Das Ohmsche Gesetz
Die folgenden Ausführungen gelten für metallische Leiter
Im Abschnitt Der Gleichstromkreis haben Sie gesehen, dass ein elektrischer Strom durch die Bewegung von elektrischer Ladung hervorgerufen wird. Vielleicht stellen Sie sich nun die Frage: Warum bewegen sich die Elektronen? Bei genauerer Betrachtung kann eine Bewegung nur dann erfolgen, wenn eine äußere Kraft auf einen Körper einwirkt. Im physikalischen Sinne ist eine Kraft eine gerichtete Größe, d.h. sie wirkt in eine bestimmte Richtung. Über den Generator aus Der Gleichstromkreis wurde gesagt, dass sein Minuspol bestrebt ist, Elektronen, die ebenfalls negativ geladen sind, abzustoßen. Darüber hinaus zieht der Pluspol demnach die Elektronen an. Es wirken demnach zwei Kräfte:
- die Abstoßungskraft des Minuspols
- und die Anziehungskraft des Pluspols.
Diese Kräfte, also die Abstoßung der Elektronen durch den Minuspol und ihre Anziehung durch den Pluspol , bezeichnet man in der Elektrotechnik als elektrische Spannung. Diese wird vom Generator verursacht und bei Gleichspannung mit dem Großbuchstaben U und bei Wechselspannung mit dem Kleinbuchstaben u gekennzeichnet wird. Sie kann aber nur dann wirken, wenn ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist.
Georg Simon Ohm (1789 - 1854) war ein deutscher Physiker. Er erkannte, dass sich die Stromstärke proportional zur treibenden Spannung verhält. Die Größe des elektrischen Stroms ist aber nicht nur von der Stärke der anliegenden Spannung abhängig, sondern auch vom Widerstand der elektrischen Leiter. Da der Wert des Widerstands bei konstanter Temperatur aber konstant ist, war somit auch die Größe gefunden, die die Verbindung zwischen der Spannung und dem Strom herstellt: der elektrische Widerstand. Dieser wird mit dem Großbuchstaben R bezeichnet, was vom englischen Resistor abgeleitet ist.
Die Formel zur Berechnung der elektrischen Spannung lautet demnach
Durch einfaches Umstellen von Formel 5 lassen sich sehr einfach der elektrische Strom bzw. der elektrische Widerstand berechnen. Die Formeln 6 und 7 zeigen das Ergebnis. Natürlich müssen immer zwei der drei Größen bekannt sein!
Der Vollständigkeit halber müssen natürlich noch die Einheiten, in denen die Größen gemessen werden, hinzugefügt werden.
Leitwert
Der elektrische Widerstand behindert den elektronischen Stromfluss. Dies ist vergleichbar mit einem Einkaufsbummel in einer Innenstadt, wo viele Menschen scheinbar gleichzeitig auf die Idee gekommen sind, einkaufen zu gehen. Den negativ vorbelasteten Begriff 'Widerstand' kann man aber auch positiver umschreiben, nämlich durch den Begriff Leitwert. Der Leitwert eines elektrischen Leiters beschreibt seine Eigenschaft, elektrischen Strom leiten zu können. Leiter, die elektrischen Strom schlecht leiten, werden daher häufig auch als Isolatoren bezeichnet. Gute Leiter, wie Kupfer, oder gar Supraleiter leiten elektrischen Strom hingegen gut bis sehr gut. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der Leitwert sich umgekehrt proportional zum Widerstand verhält:
- Gut leitende Elemente haben einen hohen Leitwert und daher einen geringen Widerstand.
- Schlecht leitende Elemente haben einen niedrigen Leitwert und somit einen hohen Widerstand.