Elektrizität, Spannung, Stromstärke, Messgerät und Co.

Ladung, Spannung, Stromstärke und Co.
Ein Versuch, die wichtigsten Fakten zum Verständnis der elektrischen Anlage unserer Motorräder
halbwegs verständlich zu erklären.
Leider viel länger geworden als gedacht, ihr müsst schon etwas Ausdauer mitbringen

Inhalt:
- Vorbemerkung
- Die Probleme am Anfang:
---- positive und negative Ladung, Spannung
---- Das Wassermodell, Stromstärke
---- Widerstand und Ohmsches Gesetz
-----Wovon hängt der Widerstand eines Drahtes ab?
----------Einschub: Vorteile der Verwendung von Zahlen in den Naturwisschenschften

Anwendung: Drähte und Stecker am Motorrad

Wir kommen in Bewegung:
-----Kraft, Arbeit , Energie, Leistung
-----Elektrische Energie und Leistung
-----Die elktrische Spannung Oder:
---------der Zusammenhang zwischen mechanischen und elektrischen Größen

Anwendungen:
------Berechnung der Stromstärke der Geräte
-----"Anlasser macht nur noch "Klack, Klack!"
Einschub: physikalische Kenngrößen einer Batterie, Kaufberatung
----- Kurzschluss und Sicherungen

DIE Sensation: Strom hat eine MAGNETISCHE WIRKUNG
-------Oerstedts Entdeckung und die Folgen
-------Probemagnete und Feldstärke,
-------Struktur des Feldes, Das Feldlinienmodell
-------Elektromagnet und Aufbau eines Relais
-------die Pferde werden gewechselt, die Nachricht reist weiter!

Vorbemerkung:
Hallo, bei einem Thread über Starterkondensatoren im Automobilbau wurde mir (mal wieder) klar, dass es erhebliche Probleme gibt, die Phänomene der Elektrizität zu verstehen und sich darüber zu verständigen. ("Guck doch mal ob da überhaupt ein Signal ankommt! " " Häää???") Da immer wieder Probleme an der elektrischen Anlage auftreten, scheint es sinnvoll, das ganze Feld mal etwas gründlicher zu beackern. Ein Ziel soll sein, auch den ansonsten naturwissenschaftlich Unbeleckten in die Lage zu versetzen, sinnvoll Messungen und einfache Wartungsarbeiten an seinem Motorrad zu verrichten, damit ihm hier im Forum besser geholfen werden kann.

Andererseits will ich versuchen, die Dinge richtig darzustellen, und dabei lässt es sich nicht vermeiden, die verschiedenen Begriffe, die zum Beschreiben der Dinge verwendet werden, genau und richtig zu erklären, und das ist nicht mal eben so in 30 Minuten zu machen. Etwas Geduld für den Anfänger ist also nötig, immerhin haben die Naturwissenschaftler nach Newton noch über 100 Jahre gebraucht, um die elektro-magnetische Energie wenigstens handhabbar zu machen, ohne überhaupt zu wissen, womit sie es da eigentlich zu tun hatten. Wenn man tiefer in das Wesen der Materie eindringt, so stößt man auf eine völlig andere Welt, die mit unseren normalen Vorstellungen nicht mehr zu vereinbaren ist. Die Physiker sahen sich innerhalb der letzen 200 Jahre mehrmals gezwungen, völlig neue Vorstellungen zu entwickeln, weil die alten mit ihren experimentellen Befunden im Widerspruch standen.
Also noch einmal: Geduld!

Die Probleme am Anfang:
Ladung, Stromstärke, Spannung
Wassermodell und Ohm'sches Gesetz

Im 18. Jhdt. wurde Elektrizität im Wesentlichen zur Unterhaltung des wohlhabenden Publikums genutzt, hübsche junge Frauen schwebten auf Schaukeln mit seidenen Bändern, wurden mit Hilfe von mit Bernstein (griech. Elektron) besetzten Rädern "elektisiert" und zogen jungen Männern mit gepuderten Perücken, Stöckelschuhen und Pieksedegen Funken aus der Nase -- HUUCH wie AUFregend. Noch heute gehören diese Versuche der sogenannten Elektostatik (die elektrischen Ladung sind statisch, d.h. bewegen sich meistens nicht) zu den Höhepunkten des Physikunterrichtes, allerdings bei den Lehrern auch zu den gefürchteten: je nach Luftfeuchtigkeit gehen die Versuche auch mal völlig daneben. Die Versuche waren auch damals nicht zuverlässig reproduzierbar, man stocherte mit langen Stangen im Nebel und hatte überhaupt keine Ahnung, worum es sich handelte. Entsprechend unpräzise und uneinheitlich waren die benutzten Begriffe und Vorstellungen auch bei denen, die sich mit ernsthaftem wissenschaftlichen Interesse um Erkenntnisse bemühten.

Einfacher Versuch zu Hause: Nimm eine Klarsichthülle und lege sie auf einen Tisch mit glatter Plastikoberfläche, streiche sie mit einem trockenen Tuch fest auf die Platte und ziehe sie dann ab. Bringe ein paar Watte-Flöckchen in die Nähe, halte die Folie in die Nähe der kleinen Häärchen am Unterarm oder aber über frisch gewaschene Haare.

Im Laufe der Zeit fand man dann heraus, dass es zwei unterschiedliche Arten von Elektrizität gab, die sich gegenseitig auch auslöschen können (das ist schon ungenau, sie scheinen sich nur auszulöschen, tatsächlich heben sie sich nur in ihrer Wirkung auf - aber wer kommt schon auf so etwas?), und die auftraten, wenn unterschiedliche Materialien miteinander in engen Kontakt kamen und dann wieder getrennt wurden. Dafür kamen nur bestimmte Materialien in Frage, wie Bernstein, Gummi, u.ä., also solche, die wir heute als Isolatoren bezeichnen. Man wusste auch, dass die so entstehenden Ladungen von anderen Materialien wie Metallen weitergeleitet werden konnten ([b]Leiter[/b]). Problematisch war insbesondere aber die Tatsache, dass manche Materialien mal gut isolierten, abends aber verschwanden die Ladungen wie von Zauberhand (heute wissen wir: die Luftfeuchtigkeit spielt hier die störende Rolle).
Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass es sich nicht nur um Zustände handelte, die da waren oder eben nicht, sondern dass die Elektrizität einen Mengencharakter hatte, man also Körper beladen konnte wie ein Schiff mit Fracht, so setzten sich diese Begriffe langsam durch, und da man sie schön aufaddieren bzw. auch wegnehmen konnte, lag die Bezeichnung positive / negative Ladungen nahe, wobei es eine willkürliche Festlegung war, welche Art wie bezeichnet wurde (ähnlich wie bei den Magnetpolen). Der Mengencharakter führte zu dem Formelbuchstaben für die Ladung: Das Q erinnert an lat. quantitas : Menge.

