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Nutzung der Elektrizität Stromkreis, elektrische Spannung und elektrischer Strom
Grundlage der Nutzung der Elektrizität ist der Stromkreis: Eine Stromquelle wird durch Drähte mit verschiedenen Bauelementen verbunden. Der Strom fließt dann von der Stromquelle durch die Bauelemente und wieder zurück zur Stromquelle.
Dies passiert dadurch, dass die Stromquelle eine elektrische Spannung zwischen ihren Polen aufbaut, d.h. einen elektrischen Potentialunterschied. Sie gibt an, wie viel Arbeit nötig ist um ein Objekt mit einer bestimmten Ladung entgegen der Kraft des elektrischen Feldes vom einen Pol zum anderen zu bewegen bzw. wie viel Energie frei wird wenn sich die Ladung wieder zurück bewegt. Negativ geladene Objekte bewegen sich einer positiven Spannung entgegen, während sich positiv geladene Objekte in der Richtung der Spannung bewegen.
Die Einheit der elektrischen Spannung (Formelzeichen: U, u) ist das Volt (Einheitenzeichen V), benannt nach Alessandro Volta. Ein Volt ist definiert als Energieumsatz von einem Joule bei der Verschiebung von einem Coulomb (Amperesekunde). Um die Spannung zu messen, verwendet man ein Spannungsmessgerät, ugs. Voltmeter, und um einen Spannungsverlauf aufzuzeichnen ein Oszilloskop.
Wenn zwischen zwei Punkten eine elektrische Spannung herrscht, dann existiert stets auch ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf Ladungsträger bewirkt. Sind die Ladungsträger frei beweglich, wie z.B. in einem elektrischen Leiter, so bewirkt eine Spannung, dass die Ladungsträger beschleunigt werden - ein elektrischer Strom beginnt zu fließen.
Die Elektronen im Leiter sind aber (außer im Supraleiter) nicht völlig frei, sondern geben wieder Energie an den Leiter ab, der sich dadurch erwärmt. Die Stärke dieser "Abbremsung" nennt man elektrischen Widerstand. Aufgrund des elektrischen Widerstands erreicht der Strom einen konstanten, von der Spannung abhängigen Wert. Siehe auch Ohmsches Gesetz.
Man kann dies mit einem Wasserlauf vergleichen. Zwischen der Quelle des Wassers auf einem Berg (Punkt mit höherem Potential) und der Mündung im Meer (Punkt mit niedrigerem Potential) gibt es einen Höhenunterschied (Potentialunterschied, Spannung). Das Wasser fließt vom Berg zum Meer. Ebenso fließen im Leiter die Ladungsträger, die den elektrischen Strom bilden, vom Punkt mit dem höheren Potential zum Punkt mit dem niedrigeren Potential. Der Widerstand entspricht in diesem Bild der Reibung des Wassers im Fluss. Der Stromquelle entspricht z.B. eine Pumpe, die das Wasser vom Meer wieder auf den Berg pumpt (im natürlichen Wasserkreislauf erfüllen die Sonnenwärme und die Atmosphäre diese Aufgabe).
Der Unterschied ist aber, dass elektrische Ladungen ein Vorzeichen haben. So ist für positive Ladungen der "Berg" durch das höhere Potential, für negative Ladungen (wie den Elektronen in metallischen Leitern) durch das niedrigere Potential gegeben. Positive und negative Ladungsträger fließen also in unterschiedliche Richtung.
In der Elektrotechnik unterscheidet man Stromquellen, bei denen der Strom konstant gehalten wird, und Spannungsquellen, die die Spannung konstant halten.