Wärmeeffekt elektrischen Stroms quantifiziert wird.

Die Arbeiten von James Clerk Maxwell konzentrierten sich auf die weitere Erforschung der Eigenschaften des elektrischen Stroms und legte den Grundstein für die moderne Elektrodynamik. Heute sind diese Arbeiten als Maxwell-Gleichungen bekannt. Maxwell entwickelte auch die Theory der elektromagnetischen Strahlung und sagte viele Phänomene wie elektromagnetische Wellen, Strahlungsdruck und andere vorher. Später wurde die Existenz elektromagnetischer Wellen von dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz experimentell bewiesen. Seine Arbeit zu Reflexion, Interferenz, Diffraktion und Polarisierung elektromagnetischer Wellen wurde bei der Erfindung des Radios genutzt.

Mehrere experimentelle Arbeiten der französischen Physiker Jean-Baptiste Biot und Félix Savart hinsichtlich der Erscheinung von Magnetismus bei vorhandenem elektrischen Strom, im Biot-Savart-Gesetz zusammengefasst, und die Forschung des brillanten französischen Mathematikers Pierre-Simon Laplace, der diese experimentellen Ergebnisse als eine mathematische Abstraktion generalisierte, zogen zum ersten Mal eine Verbindung zwischen den beiden Seiten eines Phänomens und begründeten die Lehre des Elektromagnetismus. Ein brillanter britischer Physiker, Michael Faraday, führte ihre Arbeit fort und entdeckte die elektromagnetische Induktion. Moderne Elektrotechnik baut auf Faradays Arbeit auf.

Ein Physiker aus den Niederlanden, Hendrik Lorentz, leistete einen wertvollen Beitrag zur Erklärung der Eigenarten elektrischen Stroms. Er entwickelte die klassische Elektronentheorie und überlegte, dass Atome aus kleineren geladenen Teilchen bestehen und das Licht ein Ergebnis der Oszillationen dieser Teilchen ist. Er leitete auch die Gleichung her, mit der die Kraft beschrieben wird, die auf die sich bewegende Ladung aus dem elektromagnetischen Feld einwirkt. Diese Kraft wird Lorentzkraft genannt.

Definition des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom kann als geordnete Bewegung geladener Teilchen definiert werden. Nach dieser Definition wird elektrischer Strom anhand der Anzahl geladener Teilchen gemessen, die durch den Querschnitt eines Leiters innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit fließen.

I = q / t, wobei q die Ladung in Coulomb, t die Zeit in Sekunden und I der elektrische Strom in Ampere sind.

Eine andere Definition des elektrischen Stroms hängt von den Eigenschaften der Leiter ab und wird durch das ohmsche Gesetz beschrieben:

I = V/R, wobei V die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I der Strom in Ampere sind.

Die elektrische Stromstärke wird in Ampere (A) und hiervon abgeleitete Einheiten wie Nanoampere (ein milliardstel Ampere, nA), Mikroampere (ein millionstel Ampere, μA), Milliampere (ein tausendstel Ampere, mA), Kiloampere (eintausend Ampere, kA) und Megaampere (eine Million Ampere, MA) gemessen.

Im internationalen Einheitensystem (Système International d'Unités, SI) wird die elektrische Stromstärke mit

[А] = [C] / [s] hergeleitet.

Das Verhalten elektrischen Stroms bei unterschiedlichen Medien

Elektrischer Strom bei festen Materialien wie Metall, Halbleiter und Dielektrika

Bei der Betrachtung elektrischen Stroms müssen wir das Medium berücksichtigen, das ihn transportiert. Insbesondere gilt dies für die geladenen Teilchen, die im Material oder der Substanz im aktuellen Zustand vorhanden sind. Das Material oder die Substanz kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Ein einzigartiges Beispiel unterschiedlicher Zustände einer Substanz ist Dihydrogenmonoxid, oder Wasserstoffoxid, was wir einfach als Wasser kennen. Es ist fest, wenn es gefroren ist, beispielsweise im Eisfach des Kühlschranks. Andererseits verwenden wir kochendes flüssiges Wasser zum Bereiten von Tee oder Kaffee. Beim Kochen des Wassers sehen wir den Nebel entweichen. Der Nebel besteht aus Wassertropfen, die sich im gasförmigen Zustand (Dampf) bilden, wenn der Dampf in Kontakt mit der kalten Luft gerät.

Ein weiterer Zustand kann Plasma sein. Niedrigtemperatur-Plasma bildet die oberen Schichten der Sterne, die Ionosphäre der Erde, eine Flamme, einen Lichtbogen und die Substanz in einer fluoreszierenden Lampe, um einige Beispiele zu nennen. Hochtemperatur-Plasma lässt sich im Labor schwer erzeugen, da es extrem hohe Temperaturen (über 1.000.000 K) erfordert.

Feststoffe werden aufgrund ihrer Struktur in Kristalle und amorphe Festkörper klassifiziert. Kristalle verfügen über ein strukturiertes Gitter. Die Atome und Moleküle einer solchen Substanz erzeugen zwei- oder dreidimensionale Kristallgitter. Einige Beispiele für kristalline Feststoffe sind Metalle, ihre Legierungen und Halbleiter. Wir können kristalline Feststoffe anhand von Schneeflocken visualisieren, die einzigartig geformte Kristalle bilden. Amorphe Substanzen weisen kein Kristallgitter auf. Dielektrika sind in der Regel amorph.

Unter regulären Bedingungen fließt elektrischer Strom durch Feststoffe aufgrund der Bewegung freier Elektronen, die wiederum aufgrund von sich vom Atom lösenden Valenzelektronen ungebunden sind. Feststoffe können auch auf Basis der Art des Elektrizitätsflusses in ihnen bei Leitern, Halbleitern und Isolatoren unterteilt werden. Die Eigenschaften unterschiedlicher Materialien werden auf Basis der diskreten elektronischen Bandstruktur bestimmt. Sie hängt von der Breite der Bandlücke ab, wo keine Elektronen vorhanden sein können. Isolatoren weisen die breiteste Bandlücke auf, manchmal bis zu 15 Elektronenvolt (eV). Isolatoren und Halbleiter weisen keine Elektronen in der Leiterlücke bei einer Temperatur von absolut null auf. Bei Zimmertemperatur würden sich einige Elektronen in der Lücke befinden, die sich aufgrund der Wärmeenergie aus den Valenzbändern dorthin bewegen. In Leitern aus Metall, würde das Leitband mit den Valenzbändern überlappen. Daher befinden sich selbst bei absolut null eine große Anzahl Elektronen in der Lücke. Dies gilt auch, wenn die Temperatur auf den Schmelzpunkt ansteigt. Diese Elektronen ermöglichen, dass elektrischer Strom durch das Material fließt. Halbleiter verfügen über schmale Bandlücken und ihre Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, hängt sehr von Temperatur, Strahlung und anderen Faktoren wie das Vorhandensein von Dopants ab.