Alle diese Erkenntnisse beruhten auf der Kraftwirkung:
gleichartige Ladungen stoßen sich ab,
ungleicheartige Ladungen ziehen sich an.
Erst 1913 (!) legte Niels Bohr eine einigermaßen brauchbare Modellvorstellung vor, die in der Lage war, die wesentlichen Phänomene zu erklären (wenn auch schon damals bestimmte Widersprüche blieben): sein berühmtes Atommodell.
Das ist inzwischen sehr weit bekannt, weil ziemlich anschaulich: die Materie besteht aus Atomen, die damals als unteilbar gedacht wurden (nur 20 Jahre später wusste man, dass man sie doch zerteilen kann), in der Mitte ein schwerer Kern, der praktisch die gesamte Masse des Atoms enthält, er besteht aus positiv geladenen Protonen und ungefähr gleich vielen Neutronen, die keine Ladung tragen. Außen drum herum kreisen winzig kleine Teilchen. Im Kern ist die ganze positive Ladung enthalten, außen die kleinen Teilchen, genannt Elektronen, tragen die negativen Ladungen. Normalerweise gleichen sich in den Körpern die positiven und negativen Ladungen grade aus, so dass sie nach außen hin neutral / ungeladen erscheinen.
Durch enge Berührung gehen aus den Atomen an der Oberfläche einige Elektronen "auf Wanderschaft", sie dringen in die Atome der anderen Oberfläche ein (warum, würde hier zu weit führen, ist ziemlich kompliziert und wurde erst wesentlich später verstanden). Wenn nun die Oberflächen getrennt werden, bleiben sie auf der Oberfläche des einen Materials zurück, die Oberfläche hat also negative Überschussladungen, auf der Oberfläche des andren Materials fehlen sie, dort überwiegt also die Wirkung der positiven Ladungen in den Atomkernen, die Oberfläche wirkt nach außen wie positiv geladen, es fehlen in Wirklichkeit aber nur ein paar Elektronen.
Elektronenüberschuss: negativ geladen
Elektronenmangel: positiv geladen

Relativ früh (Alessandro Volta vor 1800) war auch klar, dass die Stärke der elektrischen Kräfte von der auf z.B. einer Kugel aufgebrachten Ladungsmenge abhängt, Volta benutzte für den so erzeugte Zustand den Begriff Spannung und erkannte einen proportionalen Zusammenhang: doppelte Ladung, doppelte Spannung, er erfand auch ein Messgerät dafür, das Elektroskop. Und diese Gesetzmäßigkeit gilt umgekehrt ebenso und auch heute für die modernen Kondensatoren, die nichts andres sind als Speicher für elektrische Ladung: legt man eine doppelt so hohe Spannung an, dann wird eine doppelt so große Ladungsmenge gespeichert.

Wassermodell und geschlossener Stromkreis

Modellvorstellungen dienen unter Anderem dazu, sich komplizierte Dinge vereinfacht vorzustellen, aber sie haben natürlich Grenzen, über die man sich immer klar sein muss, und dafür wiederum muss man sich genau über die Voraussetzungen im klaren sein, die man in diese Modelle steckt. Merke:
JEDES Modell hat Grenzen, das perfekte Modell der Wirklichkeit wäre ja die Wirklichkeit selber!
Im Wassermodell sollen einige Zusammenhänge beim eletrischen Stromkreis anschaulich werden.Bisher kennen wir die Begriffe Ladung und Spannung: zwischen Ladungen herrscht eine Spannung, und dies hat eine Kraftwirkung zur Folge. Bisher waren für uns diese Ladungen AUF den Körpern, konnten von dort abgenommen und transportiert werden. Es dauerte einige Zeit, bis man begriff, dass sich die Ladungen auch INNERHALB von bestimmten Materialien bewegen können, bei uns sind das meistens Drähte aus Kupfer.
Und es dauerte bis ca 1800, bis der Herr Volta, der uns oben schon mal begegnet ist, eine Anordnung von Kupfer, Zink und mit Säure getränkten Textilien dazwischen entwickelte, die an dem einen Ende einen Elektronen-Überschuss (heute Minus -Pol genannt) und auf der anderen Seite einen Elektronen-Mangel (Plus-Pol) erzeugte, ein solches Element nennt man eine Zelle. Wenn man die beiden Seiten (Pole) durch einen Leiter miteinander verband, konnte man bestimmte Wirkungen beobachten, z.B. eine Erwärmung des Drahtes oder auch chemische Wirkungen. Indem man mehrere solcher Zellen leitend so verband, so dass immer Plus-Pol mit dem Minus-Pol der nächsten Zelle verbunden war (Serienschaltung), konnte man mit meterhohen Türmen (Voltasche Säule) durchaus hohe Spannungen erhalten, die genügten, um auch Kräftewirkungen zwischen Kugeln zu beobachten, die man vorher mit dem einen oder anderen Pol verbunden hatte. In welche Richtung da gepumpt wird (von + nach + oder entgegengesetzt, war zunächst ohne Bedeutung, aber wir werden noch darauf zurück kommen müssen.
Der große Fortschritt war, dass jetzt zwar die Spannungen bei weitem geringer waren, aber die Ladungsmengen um Größenordnungen größer und vor Allem auch für längere Zeit und sicherer reproduzierbar waren.
Es war also klar, dass die chemischen Prozesse und die Prozesse der Elektrostatik nur verschiedene Wirkungen ein und desselben physikalischen Phänomens waren. (Dass auch der Blitz dazugehört, war überhaupt noch nicht klar! Es war ebenfalls völlig unbekannt, dass es auch eine magnetische Wirkung gibt, Magnetismus war ein völlig anderes Gebiet).

Man konnte sich allerdings überhaupt nicht vorstellen, wie die Stromleitung innerhalb der Leiter funktionieren sollte, schließlich waren die Kupferdrähte ja aus massivem Material, wie sollte sich da etwas hindurch bewegen. Aber mit Vorstellungen, dass sich nicht Materie, sondern nur immaterielle Erregungszustände forpflanzten und ähnliche Deutungsversuche führten zu noch schlimmeren Widersprüchen, so dass man mehr und mehr das Bild akzeptierte, als ob sich die Ladungen durch die Drähte bewegten wie Wasser durch eine Leitung. Wie gesagt: ohne zu wissen, was sich da bewegte und wie das eigentlich gehen konnte.
Es war auch nicht klar, ob es sich um einzelne Teilchen handelte (die Existenz von Elektronen war noch bis ins 20 Jahrhundert n umstritten), man stellte sich eher eine geheinisvolle Flüssigkeit vor, ein Fluidum. Nun, wir wissen es heute besser, aber es wird dadurch nicht einfacher. Sich auf die Vorstellung einzulassen, dass die Kupferdrähte zum aller-aller-allergrößten Teil aus leerem Raum bestehen, in dem die irrsinnig vielen Teilchen nur aufgrund von elektischen Kräften auf ihren Bahnen gehalten werden bzw. sich vorwärts bewegen, ist gaaanz weit von unserer Alltagserfahrung entfernt. Genau deswegen ist das Wassermodell so hilfreich.

Voraussetzungen des Wassermodells:
1. Es wird keine Ladung erzeugt oder vernichtet, sondern es werden nur vorhandene Ladungen bewegt. (Nach heutigem Wissen: die Atomkerne bleiben an ihrem Ort, sie können nur hin und her schwingen um eine Ruhelage herum, nur einige wenige von all den Elektronen sind beweglich und fliegen mehr oder weniger frei im leeren Raum herum, die meisten sind an „ihren“ Atomkern gebunden.)
2. Das Fluidum ist NICHT KOMPRIMIERBAR! (Die mittleren Abstände dieser freien Elektronen bleiben gleich, weil die Abstoßungskräfte zwischen ihnen im Vergleich zu den Antriebskräften im Stromkreis sehr sehr groß sind. Das Verhalten ist also wie eine Flüssigkeit.)
3. Die Flüssigkeit kann nicht aus den "Rohren" austreten. Wenn man ein Kabel durchtrennt, ist das so, als würden ein Rohr im Wassermodell SOFORT ohne jeden Verlust an den Enden verklebt!

