Technik verstehen – Praxis entdecken | Mechatronik
1. Das Modellfahrzeug fährt los
Du setzt Batterien in ein ferngesteuertes Modellfahrzeug ein. Nach dem Einschalten beginnt das Fahrzeug zu fahren. Ein kleiner Elektromotor setzt die elektrische Energie in Bewegung um.
Doch was passiert eigentlich in den Leitungen, wenn der Motor läuft? Was transportiert die elektrische Energie innerhalb des Stromkreises?
Damit der Motor arbeiten kann, muss elektrischer Strom fließen. Was sich hinter diesem Begriff verbirgt, lässt sich mit einem Blick auf die kleinsten Bausteine der Materie erklären.
Du setzt Batterien in ein ferngesteuertes Modellfahrzeug ein. Du drückst auf die Fernbedienung – und schon drehen sich die Räder.
Ein kleiner Elektromotor macht das möglich. Er benötigt elektrische Energie. Damit er arbeiten kann, muss elektrischer Strom fließen.
Aber was fließt da eigentlich durch die Leitungen?
2. Was ist elektrischer Strom?
Alle Stoffe bestehen aus Atomen. In ihren Atomkernen befinden sich unter anderem positiv geladene Protonen. Die negativ geladenen Elektronen befinden sich in der Elektronenhülle.
In metallischen Leitungen, beispielsweise aus Kupfer, können sich bestimmte Elektronen bewegen. Wenn sie sich im Mittel gerichtet durch den Leiter bewegen, wird elektrische Ladung transportiert.
Elektrischer Strom ist der gerichtete Transport elektrischer Ladung.
In metallischen Leitungen übernehmen die Elektronen diesen Transport. Die Protonen bleiben dagegen an die Atomkerne gebunden.
Eine interessante Besonderheit: Die einzelnen Elektronen bewegen sich vergleichsweise langsam durch das Metall. Die elektrische Wirkung breitet sich entlang der Leitung dagegen sehr schnell aus.
3. Was bedeutet Stromstärke?
Stell dir vor, du könntest zählen, wie viel elektrische Ladung innerhalb einer Sekunde durch einen bestimmten Querschnitt der Leitung transportiert wird.
Genau das beschreibt die Stromstärke: Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Zeit transportiert wird.
Ihr Formelzeichen ist I, ihre Einheit Ampere (A).
Die Formel lautet:
Dabei bedeutet:
- (I): Stromstärke in Ampere,
- (Q): transportierte elektrische Ladung in Coulomb,
- (t): Zeit in Sekunden.
Ein Ampere entspricht einem Coulomb elektrischer Ladung pro Sekunde.
Wichtig: Die Stromstärke beschreibt nicht, wie schnell sich ein einzelnes Elektron bewegt. Entscheidend ist, wie viel elektrische Ladung innerhalb einer bestimmten Zeit transportiert wird.
4. Warum ist die Stromstärke in der Mechatronik wichtig?
Elektromotoren treiben Fahrzeuge, Maschinen, Förderanlagen und Roboter an.
Die Stromstärke hilft dabei, den elektrischen Betrieb solcher Antriebe zu beschreiben. Sie ist beispielsweise wichtig, wenn Leitungen, Stromversorgungen und elektrische Schutzmaßnahmen passend ausgelegt werden müssen.
Beim Anlaufen eines Elektromotors kann die Stromstärke vorübergehend höher sein als im normalen Betrieb. Das muss bei der Auswahl der elektrischen Komponenten berücksichtigt werden.
5. Selbstkontrolle
Ein Elektromotor wird betrieben. Innerhalb einer Sekunde fließt durch einen Leiterquerschnitt mehr elektrische Ladung als zuvor.
Was bedeutet das für die Stromstärke, und mit welchem Formelzeichen wird sie angegeben?
Was bedeutet das für die Stromstärke?
Lösung: Die Stromstärke wird größer, weil innerhalb derselben Zeit mehr elektrische Ladung transportiert wird. Das Formelzeichen lautet (I), die Einheit Ampere (A).6. Das Wichtigste auf einen Blick
-
Elektrischer Strom ist der gerichtete Transport elektrischer Ladung.
-
In metallischen Leitungen übernehmen Elektronen den Ladungstransport.
-
Die Stromstärke beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Zeit transportiert wird.
-
Das Formelzeichen der Stromstärke ist (I), die Einheit ist Ampere (A).
-
Die Formel lautet I = Q/t.