Supraleiter erzeugen besondere Bedingungen für elektrischen Strom. Es sind Materialien, die zum elektrischen Stromfluss keinerlei Widerstand aufweisen. Leitung von Elektronen dieser Materialien bilden Teilchengruppen, die aufgrund von Quanteneffekten verbunden sind.

Wie ihr Name andeutet, leiten Isolatoren elektrischen Strom nicht sehr gut. Diese Eigenschaft von Isolatoren wird genutzt, um den Fluss elektrischen Stroms zwischen leitenden Oberflächen unterschiedlicher Materialien zu begrenzen.

Zusätzlich zum elektrischen Strom, der bei einem gleichbleibenden magnetischen Feld durch die Leiter fließt, gibt es bei einem variablen magnetischen Feld ein Phänomen, das sich Wirbelstrom bzw. Foucaultscher Strom nennt. Je größer die Änderungsrate im magnetischen Feld, desto stärker die Wirbelströme. Sie fließen nicht einen bestimmten Pfad entlang, sondern in geschlossenen Kreisen im Leiter.

Wirbelströme erzeugen einen Oberflächeneffekt, eine Tendenz des Wechselstroms (alternating electric current, AC) und magnetischen Flux-Flows hauptsächlich entlang der Oberflächenebene des Leiters, was zu Energieverlust führt. Um diese Verluste durch Wirbelströme bei Transformatorkernen zu verringern, sind ihre magnetischen Kreise geteilt. Hierzu werden Schichten aus dünnen, isolierten Stahlplatten, die den Transformatorkern bilden, zusammengesteckt.

Elektrischer Strom in Flüssigkeiten (Elektrolyten)

Alle Flüssigkeiten können bis zu einem bestimmten Grad elektrischen Strom leiten, wenn an ihnen eine elektrische Spannung angelegt wird. Flüssigkeiten, die elektrischen Strom leiten, werden Elektrolyt genannt. Elektrischer Strom fließt anhand der positiv und negativ geladenen Ionen, jeweils Kationen und Anionen genannt, die aufgrund elektrolytischer Dissoziation in der Flüssigkeit vorhanden sind. In Elektrolyten fließt der Strom aufgrund der Bewegung der Ionen, im Gegensatz zur Bewegung von Elektronen in Metallen. Der Strom in Elektrolyten wird durch die Bewegung der Substanz zu den Elektroden und die Bildung neuer chemischer Elemente an den Elektroden oder die Ablagerung dieser neuen Substanzen an den Elektroden charakterisiert.

Dieses Phänomen war die Basis für die Elektrochemie und es ermöglicht uns, das Äquivalentgewicht unterschiedlicher chemischer Substanzen zu bestimmen. So konnte anorganische Chemie eine exakte Wissenschaft werden. Die weitere Entwicklung der Elektrolytchemie ermöglichte uns, chemische Quellen für Energie in Form von Primär- und aufladbaren Batterien sowie Brennstoffzellen zu produzieren. Das wiederum hat zu einem Entwicklungssprung in der Technologie geführt. Ein Blick auf die Batterie unter der Motorhaube eines Autos bietet einen Eindruck der Ergebnisse, die uns jahrzehntelange Arbeit von Forschern und Ingenieuren beschert haben.

Viele der industriellen Prozesse, die vom Fluss elektrischen Stroms in Elektrolyten abhängen, ermöglichen eine attraktive Oberfläche bei Endprodukten (beispielsweise Chrom- und Nickelgalvanisierung) und schützen diese Objekte vor Korrosion. Galvanisierung und Abtragen sind grundlegende Prozesse in der modernen Elektrotechnik beim Herstellen verschiedener elektronischer Komponenten. Diese Prozesse finden beispielsweise Anwendung in der Mikroproduktion. Die Anzahl elektronischer Komponenten, die mithilfe dieser Technik hergestellt werden, erreichen viele Milliarden.

Elektrischer Strom in Gasen

Der Fluss elektrischen Stroms in Gasen hängt von der Zahl freier Elektronen und Ionen ab, die in dem Gas vorhanden sind. Aufgrund des größeren Abstands zwischen Gasteilchen, im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen, ist es die Regel für Moleküle und Ionen in Gasen, größere Distanzen zurückzulegen, bevor sie zusammenstoßen. Daher ist der Elektrizitätsfluss in Gasen unter normalen Bedingungen schwierig. Das Gleiche gilt für Gasgemische. Ein Beispiel für ein Gasgemisch ist Luft. In der Elektrotechnik gilt sie als guter Isolator. Unter regulären Bedingungen sind viele andere Gasgemische ebenfalls gute Isolatoren.

Der Elektrizitätsfluss in Gasen hängt von unterschiedlichen physikalischen Faktoren wie Druck, Temperatur und den Komponenten ab, aus denen die Mischung besteht. Darüber hinaus spielt ionisierende Strahlung eine Rolle. Beispielsweise kann Gas Elektrizität leiten, wenn es mit ultravioletter oder mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde, wenn eine Einwirkung von Kathoden- oder Anodenteilchen oder von Teilchen, die von einer radioaktiven Substanz abgegeben wurden, erfolgt ist oder selbst wenn das Gas eine hohe Temperatur aufweist.