Mit diesen Voraussetzungen kann man nun bestimmte Größen aus dem Modell den elektrischen Phänomenen zuordnen:

Wassermodell....................................Elektrischer Stomkreis

Wasser.............................................elektrische negative Ladung (Elektronen)
Rohr.................................................Draht, el. Leiter
Pumpstation......................................Batterie, Generator, Lichtmaschine
Turbine.............................................Elektromotor
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
DruckDIFFERENZ zwischen
den Pumpenanschlüssen....................Elektische SPANNUNG
Wassermenge pro Sekunde ................Elektrische STOMSTÄRKE, Ladung pro Zeit
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Benzinvorrat f. Pumpenmotor.............(chemisch gespeicherte) Energie des Akkus

Einige Bemerkungen dazu:
In welche Richtung da gepumpt wird (von + nach - oder entgegengesetzt), war für uns im Moment noch ohne Bedeutung, aber wir werden noch darauf zurück kommen müssen.

DIFFERENZ ist extra betont: Welcher absolute Druck herrscht, ist unwichtig, man kann ja wie bei der Zentralheizung einen Ausgleichsbehälter vorsehen, das ganze System steht da unter Druck; ob 2 oder 3 bar, ist ziemlich egal solange nichts platzt.
(Für die, dies genau nachlesen wollen: dem absolute Druck im Wassermodell entspricht das elektrische Potential, die Spannung ist entsprechend die Potentialdifferenz.)

Für die Batterie / Akuu werden oft die Begriffe SpannungsQUELLE oder StromQUELLE verwendet, nach dem oben gesagten eine mehr als unglückliche Namensgebung!! Da quillt nichts, sondern es werden die Ladungen / Elektronen umgepumpt, und da das nicht von selber geht, braucht man Energie. Bei der Batterie handelt sich um einen Energiespeicher, beim Aufladen wird Energie chemisch gebunden und beim Einschalten des Stroms dann in elektrische Energie umgewandelt und in den Geräten dann wider z.B. in mechanische Arbeit, Wärnmeenegie oder elektromagnetische Strahlungsenergie (Licht, Mikrowelle). Bei Generatoren / Lichtmaschinen wird mechanische Energie in elktrische Energie umgesetzt, die dann den Stromkreis antreibt.

Zwischenbemerkung weils hier schon mal gut hinpasst:
Lange Zeit hat man gebraucht, bis man erkannte, dass auch Wärme eine Form der Energie ist. Wenn man sie mit einbezieht, dann gilt ein strenger

ERHALTUNGSSATZ: Energie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden, sondern nur in verschiedene Formen umgewandelt werden.
Am Ende einer solchen Kette von Unmwandlungen steht immer Wärmeenergie, die dann nicht mehr nutzbar ist.
(ACHTUNG! Wenn im normalen Leben von Energie die Rede ist, dann ist damit fast immer die NUTZBARE Energie gemeint, die man also z.B. in elektro-magnetische umwandeln kann.) Aus dem Grund ist die Bezeichnung Stromverbrauch oder Energieverbrauch für den Physiker ein Gräuel, es wird nichts verbraucht, sondern umgewandelt von einer nutzbaren in eine schlechter oder gar nicht mehr weiter nutzbare Energieform.

DER GESCHLOSSENE STROMKREIS
Es leuchtet bei diesen Voraussetzungen ein, dass es sich um einen KREISLAUF handeln muss, denn die Elektronen können ja nirgends hin, es ist wie ein Zug, der immer im Kreis fährt und das Ende des letzten Waggons ist wieder vorn an der Lok angekuppelt. Also muss es eine Leitung/ Verbindug / Kabel hin zum Verbraucher und eine Verbindung zurück geben , und nur wenn diese verbindung geschlossen ist, kann der Strom fließen.

Ingeneure sind sparsam: da bei Fahrrädern die Rahmen aus Eisen, also einem gut leitendem Material bestanden, wurden die ersten elektrischen Beleuchtungen so gebaut, dass der Strom hin durch ein Kabel und zurück durch den Rahmen floss, und so macht man es auch heute noch im Auto und beim Motorrad. Rahmen / Motor / Karosserie, Metallgehäuse von Geräten usw. werden üblicher weise mit mit dem Minus-Pol der Batterie verbunden. das nennt man auch den Masseanschluss oder einfach die Masse oder sagt, der zweite Anschluss ist "auf Masse gelegt". Bei der Eisenbahn sind die 'Schienen der "Rückweg" für den Strom. Das dicke Kabel von der Batterie zum Motor bzw. zum Rahmen heißt dann Massekabel, der Anschluss an den Geräten auch Massverbindung. Geräte (z.B. der Anlasser) sind offt schon mit ihren Befestigungsschrauben leitend mit der Masse verbunden, da sucht man dann umsonst nach einem 2. Kabel!

Messung von Spannung und Stromstärke
Die SPANNUNG / Druckdifferenz
herrscht ZWISCHEN den beiden Anschlüssen des Akkus bzw. der Geräte. Ohne Druckdifferenz keine Bewegung des Wassers, ohne Spannung kein Strom. DESWEGEN ist immer die erste Prüfmaßnahme, ob an der Batterie Spannung da ist und ob sie am Gerät auch noch da ist ("anliegt") oder vielleicht die Leitung unterbrochen ist. Das Messgerät hat entsprechend auch zwei Anschlüsse, ROT für PLUS (Symbol "+") und SCHWARZ für MINUS (Symbol "-").

Die MAßEINHEIT die Spannung ist 1 Volt, abgekürzt 1 V.
Größenordnungen: Nervenzellen, einige tausendstel Volt / milliVolt / mV; Taschenlampe: 3..6 V; Telefon ca. 40-60V;
Blitze bis Millionen Volt

Bei Wechselstrom ändert der Strom ständig seine Richtung (im Stromnetz 50 mal pro Sekunde), damit haben wir es aber bei unseren Motorrädern nur innerhalb der Lichtmaschine zu tun, das lasse ich hier einfach weg, weil kompliziert und für uns uninteressant. : Steckdose ca 230V, Stromleitung der Bundesbahn 16 000 Volt / 16 kV, Fernleitungen 100 ... 300 kV

Achtung LEBENSGEFAHR ab ca 60 V !
(Die Abkürzungsbuchstaben m Milli, k kilo usw. haben sich zur Vereinfachung in der Technik so eingebürgert, ich liefere eine Liste nach, oder hat jemand einen guten Link?)

Beim Motorrad haben wir es mit einer Batterie und einer Lichtmaschine zu tun, die nominal 12 Volt haben / liefern, in Wirklichkeit aber liegen die Spannungen höher, ca 13,5 V. bei laufendem Motor.

Unsere MESSGERÄTE sind Vielfuntionsgeräte (Multimeter), die völlig unterschiedliche Dinge messen können, wir müssen deshalb erst mal den richtigen Messbereich einstellen, für unsere Spannungsmessung also auf 20 V oder 50V, jedenfalls höher als die erwarteten 13,5 Volt! Und dann nehmen wir am besten ein Kabel mit Krokodilklemmen am Ende und verbinden den Minus - Anschluss des Messgerätes mit einen Punkt am Rahmen oder Motor, der sicher fest mit dem Minus -Pol der Batterie verbunden ist, die so genannte Masse der elektrischen Anlage. Das andere Ende halten wir dann an die zu prüfenden Anschlüsse. Bei dicken Kabeln kann man auch einfach mit der Prüf-Spitze einstechen. Oft genügt zur Spannungsprüfung auch nur ein kleines Prüflämpchen. Man lötet sich einfach an ein kleines Lämpchen (z.B. für die Tachobeleuchtung) zwei nicht zu kurze Kabel, eins davon mit krokodilklemme, mit Tesaband isolieren, reicht für unterwegs in 95% der Fälle.

Wenn alles ausgeschaltet ist, sollte die Batterie mindestens 12, 5 V zeigen, sonst muss nachgeladen werden oder sie ist defekt. Das gleiche gilt auch für die Anschlüsse an den Geräten. Wenn da ein anderer Wert als an der Batterie angezeigt wird, dann ist evtl. an der Leitung etwas faul.
Hinweis: der folgende Link kann helfen, sich einiges besser vorzustellen. Allerdings taucht auch hier der Begriff Spannungsquelle auf. Gut die Darstellung der Hintereinanderschaltung (Serienschaltung) der Zellen.
Und der Warnhinweis im ersten Bild ist UNBEDINGT zu beachten!
<!-- m --><a class="postlink" href="http://www.swm.de/dms/swm/multimedia/lernspiele/lernspiel-spannung.swf" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.swm.de/dms/swm/multimedia/le ... annung.swf</a><!-- m -->

ÜBUNG: Nimm das Messgerät und miss die Spannung der Batterie ohne und mit eingeschaltetem Licht.

Die STROMSTÄRKE beschreibt, wie viel Ladung / Wasser in einer Sekunde durch das Kabel / die Leitung fließen. Wenn ich die Wasserstromstärke in einer Leitung wissen will, muss ich die Leitung aufsägen, eine Wasseruhr in die Leitung einbauen, dann die Zeit messen und die abgelesene Wassermenge durch die Zeit dividieren. Entsprechend auch beim elektrischen Strom.
Zwischen Batterie und den Verbraucher wird IN eine der LEITUNGEN das Messgerät eingebaut, allerdings misst dieses nicht die Ladung sondern reagiert direkt auf die Stärke des Stroms, so dass die Zeitmessung entfallen kann und wir die Stromstärke direkt ablesen können. (Diese Wirkung ist am präzisesten zu messen, deshalb wird die Stromstärke heute als Grundgröße verwendet; früher benutzte die elektrische Ladung.)
Die Maßinheit für die Stromstärke ist 1 Ampere, / 1 A
Größenordnungen: von millionstel Ampere im Nervensystem, tausendstel Ampere /milli-Ampere / mA bei elektronischen Schaltungen, Leuchtdiode 20 mA, Scheinwerfer im Motorrad ca 5 A, Haushaltsgeräte bis 3x 16 A, Blitze bis Tausende Ampere
Viele kleine Messgeräte können nur bis 250 mA messen, andere haben für stärkere Ströme eine besondere Eingangsbuchse. Für unterwegs genügt ein einfaches kleines Gerät, denn eine Stromstärkenmessung brauchen wir nur in Ausnahmefällen.

n
Elektrischer Widerstand und Ohm´sches Gesetz

So wir müssen uns jetzt mal um die Rohre im Wassermodell bzw. die (Kupfer-) Kabel kümmern.
Bisher hab ich mal stillschweigend vorausgesetzt, dass die Rohre so dick waren, dass das Wasser ohne nennenswerte Reibung da durchkommt. Erst in der Turbine wird es gebremst, gibt seine Energie an die Schaufeln ab und dadurch ist der Druck in der zurückführenden Rohrleitung niedriger. Die verrichte Arbeit ist dabei einmal proportional zur Wassermenge und andererseits zur Druckdifferenz. Wenn man aber die Rohre dünner macht, dann kann das Wasser da nicht mehr so einfach durch, man spricht dann von innerer Reibung in der Flüssigkeit. die wird dabei erwärmt, und diese Wärme - Energie fehlt dann an der Turbine. Wenn man den Druck messen würde, so könnte man feststellen, dass am Eingang in die Turbine ein niedrigerer Druck herrscht als am Ausgang der Pumpe, unterwegs ist also ein Druckverlust eingetreten. Dieser ist um so größer ist, je stärker die Stromstärke ist und je enger die Rohre. Letzteres liegt daran, dass in dem dünnen Rohr das Wasser bei gleichgroßer Stromstärke schneller fließen muss und deshalb die Reibung stärker ist.

Ein Teil der Energie wird also in den Rohren in Wärme umgesetzt und kann nicht mehr genutzt werden, für den Ingenieur fatal, er spricht deswegen von Reibungs"verlusten".

Ganz Ähnliches geschieht auch in den Kabeln beim elektrischen Strom. Die Elektronen geben durch Stoßprozesse einen Teil ihrer Energie an die Atome des Kupfers ab, diese geraten in stärkere Schwingungen, was sich als messbare Erwärmung beobachten lässt. Und auch hier sind diese "Verluste" um so größer, je dünner das Kabel ist, und zwischen dem Anfang und dem Ende des Kabels lässt sich ein Spannungsabfall messen, der einen Teil der von der Batterie gelieferten Spannung sozusagen "auffrisst". Analog zum Wassermodell ist die von dem Elektromotor umgesetzte Energie einerseits proportional zur geflossenen Ladungsmenge und andererseits von der Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang.

Dieses Phänomen, dass der Strom nicht einfach so durch die Kabel fließt, beschreibt man mit dem Begriff Widerstand. man sagt das Kabel setzt dem Strom einen Widerstand entgegen oder sagt einfach, das Kabel habe einen (elektrischen) Widerstand. Fatalerweise gibt es aber auch innerhalb der Batterie einen Widerstand, auch dort stoßen die Elektronen mit den Atomen des Zinks und des Kupfers und der sauren Flüssigkeit zusammen, diese werden auch warm (kennt jeder, der schnelle Elektro-Modellboote oder Flugzeuge benutzt: nicht nur die Motoren, auch die Akkus werden heiß, auch beim Laden!)
Da die Voltaschen Säulen sehr viele Zellen hatten, waren die Spannungs"verluste" groß. Wenn jetzt die Forscher Messungen mit unterschiedlichen Stromstärken machten , so veränderten sich die Spannungen an den Voltaschen Säulen, ohne dass die das merkten, also änderten sich die Versuchsbedingungen. Es ist das große Verdienst von Ohm, der diese Probleme in jahrelanger Arbeit erkannte und etwas herausfand, was seine Kollegen fast 10 Jahre lang gar nicht richtig zu würdigen wussten, weil sie sich mehr mit philosophischen Deutungen beschäftigten statt mit Messungen.
Ohm fand Folgendes heraus:
(NUR) FÜR METALLISCHE LEITER gilt:
Die Stromstärke in dem Leiter ist proportional zur angelegten Spannung;
Mit der heute gebräuchlichen Formelsprache: I ~ U

Allerdings gilt dies NUR BEI GLEICHBLEIBENDER TEMPERATUR, also grade nicht für Glühlämpchen wie in dem hübschen Link, denn der Glühfaden wird weit über 1000 °C heiß, die Darstellung dort ist in diesem Punkt leider falsch und daraus folgend auch noch ein paar andere Dinge.

Exkurs zu PROPORTIONALITÄT und ANTPROPORTIONALITÄT:
Häufig tritt folgender Zusammenhang auf:
Wenn sich die eine Größe verdoppelt, verdreifacht ,...., dann verdoppelt, verdreifacht ... sich auch die andere Größe.
Beispiel: 1 Ei kostet 15 ct, 2 dann 30, 3 dan 45 usw
Damit gleichbedeutend ist: der Quotient aus den zueinander gehörenden Werten ist eine Konstante.
a~b ==> a/ b = const
anderes Beispiel
a......................1.........2.........3.......4........5..........6........7..........8.......... 9
b......................3.........6.........9......12.......15.......18......21........24.........27

a/b................0,33......0,33.....0,33 ......................... die Konstante (const)

Man sagt dann: Die Größen a und b sind zueinader proportional, in Formelspache.
a / b = const <---> a~b <----> b~a;
alle drei Formulierungen sind gleichwertig.