Wenn Energie von elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen eines Gases absorbiert werden und wenn sich Ionen bilden, wird dieser endotherme Prozess Ionisierung genannt. Erreicht die Energie eine bestimmte Schwelle, überwinden die Elektronen oder eine Gruppe von Elektronen eine potenzielle Barriere und verlassen das Atom oder Molekül. Sie werden so freie Elektronen. Das Atom oder Molekül, das von dem Elektron verlassen wurde, ist nicht mehr neutral, sondern positiv geladen. Freie Elektronen können sich neutralen Atomen oder Molekülen anschließen und bilden negativ geladene Ionen. Positiv geladene Ionen können sich wieder mit negativ geladenen Elektronen verbinden, wenn sie mit ihnen zusammenstoßen, und sind dann wieder neutral. Dieser Prozess wird Rekombination genannt.

Wenn elektrischer Strom durch das Gas fließt, ändert sich sein Zustand. Das führt zu einer komplexen Abhängigkeit von dem elektrischem Strom und der Spannung, die mehr oder weniger durch das ohmsche Gesetz geregelt ist – jedoch nur bei niedriger Stromstärke.

Elektrische Entladungen in Gasen können sowohl nicht selbstständig als auch selbstständig erfolgen. Nicht selbstständige Entladungen erzeugen elektrischen Strom, der nur durch Einwirken externer ionisierender Faktoren möglich ist. Fehlen diese, fließt kein elektrischer Strom durch das Gas. Auf der anderen Seite wird während der selbstständigen Entladungen elektrischer Strom aufgrund der Ionisierung neutraler Atome und Moleküle im Gas beibehalten. Die Atome und Moleküle werden durch das elektrische Feld bei Zusammenstoßen mit den freien Elektronen und Ionen beschleunigt. Unter diesen Umständen ist ein elektrischer Strom sogar ohne externe ionisierende Faktoren möglich.

Wenn die Potenzialunterschiede zwischen der Anode und der Kathode gering sind, wird die selbstständige Entladung dunkle oder Townsend-Entladung genannt. Während die Spannung sich erhöht, steigt auch die Stromintensität. Anfangs ist diese Erhöhung proportional zur Spannung (Abschnitt OA bei dem Voltampere-Merkmal der dunklen Entladung), aber die Erhöhungsrate lässt zunehmend nach (Abschnitt AB auf der Kurve). Wenn alle gelösten Teilchen, die aufgrund der Ionisierung freigegeben wurden, sich gleichzeitig zur Kathode und zur Anode bewegen, gibt es keine Erhöhung der Stromstärke (Abschnitt BC auf der Kurve). Wenn die Spannung wieder erhöht wird, steigt die Stromstärke ebenfalls und die dunkle Entladung wird eine nicht selbstständige Lawinenladung. Ein Beispiel einer nicht selbstständigen Entladung ist eine Glimmentladung bei Hochdruck-Entladungslampen für verschiedene Zwecke.

Wenn die nicht selbstständige Entladung in eine selbstständige Entladung gewandelt wird, steigt die elektrische Stromstärke (Punkt E auf der Kurve). Der Punkt ist als elektrischer Durchschlag bekannt.

Alle unterschiedlichen Entladungsarten wie oben beschrieben sind stationär. Die Eigenschaften sind nicht zeitabhängig. Neben diesen Entladungen gibt es auch nicht stationäre Entladungen, die in der Regel in ungleichmäßigen elektrischen Feldern auftreten, beispielsweise in Spitzen- oder gebogenen Oberflächen von Leitern oder Elektroden. Es gibt zwei Arten ungleichmäßiger Entladung: Coronaentladungen und Funkenentladung.

Ionisierung bei einer Coronaentladung verursacht keinen elektrischen Durchschlag. Diese Entladung verursacht die Wiederholung einer nicht selbstständigen Entladung in einem kleinen begrenzten Bereich um den Leiter. Ein gutes Beispiel einer Coronaentladung ist das Glühen in der Luft um Antennen, Blitzableitern oder Stromoberkabeln herum. Coronaentladungen um Stromkabel verursachen Energieverlust. In der Vergangenheit war dieses Glühen Seefahrern bekannt. Das Glühen um Schiffsmasten wurde Elmsfeuer genannt. Coronaentladungen werden in Laserdruckern und Fotokopierern genutzt. Sie wird durch ein coronaerzeugendes Gerät generiert, an dem eine hohe Spannung angelegt wird. Eine Coronaentladung ionisiert Gas, welches wiederum die fotosensitive Trommel ionisiert. In diesem Fall ist eine Coronaentladung nützlich.

Im Gegensatz zu einer Coronaentladung verursacht eine elektrostatische Entladung einen elektrischen Durchschlag. Es sieht wie unterbrochene Lichtfäden aus, die sich verzweigen und mit ionisiertem Gas gefüllt sind. Sie erscheinen und verschwinden und produzieren eine große Menge Hitze und Licht. Ein übliches Beispiel für natürlich vorkommende elektrostatische Entladung sind Blitze. Elektrischer Strom in ihnen kann das Zehnfache an Kiloampere erreichen. Bevor Blitze auftreten können, muss durch Vorentladung ein Blitzkanal oder eine Leitblitz erzeugt werden. Es erzeugt einen stufenweise aufgebauten Blitzkanal. Blitze bestehen in der Regel aus einer mehrfachen elektrostatischen Entladung im Blitzkanal für Wolken-Boden-Negativblitze. Eine leistungsstarke elektrostatische Entladung wird bei elektronischen Fotoblitzen verwendet. Bei ihnen wird die Entladung zwischen den Elektroden einer Blitzröhre aus Quarzglas gebildet, die mit einem Gemisch von ionisiertem Edelgas gefüllt ist.

Wenn eine elektrische Entladung für eine lange Zeit aufrechterhalten wird, wird sie Lichtbogen genannt. Lichtbögen werden beim Schweißen, eine unentbehrliche Methode in der modernen Technik, um Stahlkonstruktionen unterschiedlicher Größe und für verschiedene Zwecke zu bauen, von Wolkenkratzern über Flugzeugträger bis hin zu Fahrzeugen. Ein Lichtbogen wird nicht nur zum Verbinden von Materialien, sondern auch um sie zu zerschneiden verwendet. Der Unterschied zwischen den zwei Prozessen besteht in der verwendeten Stromstärke. Schweißen erfolgt bei relativ niedrigen Stromstärken, während Schneiden höhere Stromstärken für den Lichtbogen erfordert. Das Schneiden selbst tritt auf, wenn geschmolzenes Metall entfernt wird. Unterschiedliche Techniken werden dafür eingesetzt.