Des weiteren tritt oft ein Zusammenhang, auf bei sich die eine Größe halbiert, drittelt, viertelt, wenn sich die andere verdoppelt, verdreifacht, ....
Beispiel: die Fahrzeit für eine bestimmete Strecke. Bei 30 km/h 8Stunden, bei 60 noch 4 Stunden, bei 120 noch 2 Stunden
Dann ist das PRODUKT der beiden Gößen eine Konstante:
a...........30...........60...........120
b.............8............4.............2

a * b......240........240..........240
Man sagt dann: die größen sind zueinander antiproprtional oder spricht auch von umgekehrter Proportionalität,
in Formelsprache: a ~ 1/b <----> b ~ 1/a <------> a*b = const
Wenn in der Physik solche Konstanten auftauchen, dann haben sie fast immer eine Bedeutung. Im letzten Beispiel für die Antproportionalitat ist klar, dass es sich um die immer gleiche Fahrstrecke handelt: a* b = 60km/h * 4 h = 240 km
ENDE DES EXKURSES

Sehen wir uns jetzt bei unserem Leiter den Quotienten aus Spannung und Stromstärke an, also U/I . . Wenn er groß ist, meinetwegen den Zahlenwert 50, dann muss U, also die Spannung groß sein (50 V), um eine Stromstärke I von 1 A hervorzurufen. Ruft dagegen schon eine Spannung von 10 V einen solchen Strom von 1A hervor, so scheint es doch so zu sein, dass der Leiter dem Strom dann einen Widerstand entgegen setzt, der wesentlich geringer ist.
Wenn man solche Messungen an verschiedenen Leitern durchführte, so könnte man an jeden einen Zettel kleben und den Zahlenwert dieses Quotienten draufschreiben und wüsste dann, welche Spannung man anlegen müsste, um 1 A Stromstärke hervorzurufen. Wenn man aber 2 A Stromstärke haben will, dann muss man eben eine doppelt so hohe Spannung anlegen.

Diesen Wert nennt man dann den elektrischen Widerstand eines Drahtes, man benutzt den Formelbuchstaben R. Also R = U/I = const. für einen metallischen Leiter bei konstanter Temperatur.
Als Einheit für diese Physikalische Größe benutzt man 1 Ohm (hier müsste eigentlich der griechische Groß-Buchstabe Omega stehen, hab ich aber nicht auf der Tastatur). Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand von 1 Ohm, wenn bei einer angelegten Spannung von 1 Volt ein Strom von 1 Ampere fließt.

Die Bedeutung dieser Entdeckung von Ohm zeigte sich erst einige Jahre später, als die technische Anwendung nach einer weiteren wichtigen Endeckung von Örstedt näher rückte, Der fand zufällig heraus, dass Strom auch eine magnetische Wirkung hat, und von da an ging dann die Post richtig ab.

Noch eine Bemerkung: Der Begriff Widerstand wird leider auch für technische Bauteile verwendet, die in elektrischen Anlagen die unterschiedlichsten Anwendungen finden. siehe hier:
<!-- m --><a class="postlink" href="http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_%28Bauelement%29" onclick="window.open(this.href);return false;">http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand ... element%29</a><!-- m -->
Im Englischen ist der physikalische Widerstand "resistance", das Bauteil der "resistor": " The resistance of this resistor is 100 Ohm",
Im Deutschen : "Dieser Widerstand (Bauteil) hat einen (physikalischen) Widerstand von 100 Ohm". Ziemlich blöd!

Wovon hängt der Widerstand eines Drahtes ab?:
Mit etwas Nachdenken würde man auch selber drauf kommen:
----- Länge des Drahtes ---- Dicke des Drahtes ----- das Material des Drahtes.
Macht man sich eine Zeichnung von dem durchgeschnittenen Draht und malt die Elektronen als kleine Pünktchen rein, dann wird schnell klar: Dicke des Drahtes ist ungenau, besser: die Querschnittfläche des Drahtes!

Es gilt:
---- Der Widerstand ist proportional zur Länge des Drahtes.
---- Er ist umkekehrt proportional zur Querschnittfläches des Drahtes.

Auf eine Abhängigkeit von der Temperatur kommt man dagegen nicht so schnell.
Die Temperaturabhängigkeit ist für normale Temperaturen (also so bis 100°C ) aber nicht sehr groß, näherungsweise kann man das zunächst mal vernachlässigen ( nicht aber bei Glühlampen!!).Bei einigen Messgeräten, Sensoren und Steuerungen wird aber gerade diese Abhängigkeit von der Temperatur ausgenutzt, dabei gibt es Materialien, deren Widerstand zunimmt (PTC, Positive Temperature Coefficient) und NTC-Widerstände. Zur ersten Sorte gehören die Metalle, zur zweiten Kategorie vor Allem viele Halbleitermaterialien. Den Einfluss des Materials beschreibt eine für das jeweilige Material charakteristische Konstante,der so genannte spezifische Widerstand. dieser erhält den Formelbuchstaben rho (hier müsste jetzt eigentlich der griechische Kleinbuchstabe stehen). er hat die Einheit 1 Ohm mm² /m Kennt man diesen, kann man den Widerstand berechnen bzw. kann die Abmessungen des Drahtes berechnen, wenn man bestimmte Widerstandswerte erreichen oder grade auch nicht erreichen will.
Die Formel lautet: R = rho * l/A, wobei R der Widerstand des Drahtes ist, rho (hier müsste eigentlich der griechische Kleinbuchstabe stehen) der spezifische Widerstand des Materials, l die Länge und A die Querschnittfläche. des Drahtes.
Der spezifische Widerstand hat die Einheit Ohm mm^2 / m, die Begründung spare ich mir hier,
Näheres ist bei Wikipedia gut erklärt, dort gibt es auch Werte für die verschiedenenMaterialien und auch die Werte zur Temperaturabhängigkeit.
<!-- m --><a class="postlink" href="http://de.wikipedia.org/wiki/Spezifischer_Widerstand" onclick="window.open(this.href);return false;">http://de.wikipedia.org/wiki/Spezifischer_Widerstand</a><!-- m -->

Einschub: Vorteile der Verwendung von Zahlen in den Naturwisschenschaften
Den folgende Einschub könnt ihr auslassen, es ist eine Art Steckenpferd von mir. Die Gedanken dienten dazu, den Ärger über die viele Mathematik zu dämpfen, mit der man sich rumschlagen muss, wenn man sich mit Naturwissenschaft beschäftigt.
Moderne Naturwissenschaft seit der Hochrenaissance (ca. ab 1500) zeichnen sich durch das Bestreben aus, Natur mit Hilfe von Zahlen zu beschreiben, zu messen. Also: was messbar ist messen, und was noch nicht messbar ist, messbar machen. Das bot gegenüber den Diskursen, wie sie bis dahin üblich waren, zwei entscheidende Vorteile:

1. Man konnte seine BEOBACHTUNGEN leichter und genauer mit denen anderer Forscher vergleichen und überprüfen lassen (intersubjektive Überprüfbarkeit!), sich also auch leichter auf einen Kanon von nicht mehr bestrittenen Erkenntnissen einigen. Dazu gehört natürlich eine GENAUE Beschreibung der eigenen Messapparatur, damit die anderen die nachbauen können. (Damit habt ihr auch gleich eine Antwort auf die Frage, wie genau eine Versuchsbeschreibung sein muss, um als wissenschaftlich anerkannt zu werden.)

2. Mit Zahlen kann man RECHNEN! Und das heißt: aus mathematisch formulierten GESETZMÄßIGKEITEN kann man Vorhersagen berechnen.
Beispiel Bau einer Brücke aus Holz: früher mit Erfahrungswerten, die durch Versuch und Irrtum gewonnen wurden. Die erste Brücke ist zu schwach, kracht zusammen, die zweite auch. Daraufhin baut man eine, die viel zu kräftig (und damit zu teuer) ist. Kenne ich demgegenüber nach Messungen die Belastbarkeit verschiedener Holzsorten und kann die zu erwartende Belastung in Zahlen angeben, dann kann ich die notwendigen Querschnitte bei der benötigten Spannweite ausrechnen. Der Vorteil ist wohl klar (Frage an Radio Eriwan: "Kann man Klopapier von beiden Seiten benutzen?" "Im Prinzip ja, der Vorteil liegt klar auf der Hand!"), heute Aufgabe der Ingenieure.
Ebenfalls konnte man jetzt Vermutungen über Gesetzmäßigkeiten machen und daraus mit mathematischen Methoden Vorhersagen über das Ergebnis von bestimmten Versuchsanordnungen machen. Treten die vorhergesagten Beobachtungen / Messergebnisse ein, so ist dies ein starkes Indiz dafür, dass meine vermutete Gesetzmäßigkeit stimmt. Bekanntes Beispiel: Einstein hatte aus der von ihm behaupten Gleichartigkeit von Energie und Masse gefolgert, dass Licht durch große Massen auf eine gekrümmte Bahn beschleunigt würde. Dies konnte (während des ersten Weltkrieges!) bei einer Sonnenfinsternis im Rahmen der damals erreichbaren Messgenauigkeit bestätigt werden. Noch eine Bemerkung: Ohne die theoretisch hergeleitete Hypothese (begründete Vermutung) Einsteins wäre niemand auf die Idee gekommen, das zu messen. Messen allein nützt nicht, man muss sich vorher überlegen, was man messen will, also Theorie betreiben.

In der modernen Naturwissenschaft geht es gar nicht mehr anders. Die Zusammenhänge in der Welt der ganz kleinen Dimensionen (also noch viel kleiner als die Atome!!) sind so bizarr und fremdartig, dass sie sich nur noch mit mathematischen Modellen formulieren lassen, und zwar mit einer Art von Mathematik, die nur noch wenig mit der Schulmathematik gemein hat.

1. Anwendung: Kabel und Stecker beim Motorrad
Als BEISPIEL : Die Verkabelung des Signalgebers für den Tacho geht von der Brotdose zum Signalgeber am Hinterachsantrieb und wieder zurück zur Tachoeinheit. Das Kabel ist recht dünn, ich schätze mal, ein 0,5 er d.h. die Querschnittfläche beträgt 0,5 mm² .
Länge schätze ich mal grob 1m von der Brotdose zum Geber , also Kabellänge 2 m (hin und zurück!) . Der spezifische Widerstand von Kupfer wird bei Wikipedia mit ca. 1,7 * 10 ^-2 Ohm mmm² / m angegeben.

Setzen wir diese Werte in die Formel ein:
R = 1,7 * 10^-2 *(Ohm mm^2/m) * 2m / 0,5mm² = 1,7 * 2 / 0,5 *100 Ohm = 3,4 / 50 Ohm
= 0,068 Ohm Das ist nun nicht viel, und eigentlich sollte das Signal gut ankommen,

AABER:
da sind noch jede Menge "Bremsen" in Kreislauf: zwei Steckverbindungen am Signalgeber selber, zwei neben dem Tank, zwei an dem großen Stecker in die Brotdose, und noch mal zwei in der Brotdose selber, macht: 8 Steckverbindungen. Auch im fabrikneuen Zustand hat jede Steckverbindung einen gewissen Übergangswiderstand von 0,1 bis 0,3 Ohm, und die addieren sich, wenn sie im gleichen Kreislauf sind, sie wirken wie Einschnürungen im Rohr beim Wassermodell, und bei jeder Einschnürung entsteht halt zusätzliche Reibung. also: wir können die 0,068 Ohm des kabels vernachlässigen, entscheidend sind die Steckverbindungen und Anschlüsse an den Geräten! Wenn die dann noch vergammelt sind, weil die K mal im Salz gefahren ist und sich der feine Salzwassernebel einen Weg durch die Steckerhüllen gefunden hat, dann kommen wir ganz schnell in bereiche von zig Ohm bis hin zu Unterbrechungen des Kreislaufs.
Schlussfolgerungen für die Praxis:
- wenn ein Fehler an einem elektrischen Gerät auftritt, dann sehen wir uns zuallererst mal die Verbindungen, Kontakte, Stecker an! Oft hilft schon, mit einem Schraubenzieher etwas die Kontaktflächen zu bearbeiten, bisw wieder das blanke Metall freiliegt. Besonders anfällig sind Kontakte, an denen unterschiedliche Metalle beteiligt sind, z.B. in Lüsterklemmen; die bestehen aus Stahl, und klemmen die Kupferkabel. Kommt salzlake dazu, kommt es schnell zu Korrosion, und die Oxydschicht leitet nicht! Noch so ein Klassiker sind die Fußkontakte der kleinen Glühlampen in den Blinkleuchtn: die bestehen aus Lötzinn, der Federkontakt der Fassing aus Stahl : Lämpchen raus, mit dem Schraubenzieher den weißen Belag abkratzen, einsetzen, Voila! Aber jetzt ein Schutzmittel drauf: K60 + oder Sprühöl. !!!!

Warum verschieden dicke Kabel ?
Nun, das sollte nach dem bisher gesagten klar sein: je größer der Strom und je dünner das Kabel, desto mehr Energie geht "verloren", genauer gesagt, wird in Wärme umgesetzt.
(WARNUNG: wenn man im Haushalt mehrere Mehrfachsteckdosen hintereinandersteckt (in Reihe), und daran dann Geräte mit hoher Leistung (Toaster, Mikrowelle, Staubsauger, Mixer usw. anschließt, dann muss der ganze Strom ja durch das erste Kabel hindurch, also auch durch den Stecker an der Wand. Der wird dann richtig heiß!! Und wenn der dann im Party-Keller auf ner Holzwand montiert ist, oder in der Wohnung der Sessel genau davor steht, ja dann....hast Du die Ehre, am nächsten Tag im Einsatzbericht der Feuerwehr aufzutauchen.)
Ganz so dramatisch muss es bei unseren Motorradern ja gar nicht kommen, aber Funktionsstörungen wären sicher zu erwarten.
DIE DICKE DER KABEL MUSS AN DIE LEISTUNG DER GERÄTE ANGEPASST SEIN!
Um das genauer zu verstehen, kommen wir nicht um einen weiter Exkurs herum:

KRAFT, ARBEIT; ENERGIE; LEISTUNG
Kraft
Kräfte können zwei Arten von Wirkung haben: sie können Körper verformen, und sie können den Bewegungszustand von Körpern verändern (beschleunigen; abbremsen ist für den Physiker einfach negative Beschleunigung. Auch eine Änderung der Bewegungsrichtung nennt der Physiker Beschleunigung).
Kraft ist als Grundgröße der Mechanik festgelegt. Das Formel-Symbol ist F (engl. Force), die Einheit ist 1 Newton = 1 N (nach dem wichtigen engl Physiker und Schatzmeister).
Das ist eine ziemlich kleine Kraft, sie entspricht ungefähr der Gewichtskraft von 1 Tafel Schokolade,
genauer: 1 kg Masse erfährt bei uns eine Gewichtskraft von ca. 9,81 N, mit der die Erde ihn nach unten beschleunigen will. Diese Gewichtskraft ist ortsabhängig, am Äquator weniger, an den Polen stärker.