Ein weiteres Einsatzgebiet für einen Lichtbogen in Gasen ist die Gasentladungslampe, die beispielsweise zur Beleuchtung von Straßen, Plätzen und Stadien verwendet werden (Natriumdampflampen werden in der Regel hier eingesetzt). Metall-Halegonid-Lampen ersetzten die weißglühenden Lampen bei Autoscheinwerfen und nutzen ebenfalls diese Technologie.

Elektrischer Strom im Vakuum

Ein Vakuum ist ein perfektes Dielektrikum und daher ist elektrischer Strom im Vakuum nur möglich, wenn freie Träger von Strom wie Elektronen oder Ionen durch thermionische Emission, fotoelektrische Emission oder auf andere Arten erzeugt werden.

Die Hauptmethode der Erzeugung elektrischen Stroms im Vakuum unter Nutzung von Elektronen erfolgt durch thermoelektrische Emission der Elektronen von Metallen. Wenn eine Elektrode erwärmt wird (sie wird Glüh- oder Heizkathode genannt), gibt sie Elektronen in die Röhre ab. Diese Elektronen erzeugen einen elektrischen Strom, solang eine andere Elektrode (Anode genannt) vorhanden ist und solang eine bestimmte Spannung der erforderlichen Polarität zwischen den beiden besteht. Solche Vakuumröhren werden Dioden genannt und leiten elektrischen Strom nur in eine Richtung. Sie blockieren den Strom, wenn ein Versuch unternommen wird, den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung zu zwingen. Diese Eigenschaft wird verwendet, Wechselstrom in Gleichstrom durch den Prozess des Gleichrichtens umzuwandeln. Dies wird von einem Diodensystem durchgeführt.

Wenn eine zusätzliche Elektrode, das Steuergitter, nahe der Kathode hinzugefügt wird, erhalten wir ein Gerät, das Triode genannt wird und selbst kleine Spannungsänderungen im Steuergitter relativ zur Kathode erheblich verstärkt. Im Ergebnis ändert dies den Strom und die Spannung der Ladung, die mit der Vakuumröhre in Reihe geschaltet ist, in Bezug auf die Stromquelle. Dieses System, Verstärker genannt, wird verwendet, um verschiedene Signale zu steigern.

Die Nutzung von Vakuumröhren mit einer großen Anzahl Steuergitter wie bei Tetroden, Pentoden und selbst Fünfgitter-Mischröhren, die über sieben Elektroden verfügen, galt bei der Erzeugung und Verstärkung von Funksignalen als revolutionär und ermöglichte moderne Systeme wie Radio- und Fernsehübertragung.

Radio wurde zuerst entwickelt, da es vergleichsweise einfach war, Möglichkeiten zu entwerfen, um relativ geringe Frequenzsignale zu wandeln und zu senden und ein Schaltkreisdesign für Empfängergeräte zu entwerfen, die Funkfrequenzen verstärken und mischen, um sie in ein akustisches Signal durch den Prozess der Demodulation zu wandeln.

Als das Fernsehen erfunden wurde, wurden Vakuumröhren, Ikonoskope genannt, verwendet, um Elektronen durch den fotoelektrischen Effekt des auf sie fallenden Lichts abzugeben. Eine weitere Stärkung des Signals wurde durch einen Vakuumröhrenverstärker erreicht. Um das erfasste und gesendete Bild anzuzeigen wurden Kathodenstrahlenröhren (cathode ray tube, CRT) verwendet, die ebenfalls Vakuumröhren waren. In der Kathodenstrahlröhre wurde das Bild mithilfe einer Rückumwandlung des Signals auf den Bildschirm erzeugt. Dies geschah durch die Beschleunigung von Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit anhand einer (oder drei für Farbfernsehen) Elektronenkanone in einem starken elektrischen Feld. Das elektrische Feld wurde durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen der Kathode der Elektronenkanone und der Anode der Kathodenstrahlröhre geschaffen. Hochgeschwindigkeitselektronenstrahlen wurden auf den Bildschirm gerichtet, der mit einem fluoreszierenden Material beschichtet war, und das sichtbare Licht wurde von ihm abgestrahlt. Das Bild wurde von zwei gegenseitig synchronisierten Systemen erzeugt: eins, das das Signal von dem Ikonoskop ablas, und eins, das einen Rasterscan ausführte. Die ersten Kathodenstrahlenröhren waren einfarbig.

Farbfernsehen wurde bald darauf entwickelt. Die Ikonoskope beim Farbfernsehen waren Hybridsysteme, die nur auf das Licht einer bestimmten Farbe, entweder rot, blau oder grün, reagierten. Die Farbphosphorpunkte einer TV-Kathodenstrahlröhre gaben aufgrund des von der Elektronenkanone erzeugten elektrischen Stroms Licht ab. Sie reagierten auf die beschleunigten Elektronen, die auf sie trafen, und strahlten Licht einer bestimmten Farbe und Helligkeit aus. Spezielle Schattenmasken wurden genutzt, um sicherzustellen, dass die Strahlen jeder Farbelektronenkanone die Phosphorpunke der richtigen Farbe trafen.

Moderne Fernseh- und Radioübertragungstechnologien verwenden weiterentwickelte Materialien auf Grundlage von Halbleitern, die weniger Energie benötigen.

Eine der weitverbreiteten Methoden zur Erzeugung eines Bilds der inneren Organe ist die Fluoroskopie. Eine Kathode gibt Elektronen ab, die auf eine solche Geschwindigkeit beschleunigt werden, dass sie, wenn sie auf eine Anode treffen, Röntgenstrahlen erzeugen, die weiches Gewebe des menschlichen Körpers durchdringen können. Röntgenbilder bieten Ärzten einzigartige Informationen über den Zustand von Knochen, Zähnen und einigen inneren Organen und können die Diagnose von Krankheiten wie zum Beispiel Lungenkrebs unterstützen.

Im Allgemeinen findet elektrischer Strom, der von der Bewegung von Elektronen in einem Vakuum erzeugt wird, eine großes Anwendungsgebiet. Vakuumröhren, Teilchenbeschleuniger, Massenspektrometer, Elektronenmikroskope, Vakuumgeneratoren hoher Frequenz wie Wanderfeldröhren, Klystrone und Hohlraummagnetrons sind nur einige Beispiele, wie wir diese Art elektrischen Strom nutzen. Magnetrons erhitzen unsere Lebensmittel in Mikrowellenherden.