Arbeit
wird verrichtet, wenn eine Kraft eine Strecke entlang wirkt. Um einen Motor mit 40 Kg auf die Werkbank zu hieven, muss ich gegen die Gewichtskraft eine entgegengesetzt gerichtete Hubkraft von ca. 400 N aufbringen und 0,8 m entlang wirken lassen, bis das Teil oben ist. Die Arbeit ist dann das Produkt aus der (Hub-)Kraft F und der Strecke s. Als Symbol verwendet man W (engl. Work)

Arbeit = Kraft * Strecke (in Richtung der Kraft), W = F * s ( F in Richtung s)
als Einheit ist festgelegt. 1 Joule = 1 Newton * 1 m ; 1 J = 1 Nm

Energie
So, da liegt der Motor nun auf der Werkbank und sieht genau so aus wie vorher. Aber es ist etwas anders geworden: er kann jetzt Arbeit verrichten: z.B. Verformungsarbeit an meinem Fuß, wenn er wieder runter fällt. Diese Fähigkeit beschreibt der Begriff Energie:
ENERGIE beschreibt die Fähigkeit/ Möglichkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten.
ENERGIEFORMEN: mechanische (z.B. eine gespannte Feder), Wärme (z.B. ein Dampfkessel mit 1000 l Wasser bei 280°C), elektro-magnetische (z.B. das Magnetfeld einer Spule, durch die ein Strom fließt), chemisch gebundene (z.B. 20 l Benzin, ein geladener Akkumulator), Kernenergie im Atom.
Die Einheit ist dieselbe wie die der Arbeit, als Symbol wird entweder auch das W verwendet, oft aber auch das E.

Wie schon erwähnt, gilt streng ein Erhaltungssatz (hier noch mal präzise formuliert):
Innerhalb eines energiemäßig abgeschlossenen Systems kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur in verschiedene Formen umgewandelt werden.
Zu unterscheiden von diesem Energiebegriff in der Physik ist der in der Umgangssprache. Dort ist fast immer gemeint NUTZBARE ENeRGIE, oft sogar noch eingeschränkter: elektrische E.

LEISTUNG:
Wenn man mit einem vollbeladenen PKW mit Wohnanhänger über den Brenner nach Italien will, dann merkt man schon, dass das neue Auto 150 PS hat (das alte hatte nur 75), das neue klettert die steile Steigung hinter Innsbruck nicht mit 35 km/h, sondern mit 70! Es braucht also nur halb so viel ZEIT, um die Hubarbeit beim Aufstieg zu verrichten.
Je kürzer die Zeit, desto größer die Leistung. Es handelt sich auch hier um einen antipropotionaler Zusammenhang, also : Division!(s.o.) (Bemerkung nebenbei: Es gibt natürlich auch andere Zusammenhänge, bei denen die ein Große zu- und die andere dabei abnimmt. Es kommen auch Wurzel- oder Quadratische Zusammenhänge vor, hier ist es nur besonders einfach.)
Man legt also fest:

Leistung ist der Quotient aus erbrachter Arbeit und dafür benötigter Zeit, das Symbol ist P (engl. Power).
P = W / t Einheit: 1 Watt = 1 Joule pro Sekunde, 1 W = 1 J / s = 1 Nm / s
Auch das ist eine sehr kleine Einheit, deshalb wird oft das KiloWatt (1kW = 1000 W) oder auch MegaWatt 1 MW = 100 kW) oder gar GW (1 GW = 1000 MW) verwendet.

(Wie lösen die Friesen ihr Energieproblem? Die gehn mittem Eimer ans Meer und holen sich ein paar Kilo Watt ! )

Größenordnungen: kleine Elektromotoren: 20 ... 400W , Wasserkocher: 1 kW, Anlasser ca 2 kW, Automaotor 50 .. 300 kW, Schiffsdiesel bis 50 000 kW, Atomkraftwerk: mehrere MW
gebräuichlich ist auch noch die Pferdestärke (die eigentlich Pferdeleistung heißen müsste) : 1 kW = 1, 36 PS

Die Elektrische Leistung, die ein Elektromotor aufnimmt und in mechanische Leistung umsetzt, berechnet man sehr einfach.
Elektische Leistung = Produkt aus Spannung und Stromstärke.
P = U * I ; für die Einheit gilt: 1 Watt = 1 Volt * 1 Ampere, 1 W = 1 VA

Die elektrische Spannung oder
Der Zusammenhang zwischen mechanische und elektrischen Größen ( Einschub nur für die, dies interessiert, eine knappe Herleitung. Die Definition der Spannung stellt den Zusammenhang zwischen den mechanischen und den elktrischen Größen her: Spannung = Arbeitsfähig pro Ladung U = W / Q..
Weiter oben haben wir gesehen, dass Stromstärke der Quotient aus der geflossenen Ladung und zugehöriger Zeit (Ladung pro Zeit) ist. I = Q / t. Also kann man die Ladung auch berechnen, wenn Stromstärke und Zeit bekannt sind: Q = I * t.
Setzt man das in die Definitionsgleichung ein, erhält man: U = W/I * t.
Jetzt eine Äquivalenzumformung (auf beiden Seiten der Gleichung dasselbe machen, hier Multiplikation mit I ) :
U* I = W * I / I * t. Und siehe da, jetzt kann man auf der rechten Seite das I kürzen und wir erhalten: U * I = W / t, rechts steht also Arbeit pro Zeit, die gesuchte (elektrische) Leistung P.

Auf vielen Industrie- Motoren findet man diese Angabe in VA, zusammen mit einem Wirkungsgrad, der Angibt, wieviel % der eingespeisten elektrischen Leistung in mechanische Leistung umgewandelt wird (der Rest wird zu Wärme, alle Elektromotoren werden warm, ebenso alle Generatoren ).
Anwendungen:

Berechnen der Stromstärken der Geräte
Wenn uns bekannt ist, bei welcher Spannung ein Gerät betrieben wird und welche Leistung es benötigt, können wir uns die Stromstärke selber schnell ausrechnen;
Beispiel: die Lampe im Scheinwerfer ist mit 12 V 55 / 60 W am Sockel beschrieben.
Das bedeutet: Nominalspannung 12 V, nominale Leistung 60 W. Wenn wir berechnen wollen, wie groß die Stromstärke ist, die dann durch die Lampe (und damit durch das Kabel und die Sicherung), müssen wir die Gleichung P = U * I umformen (nach I auflösen), so erhalten wir:
I = P / U (Einen Exkurs über Gleichungsumformung liefere ich auch noch mal nach.)

Einsetzen ergibt: I = 60 W / 12V = 60 VA / 12V = 5 A. (zur Erinnerung : 1 W = 1 V * 1 A = 1VA)

Da unser Bordnetz aber in Wirklichkeit eine höhere Spannung hat, sollten wir deutlich mehr für das Kabel rechnen, aus später noch zu diskutierenden Gründen für die Sicherung sogar noch mehr.