Eine kürzlich entwickelte wertvolle Technologie für den Einsatz von elektrischem Strom im Vakuum ist die Dünnschichtablage im Vakuum. Diese Schichten haben eine dekorative oder schützende Funktion. Die bei dieser Technik verwendeten Materialien sind Metalle, ihre Legierungen und ihre Zusammensetzungen mit Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Diese Schichten ändern oder kombinieren die elektrischen, optischen, mechanischen, magnetischen, katalytischen und korrosionsbezogenen Eigenschaften der Oberfläche, die sie bewegen.

Um eine komplexe Zusammensetzung für die Schicht zu erhalten, wird die Technologie der Ionenstrahlablagerung verwendet. Beispiele dieser Technologie sind die Kathaphorese und seine gewerbliche Variante von Sputtern mittels Hochleistungsimpulsmagnetron. Letztendlich ist es der elektrische Strom, der die Schicht auf der Oberfläche dank der Ionen erzeugt.

Ionenstrahlsputtern erzeugt Schichten von Nitriden, Karbiden und Metalloxiden, die eine außergewöhnliche Reihe von mechanischen, thermophysischen und optischen Eigenschaften einschließlich Härte, Dauerhaftigkeit, Elektro- und Thermoleitfähigkeit und optische Dichte aufweisen. Es ist nicht möglich, diese Ergebnisse auf andere Weise zu erzielen.

Elektrischer Strom in Biologie und Medizin

Ein Verständnis von elektrischem Strom in biologischen Systemen bietet Medizinern und Biologen ein leistungsstarkes Hilfsmittel in der Forschung, in der Diagnostik und bei der Behandlung.

Aus der Sicht der Elektrochemie enthalten alle biologischen Objekte Elektrolyte, unabhängig von ihrer Struktur.

Bei der Überlegung, wie elektrischer Strom durch ein biologisches Objekt fließt, muss der Zustand der Zellen dieses Objekt berücksichtigt werden. In dieser Hinsicht ist die Zellmembran eine wichtige, zu beachtende Struktur. Es ist die äußere Schicht jeder Zelle, die die Zelle vor den negativen Auswirkungen der Umwelt schützt, indem sie eine selektive Durchlässigkeit für unterschiedliche Substanzen aufweist. Mit anderen Worten: Sie lässt einige Substanzen durch und andere nicht. Aus der physikalischen Sicht kann man diese Membran als Äquivalentkreis sehen, der aus einer parallelen Verbindung eines Kondensators mit mehreren Kreisen besteht, die in Reihe mit einer Stromquelle und einem Widerstand geschaltet sind. Dank dieser Struktur hängt die elektrische Leitfähigkeit des biologischen Objekts von der Frequenz und dem Typ der angelegten Spannung ab.

Biologisches Gewebe besteht aus Zellen, Extrazellularflüssigkeit, Blutgefäßen und Nervenzellen. Wird elektrischer Strom angesetzt, werden die Nervenzellen gereizt und senden Signale, die Muskeln und Blutgefäße zusammenzuziehen oder zu entspannen. Der Fluss elektrischen Stroms in biologischem Gewebe ist nicht linear.

Das klassische Beispiel der Wirkung elektrischen Stroms an einem biologischen Objekt ist die Experimentreihe des italienischen Physikers, Arztes und Biologen Luigi Galvani, der als einer der Väter der Elektrochemie gesehen wird. Bei diesen Experimenten legte er elektrischen Strom an die Nerven eines Froschbeins, was eine Kontraktion der Muskeln und die Bewegung des Beins verursachte. 1791 wurden seine Ergebnisse im Bericht zur elektrischen Kraft auf Muskelbewegung beschrieben. In Lehrbüchern wurde dieses von Galvani entdeckte Phänomen lange als Galvanismus bezeichnet und fällt heute unter den Begriff Elektrophysiologie. Selbst heute wird der Begriff noch gelegentlich für bestimmte Prozesse und Geräte verwendet.

Die Weiterentwicklung der Elektrophysiologie hängt eng mit der Neurophysiologie zusammen. 1875 zeigten der britische Arzt Richard Caton und der russische Arzt Vasily Danilewsky unabhängig voneinander, dass das Gehirn Elektrizität erzeugen kann. Mit anderen Worten entdeckten sie den Ionenstrom, der im Gehirn fließt.

Biologische Objekte können nicht nur Mikroströme, sondern auch erhebliche Spannungen und Stromstärken im Rahmen der alltäglichen Funktion erzeugen. Lange vor Galvanis Arbeit bewies der britische Biologe John Walsh die elektrische Charakteristik des Verteidigungssystems eines Zitterrochens. Der schottische Arzt und Physiologe John Hunter beschrieb den Mechanismus, anhand dessen ein Zitterrochen Elektrizität erzeugt, detailliert. Die Ergebnisse ihrer Forschungen wurden 1773 veröffentlicht.

Die moderne Medizin und Biologie verwenden andere Methoden zur Erforschung lebender Organismen. Dazu gehören sowohl invasive als auch nicht invasive Verfahren.

Ein klassisches Beispiel einer invasiven Methode ist die Studie von Ratten, die durch ein Labyrinth laufen oder Aufgaben ausführen, nachdem in ihrem Gehirn Elektroden implantiert wurden.

Nicht invasive Methoden sind Diagnoseverfahren wie die Elektroenzephalographie und die Elektrokardiographie. Bei diesen Verfahren werden Elektroden, mithilfe derer die elektrischen Ströme im Gehirn oder im Herzen beobachtet werden, verwendet, um Messungen über die Haut einer Person oder eines Tieres durchzuführen. Um den Kontakt mit den Elektroden zu verbessern wird eine salzhaltige Lösung auf die Haut aufgetragen, da sie ein gutes Elektrolyt ist und elektrischen Strom gut leitet.

Neben dem Einsatz des elektrischen Stroms in der Forschung und bei der Überwachung unterschiedlicher chemischer Prozesse und Reaktionen, gehört die Defibrillation zu den dramatischsten Anwendungsgebieten der Elektrizität. In Filmen wird dies gelegentlich als „Wiederbelebung“ eines nicht mehr arbeitenden Herzens gezeigt.

Tatsächlich kann ein kurzzeitiger Impuls von beträchtlichem Umfang manchmal (aber sehr selten) ein Herz wiederbeleben. Defibrillatoren werden jedoch eher dazu verwendet, Herzen mit Rhythmusstörungen zu normalisieren. Die chaotischen nicht rhythmischen Kontraktionen sind als Fibrillation der Herzkammern bekannt. Daher rührt der Name DEfibrillator für das Gerät, das den regulären Rhythmus des Herzens wiederherstellt. Moderne automatische externe Defibrillatoren erfassen die elektrische Aktivität des Herzens, bestimmen die Fibrillation der Herzkammern und berechnen dann auf Grundlage dieser Faktoren die benötigte Stromstärke für den Patienten. An vielen öffentlichen Orten befinden sich heute Defibrillatoren und Mediziner hoffen, dass diese Maßnahme viele Todesfälle aufgrund von Herzfehlfunktionen verhindert.

Sanitäter werden ausgebildet, den physiologischen Zustand des Herzmuskels anhand eines Elektrokardiogramms festzustellen und schnell Entscheidungen zur Behandlung zu treffen – sehr viel schneller, als die öffentlich verfügbaren automatisierten externen Defibrillatoren dies können.

Künstliche Herzschrittmacher steuern ebenfalls die Kontraktionen des Herzens elektrisch. Die Geräte werden unter die Haut oder unter den Brustmuskel des Patienten eingesetzt und senden Impulse von elektrischem Strom mit einer Spannung von etwa 3 V durch die Elektrode und zum Herzmuskel. Dies stimuliert einen normalen Herzrhythmus. Moderne Schrittmacher funktionieren 6–14 Jahre, bevor sie ersetzt werden müssen.

Eigenschaften elektrischen Stroms, seine Erzeugung und Nutzung

Elektrischer Strom wird durch seinen Stärke und seine Art charakterisiert. Abhängig von seinem Verhalten werden die Arten von elektrischem Strom in Gleichstrom (direct current, DC; ändert sich nicht mit der Zeit), unharmonischen Strom (ändert sich mit der Zeit zufallsbestimmt) und Wechselstrom (alternating current, AC; ändert sich mit der Zeit gemäß einem bestimmten Muster, im Allgemeinen durch ein periodisches Gesetz geregelt) unterteilt. Einige Anwendungsbereiche erfordern sowohl Gleich- als auch Wechselstrom. In diesem Fall sprechen wir von einem Wechselstrom mit Gleichstromkomponente.

Der erste triboelektrische Generator von elektrischem Strom, eine Wimshurst-Maschine, erzeugte diesen durch Reiben von Wolle auf einem Stück Bernstein. Fortschrittlichere Generatoren der gleichen Art werden nun Van-de-Graaff-Generatoren genannt, nach dem Erfinder der frühen Versionen dieser Maschinen.

Wie bereits erwähnt wurde ein elektrochemischer Generator von dem italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden. Dieser Generator wurde zu heutigen Trockenbatterien, wiederaufladbaren Batterien und Brennstoffzellen weiterentwickelt. Sie sind sehr komfortable Energiequellen für alle möglichen Geräte, von Uhren und Smartphones bis hin zu Autobatterien und Batterien für elektrische Fahrzeuge.

Neben den oben beschriebenen Gleichstromgeneratoren gibt es auch Generatoren, die die Kernspaltung von Isotopen nutzen und Atombatterie genannt werden, sowie magnetohydrodynamische Generatoren, die heute nur sehr begrenzt eingesetzt werden. Sie liefern unter anderem zu geringe Leistung und weisen technische Einschränkungen im Design auf. Nichtsdestotrotz werden Radionuklidgeneratoren in energieautonomen Systemen wie im Weltraum, in autonomen Unterwasserfahrzeugen und Sonarstationen, in Leuchttürmen, bei der Seezeichenbeleuchtung sowie in der Arktis und Antarktis eingesetzt.

In der Elektrotechnik werden Generatoren in Gleichstrom und in Wechselstrom erzeugende Generatoren unterteilt.

Alle diese Generatoren funktionieren dank der elektromagnetischen Induktion, die 1831 von Michael Faraday entdeckt wurde. Faraday baute den ersten Schwachstrom-Gleichpolgenerator, der Gleichstrom erzeugte. Hinsichtlich des ersten Generators für Wechselstrom ist überliefert, dass dieser Faraday 1832 in einem anonymen mit „P. M.“ unterzeichneten Brief beschrieben wurde. Nachdem Faraday diesen Brief veröffentlicht hatte, erhielt Faraday ein Jahr später einen weiteren, in dem ihm gedankt und Verbesserungen zum Aufbau vorgeschlagen wurden. Ein hinzuzufügender Stahlring sollte den Magnetfluss der magnetischen Pole der Spulen transportieren. Es ist nicht eindeutig geklärt, ob diese Geschichte wahr ist.

Zu der Zeit war das Einsatzgebiet für Wechselstrom noch nicht gefunden. Alle praktischen Anwendungen von Elektrizität erforderten Gleichstrom, so beispielsweise elektrischer Strom im Minenkrieg, in der Elektrochemie, in der gerade entwickelten Telegrafie und bei den ersten Elektromotoren. Daher haben sich viele Erfinder auf die Verbesserung der Generatoren für Gleichstrom konzentriert und entwickelten verschiedene Schaltanlagen hierzu.

Einer der ersten Generatoren, der praktischen Einsatz fand, war der magnetelektrische Generator von dem deutschen und russischen Wissenschaftler Moritz von Jacobi, der von 1835 bis 1874 in Russland arbeitete. Er wurde von den Marineeinheiten der russischen Armee verwendet, um die Zünder von Seeminen zu aktivieren. Verbesserte Generatoren dieser Art werden auch heute noch zum Zünden von Minen verwendet. Man sieht sie auch häufig in Historienkriegsfilmen, wo sie von Guerillakämpfern oder Saboteuren eingesetzt werden, um beispielsweise Brücken zu sprengen oder Züge entgleisen zu lassen.