Anlasser macht nur noch "Klack,Klack"
Für unseren Anlasser ergibt sich: I = 2000 W / 12 V = 80 A !!!!!, ein normal dünnes Kabel geht da in Rauch auf! Es muss ein fingerdickes Kabel sein, das mit großen, fest verpressten Kabelschuhen am Ende mit M6 Schrauben und Mutten gut und sicher befestigt wird. Auch der Minus-Pol der Batterie muss mit so einem dicken Kabel am Motor oder am Rahmen festgemacht werden (Masseanschluss). Da an der Batterie mit Säure hantiert wird, kommt auf die Anschlüsse ab und zu etwas davon drauf und die gammeln dann. Immer auf festen Sitz achten und mit Polfett einschmieren, wenn sie vergammelt sind, sorgfältig blank schmirgeln. Sonst bleiben hier die entscheidenden letzen Reserven hängen, wenn die Batterie schwach ist, und richtig geladen wird sie auch nicht mehr.
Aber warum macht die Batterie nach einiger Zeit schlapp? Genau müsste das ein Chemiker erklären, der Phsiker kann nur die Folgen des chemischen Alterungspprozesse erklären: Der "innere Widerstand" der Batterie wird größer.
Das Wassermodell veranschaulicht, dass die Elektronen sich ja auch im inneren der "Pumpe" bewegen, also entsteht auch dort Reibung.
Einschub: Messung des inneren Widerstandes - Die EMK
Den inneren Widerstand zu messen erfordert eine Messreihe. man misst die Spannung an der Polen der Batterie bei unterschiedlichen Belastungen (z.B. durch eien, 2, 3 ... parallel geschaltete Lampen, die Stromstärke wird ebenfalls gemessen.
Die Werte trägt man dann in ein Diagramm ein, es ergibt sich im Rahmen der Messgenauigkeit von +/- 0,1 V bzw 0,1 A eine fallende Gerade. Aus der Steigung ergibt sich dann der innere Widerstand als Differenzenquotient Delta V / Delta I (Statt des Delta müsste hier der griechische Großbuchstabe stehen); der erste und der letzte Wert passen relativ gut in die Ausgleichsgerade, mit diesen Werten ergibt sich für den Innenwiderstand:
R = 13,4 V - 12,7 V / 10,3 A - 1,5 A = 1,7 V / 8,8 A = 0,193 Ohm also ungefähr 0,2 Ohm.
Verlängert man die Gerade Rückwärts bis zur Spannungsachse, also zur Stromstärke = 0, so finden wir die Leerlaufspannung (also ohne angeschlossene Geräte) zu ca. 13,5 V. Dies nannte man früher auch ElektroMotorische Kraft. Die Spannung an den Polen ist also die Differenz zwischen der EMK und dem Spannungsabfall, der durch den inneren Widerstand des Akkus entsteht.

Der Kurzschlussstrom (also ohne jeglichen äußeren Widerstand ergäbe sich dann zu 13, 5 V /0,2 Ohm = 67,5 A , das ist schon relativ wenig, der Widerstand des Anlassers würde ja den Strom weiter heruntersetzen; der Akku steht vor dem Exitus !!
Kommen dann noch größere Übergangswiderstände wegen korrodierter Anschlüsse hinzu, dann reicht die Spannung zwar,
um den Anker des Anlassers nach vorne zu ziehen und damit den Haupstromschalter zu schließen, der große Strom durch den Anlassermotor lässt dan aber die Spannung sofort "zusammenbrechen", der anker fällt wieder zurück, der Hauptstromschalter öffnet sich, der Strom geht fast auf Null, die Spannung steigt wieder, der Anker wird wieder nach vorne gezogen ....Dieses Spiel ergibt ein häßliches rasselndes Geräusch, das sehr bedrohlich klingt und dem Anfänger einen ziemlichen Schrecken einjagt, er denkt an schlimme Schäden.
Wenn die Batterie noch schwächer ist, dann reicht es nur noch zu dem Versuch, den Anker nach vorne zu ziehen, man hört dann nur ein deutliches Klack und die Zündkontrollleuchte wird deutlich dunkler.

Es gibt eine einfache Methode, zu prüfen, ob die Batterie wirklich schwach ist: Zündung ein, Zündkontrollleuchte leuchtet. Blinker einschalten. Wenn jetzt die Kontrollleuchte deutlich dunkler/heller wird, dann muss die Batteie nachgeladen werden, wenn das nicht hilft, ist sie kaputt.

Phsikalische Kenngrößen einer Batterie / Kaufberatung

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Eine brauchbare Zusammenstellung der wichtigsten Begriffe, aber leider auf englisch und nur für Leute mit Vorbildung geeignet. Da die ja auch mitlesen, dieser Link, taugt mindestens als Fachwörterbuch.
Für die anderen hab ich im Internet noch nichts wirklich brauchbares gefunden. Also versuch ich es mal selber.
Die Eigenschaften der Akkumulatoren, (meistens Batterien genannt, obwohl diese Bezeichnung eigentlich für nicht wiederaufladbare Energiespeicher benutzt wurde), hängen von dem geplanten Einsatz ab. Die wichtigsten sind:

- mechanische Daten (Abmessungen, Gewicht, Lage und Form der Anschlüsse
- Versiegelt / wartungsfrei oder mit offenen Zellen
- Chemische Elemente, die verwendet werden (in PKW und Motorrädern fast nur Blei / Schwefelsäure-Akkus)
- Leerlaufspannung / Normspannung (bei uns 12 V, früher 6 V, LKW 24 V)
- Kapazität
- Selbstentladung
- Innenwiderstand / max. Entladungsstrom
- Ladungsbedingungen (max Ladestrom, Ladezeit)
-Temperaturabhängigkeiten
- Zyklenfestigkeit / Lebensdauer
und nicht zuletzt: der Preis

Für den Einsatz im Motorrad / PKW ist vor Allem wichtig:
- niedriger Innenwiderstand wegen der für das Anlassen notwendigen hohen Ströme
- niedriges Gewicht
- hohe Zyklenfestigkeit, d.h. sie soll oft auf- und entladbar sein ohne Kapazitätsverlust
- Temperaturfestigkeit von -30 bis +50 °C !!
- niedriger Preis.
Für die verschiedenen Einsatzzwecke müssen hier die richtigen Kompromisse gefunden werden.
zwei Extrembeispiele:
1. eine Rennmaschine: Temperatur immer über 20 Grad, kein Elektrostarter, keine Beleuchtung, aus Gewichtsgründen auch keine eigene Lichtmaschine. Hier kommt es auf kurze Ladezeiten an, um in den Pausen wieder "nachzutanken". Die Kapazität muss nur reichen, um für die kurze Zeit des Rennens/der Trainingsrunden die Zündung und den Drehzahlmesser mit Strom zu versorgen, es sollte eine Steckverbindung existieren, um sie schnell wechseln zu können. Vor Allem aber: geringes Gewicht und kleine Abmessungen. In diesem Fall sind Bleibatterien nicht geeignet.

2. Ein "Arbeitstier", das auch im Winter draußen unter der Plane steht, unregelmäßig benutzt wird, also auch nach Standzeiten von mehreren Wochen noch sicher anspringen soll, im Sommer aber auch auf längere Tour geht. Hier spielt das Gewicht nicht die Rolle, sondern: Wartungsfreiheit, große Kapazität, geringer Innenwiderstand bei tiefen Temperaturen, und vor Allem: geringe Selbstentladung. Wer hier am Preis sparen will, liegt falsch.

Unser Idealfall. Steht immer im Trockenen, wird jede Woche regelmäßig über 200 km bewegt, es steht eine kleine Werkstatt zur Verfügung, in der der Säurestand regelmäßig kontrolliert wird und über die Winterpause ein kleines Ladegerät mit Erhaltungsladefunktion dauerhaft angeschlossen wird. Hier kann man das billigste nehmen, was reinpasst, und das wird Jahre halten.

MERKE: DIE ideale Batterie gibt es nicht!.

Kurzschluss und Sicherungen
Ein Kurzschluss (d.h. direkter Kontakt zwischen einem mit dem Plus-Pol verbundenen Leiter mit der Masse) mit diesen dicken Kabeln führt zu einem so großen Strom (weit über 100 A, dass die Batterie anfängt zu kochen (innerer Widerstand!), dabei entsteht Wasserstoff!!! Das +-Kabel zum Anlasser darf NIE an den Rahmen oder das Motorgehäuse kommen, z.B. weil es sich am Anlasser gelockt hat oder am Rahmen durchgescheuert ist. Wenn mit diesem Kabel gearbeitet wird, MUSS VORHER das Minuskabel der Batterie gelöst werden. (Bei sonstigen Arbeiten an der elektrischen Anlage empfiehlt sich das auch, aber da bleiben die Folgen meistens etwas weniger dramatisch, ein verschmorter Kabelbaum ist aber auch nicht wirklich prickelnd.

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Hellmuth