Mit der Zeit wetteiferten führende Ingenieure, um die Gleich- und Wechselstromgeneratoren zu verbessern, mit der letztendlichen Pattsituation der zwei Giganten des neuen Felds der Elektrizitätserzeugung mit Thomas Edison von General Electric auf der einen und Nicola Tesla von Westinghouse auf der anderen Seite. Das größere Kapital gewann und Teslas Technologien zur Erzeugung, zum Transport und zur Umwandlung von Wechselstrom wurden zum Vermächtnis für die amerikanische Gesellschaft. Dies sorgte für ein bedeutendes Wachstum in der amerikanischen Wirtschaft und führte das Land an die Spitzenposition in der Welt.

Neben der Fähigkeit, für unterschiedliche Bedürfnisse Elektrizität zu erzeugen, die auf der Wandlung mechanischer Bewegung in Elektrizität aufgrund der Umkehrbarkeit der elektrischen Maschine beruhte, wurde eine andere Möglichkeit zur Rückumwandlung von elektrischem Strom in mechanische Bewegung umgesetzt. Dies wurde durch elektrische Motoren möglich, die mit Gleich- und Wechselstrom arbeiteten. Man könnte sagen, dass diese Maschinen zu den meistgenutzten Technologien gehören und sie umfassen Auto- und Motorradstarter, Triebwerke gewerblicher Maschinen und Maschinenwerkzeuge sowie Verbrauchergeräte und -elektronik. Wir verfügen über Fähigkeiten für verschiedene Aufgaben wie Schneiden, Bohren und Formen dank dieser Geräte. Wir verwenden optische Medien wie CDs und Festplatten in unseren Computern dank dieser Technologien. Ohne sie wäre die Schaffung kleinster Gleichstrom-Präzisionsmotoren nicht möglich gewesen.

Neben elektromechanischen Motoren, die wir gewohnt sind, funktionieren auch Ionendüsen dank elektrischen Stroms. Diese Motoren basieren auf dem Prinzip des Antriebs, indem beschleunigte Ionen einer bestimmten Substanz ausgestoßen werden. Sie werden derzeit in der Raumtechnologie für den Transport kleiner Satelliten in den Orbit genutzt. Es ist sehr wahrscheinlich, dass Technologien des 22. Jahrhunderts wie Photonen-Laser-Düsen, die derzeit noch in Entwicklung sind und die unsere Raumschiffe auf Geschwindigkeiten nahe Lichtgeschwindigkeit bringen, ebenfalls von elektrischem Strom abhängen.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Gleichstromgeneratoren besteht im Erzeugen von Kristallen für elektronische Komponenten. Dieser Prozess erfordert sehr stabile Generatoren von Gleichstrom. Solche Festkörper-Präzisionsgeneratoren für elektrischen Strom werden Stromstabilisatoren genannt.

Messen des elektrischen Stroms

Geräte zur Messung elektrischen Stroms wie Mikroamperemeter, Milliamperemeter und Amperemeter sind voneinander verschieden, abhängig von ihrer Struktur und den Messgrundsetzen, auf denen sie beruhen. Sie umfassen Gleichstromamperemeter, Niedrigfrequenz-Wechselstromamperemeter und Hochfrequenz-Wechselstromamperemeter.

Die Messmechanismen dieser Geräte können unterteilt werden in Drehspul-, Dreheisen-, Drehmagnet-, elektrodynamische, Induktions-, Hitzedraht- und digitale Amperemeter. Die meisten der analogen Amperemeter enthalten ein bewegliches oder ein stationäres Gehäuse mit gewickelter Spule und stationären oder beweglichen Magneten. Aufgrund dieser Struktur verfügt ein reguläres Amperemeter über einen Äquivalentkreis, der mit einem Induktor und einem Resistor sowie einem mit diesen parallel verbundenen Kondensator in Reihe geschaltet ist. Daher sind analoge Amperemeter nicht sensibel genug, um Strommessungen unter Hochfrequenzbedingungen durchzuführen.

Das Basismessgerät für ein Amperemeter besteht aus einem Miniaturgalvanometer. Der Messbereich wird durch Einsatz von zusätzlichen Nebenschlusswiderständen mit geringem Widerstand erzeugt. Dieser Widerstand ist geringer als der eines regulären Galvanometers. Auf diese Weise, mit der Nutzung eines Geräts als Basis, kann man verschiedene Messgeräte zur Messung von Strom unterschiedlicher Bereiche herstellen, einschließlich Mikroamperemeter, Milliamperemeter, Amperemeter und sogar Kiloamperemeter.

Im Allgemeinen ist bei elektrischen Messungen das Verhalten von Strom wichtig. Er kann als zeitabhängige Funktion gemessen werden und unterschiedlicher Art sein, beispielsweise konstant, harmonisch, unharmonisch, pulsierend usw. Seine Größe charakterisiert die Weise, wie elektronische Kreise und Geräte funktionieren. Die folgenden Werte für Strom wurden identifiziert:

• Augenblickswert,
• Spitze-Spitze-Wert (Spitze-Tal-Wert),
• Mittelwert,
• Effektivwert.

Momentan- oder Augenblicksstrom I_i ist der Wert der Stromstärke zu jedem Zeitpunkt. Er kann für jeden Zeitpunkt auf dem Bildschirm eines Oszilloskops abgelesen werden.

Die Spitze-Spitze-Amplitude I_m ist der größte Momentanwert von Strom für einen Zeitraum.

Der Stromwert der Effektivamplitude I ist die Quadratwurzel des arithmetischen Mittels des Augenblickswerts im Quadrat für den Zeitraum einer Wellenform.

Alle analogen Amperemeter werden in Effektivwert des Stroms eingeteilt

Der mittleren Wert des Stroms ist ein Mittel aller Werte des Augenblicksstroms für die Dauer der gemessenen Zeit.

Der Unterschied zwischen dem Höchst- und dem kleinsten Wert elektrischen Stroms wird Signalbereich genannt.

Heute werden in der Regel Vielfachmessgeräte und Oszilloskope genutzt, um elektrischen Strom zu messen. Beide Geräte liefern Informationen nicht nur über die Form des Stroms oder der Spannung, sondern auch anderen wichtigen Eigenschaften des Signals. Dazu gehört die Frequenz des periodischen Signals. Daher ist es wichtig zu wissen, für das Messen des elektrischen Stroms, die Frequenzgrenze der Messgeröte zu kennen.

Messen des elektrischen Stroms mit einem Oszilloskop

Illustrieren wir das obige anhand einer Serie mit Experimenten zur Messung der aktiven und der Spitzenwerte von Strom der sinusförmigen und dreieckigen Signale. Wir werden einen Signalgenerator, ein Oszilloskop und ein Vielfachmessgerät verwenden.

Der Aufbau von Experiment 1 ist unten dargestellt:

Der Signalgenerator FG ist mit der Ladung verbunden, die aus einem Vielfachmessgerät (Multimeter, MM) mit Nebenschlusswiderstand Rs und einem Lastwiderstand R in Reihe geschaltet besteht. Der Widerstand des Nebenschlusswiderstands R_s beträgt 100 Ω und der Widerstand des Lastwiderstands R beträgt 1 kΩ. Das Oszilloskop OS ist parallel mit dem Nebenschlusswiderstand R_s geschaltet. Der Wert eines Nebenschlusswiderstands wird gemäß der Bedingung R_s << R gewählt. Bei diesem Experiment müssen wir berücksichtigen, dass die Arbeitsfrequenz des Oszilloskops viel höher als die Arbeitsfrequenz des Vielfachmessgeräts ist.

Test 1

Legen wir ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 60 Hz und einer Amplitude von 9 V an den Lastwiderstand an. Moderne Oszilloskope verfügen über eine automatische Einstellungsfunktion, wodurch die Anzeige jedes gemessenen Signals ohne Beeinträchtigung anderer Steuerungseinstellungen möglich ist. Drücken wir den Knopf für die automatische Einstellung, um das Signal auf dem Bildschirm zu sehen, wie in Illustration 1. Der Umfang des Signals umfasst etwa fünf große Abschnitte mit jeweils einem Wert von 200 mV. Das Vielfachmessgerät zeigt den Wert der Stromstärke als 3,1 mA. Das Oszilloskop bestimmt die Effektivamplitude für den Widerstand U=312 mV. Die Effektivamplitude (quadratische Mittelwert, root mean square = RMS) für die Stromstärke des Widerstands R_s kann gemäß dem Ohmschen Gesetz ermittelt werden:

I_RMS = U_RMS/R = 0,31 V / 100 Ω = 3,1 mA,

was dem Wert des Vielfachmessgeräts von 3,1 mA entspricht. Beachten Sie: Der Umfang der Stromstärke durch den Kreis aus zwei Widerständen und einem Vielfachmessgerät in Reihe entspricht

I_P-P = U_P-P/R = 0,89 V / 100 Ω = 8,9 mA

Wir wissen, dass der Unterschied der Spitze und des tatsächlichen Werts für die elektrische Stromstärke und Spannung die Quadratwurzel beträgt. Wenn wir I_RMS = 3,1 mA mit √2 multiplizieren, erhalten wir 4,38. Verdoppeln wir diesen Wert, erhalten wir 8,8 mА, was sehr nahe dem Wert ist, der mit dem Oszilloskop gemessen wurde (8,9 mА).

Test 2

Verringern wir nun das erzeugte Signal um die Hälfte. Der Umfang des Signals auf dem Oszilloskop wird auch um etwa die Hälfte reduziert (463 mV); das Vielfachmessgerät wird ebenfalls einen Wert zeigen, der ungefähr der Hälfte, 1,55 mA, entspricht. Ermitteln wir den Wert der aktiven Stromstärke auf dem Oszilloskop:

I_RMS = U_RMS/R = 0,152 V / 100 Ω = 1,52 mA,

was in etwa der gleiche Wert ist, den das Vielfachmessgerät anzeigt (1,55 mA).

Test 3

Erhöhen wir nun die Frequenz des Generators auf 10 kHz. Das Bild auf dem Oszilloskop wird sich ändern, aber der Umfang des Signals wird gleich bleiben. Der Wert auf dem Vielfachmessgerät wird aufgrund der Frequenzbreite auf dem Vielfachmessgerät kleiner werden.

Test 4

Verwenden wir wieder die ursprüngliche Frequenz von 60 Hz und die Spannung von 9 V. Ändern wir nun aber die Form des Signals beim Generator von sinusförmig nach dreieckig. Der Umfang des Signals beim Oszilloskop bleibt gleich, aber der Wert auf dem Vielfachmessgerät verringert sich im Vergleich zum Wert der Stromstärke, der bei Test 1 angezeigt wurde. Das liegt daran, dass der Effektivwert der Stromstärke sich geändert hat. Das Oszilloskop zeigt einen geringeren Wert für die Effektivspannung, wie sie sich am Widerstand R_s=100 Ω messen lässt.

Sicherheitsvorkehrungen beim Messen elektrischer Stromstärke und Spannung

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• Wenn man Stromstärke und Spannung misst, muss man bedenken, dass bereits relativ geringe Spannung wie 12–36 V gefährlich oder lebensbedrohlich sein kann, je nachdem wie sicher ein Gebäude ist. Daher ist es unumgänglich, Sicherheitsvorkehrungen zu befolgen.
• Messen Sie nicht die Stromstärke, wenn die Messung spezielle Kenntnisse erfordert (beispielsweise Messen der Stromstärke in Schaltkreisen, bei denen die Spannung über 1000 V beträgt).
• Messen Sie nicht die Stromstärke in schwer zu erreichenden oder an erhöhten Orten.
• Beim Messen von Stromstärken im Verteilernetzwerk für Wohngebiete sollte Schutzausrüstung wie Gummihandschuhe, -matten oder -stiefel verwendet werden.
• Verwenden Sie keine beschädigten oder nicht funktionstüchtigen Messgeräte.
• Bei der Verwendung von Vielfachmessgeräten stellen Sie sicher, dass die Messparameter und der richtige Messumfang eingestellt sind.
• Verwenden Sie keine Messgeräte mit defekten Messsensoren.
• Folgen Sie sorgfältig den Anweisungen des Herstellers für die Nutzung des Messgeräts.

Dieser Artikel wurde von Sergey Akishkin verfasst.

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