Grundzüge der Elektrotechnik: Eine leicht faßliche Darstellung

233 Pages·1956·11.574 MB·German

by  Dr.-Ing. Eberhard Schütz (auth.)

Grundzuge
der Elel{trotechnil{
Eine leicht falUiche Darstellung
Von
Dr.-Ing. Eberhard Schutz
Oberingenieur an der Techniechen Universitiit
Berlin-Charlottenhurg
Mit 363 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin / Gottingen / Heidelberg
1956
ISBN-13: 978-3-642-49036-1 e-ISBN-13: 978-3-642-92684-6
DOl: 10.1007/978-3-642-92684-6
Alle Rechte,
insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Obne ausdruckliche Genehmigung des Verlages ist es auch nieht gestattet,
dieses Buch oder Tcile daraus auf photomechanischem Wege
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© by Springer-Verlag OHG., BerIin/Gottingen/Heidelberg 1956
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1956
Vorwort
Elektrotechnik ist der Sammelbegriff fur aIle Uberlegungen und MaBnahmen, die
darauf abzielen, die Naturkraft Elektrizitat fUr den Menschen nutzbar zu machen. Die
Elektrotechnik befaBt sich demgemaB mit 'jedem technischen Problem, dessen Losung
durch Benutzung der Elektrizitat verbessert werden kann oder uberhaupt erst mogIich
wird.
Die vielfiiltigen Aufgabenstellungen der Elektrotechnik lie Ben zwei Haupt-Fach
richtungen mit unterschiedIichen Arbeitsgebieten, Begriffen und Methoden entstehen:
die Schwachstrom- und die Starkstromtechnik. Das Kernstuck der ersteren ist neben
der Regelungstechnik die elektrische Ubermittlung von Nachrichten im weitesten Sinn
des Wortes, wahrend die Starkstromtechnik vorwiegend elektrische Energie erzeugt,
verteilt und sie motorisch oder durch Umwandlung in Warme nutzbar macht.
Beide Fachrichtungen bauen auf einer gemeinsamen Grundlage auf, deren theo
retischen Teil Gesetze und Zusammenhange bilden, die sich aus der Elektrizitatslehre
der Physik ergeben. Ebenfalls zur allgemeinen Grundlage der Elektrotechnik gehOren
gewisse Grundschaltungen und Gerate, die als Elemente elektrischer Anlagen haufig
wiederkehren.
Dieses Buch strebt an, die allen Teilgebieten gemeinsamen Grundzuge der Elektro
technik in leicht faBlicher Darstellung zu vermitteln. Auf Sondergebiete konnte dabei
nur eingegangen werden, soweit sie wenigstens in praktischer Hinsicht als Fundamente
der modernen Elektrotechnik angesehen werden mussen. Hierzu gehort beispielsweise
das Gebiet der elektrischen Maschinen, weil nahezu die gesamte, uns nutzbar zur Ver
fUgung stehende elektrische Energie von ihnen geliefert wi .. d. Allerdings sind die Vor
gange in elektrischen Maschinen nicht leicht zu uberschauen, so daB nur ihre prinzi
piellen Arbeitsweisen erklart werden konnten. Ebenso erschien es notwendig, die elek
trischen MeBgerate, darunter auch neuere Gerate, wie den ZeigerlluBmesser und den
Vektormesser, hinsichtlich ihres grundsatzlichen Aufbaues und ihrer charakteristischen
Eigenschaften zu besprechen; denn die Definition aller elektrischen MaBeinheiten grun
det sich auf Messungen, und die Bequemlichkeit und Exaktheit, mit der elektrische Mes
sungen durchgefiihrt werden konnen, haben stark dazu beigetragen, die Elektrotechnik
zu einer willkommenen Helferin auf den verschiedensten Gebieten werden zu lassen.
Da es meine Absicht war, die theoretischen Zusammenhange klarzustellen, ohne da
bei mathematische Betrachtungen in den Vordergrund zu rucken, konnten gewisse
Probleme, die, wie z. B. die Stromverdrangung in massiven Leitern, ihrer Natur nach
einen groBeren mathematischen Aufwand erfordern, nicht behandelt werden. Die Be
handlung von Feldern, die mit Rucksicht auf dieentscheidende Bedeutung derelektroma
gnetischen Zusammenhange unumganglich erschien, beschrankt sich aufe bene Potential
felder mit einfachen Randbedingungen. Die Erleichterung, die die symboIische Rechen
methode bei der Losung von Wechselstromaufgaben mit sich bringt, ist so bedeutend,
daB es angebracht erschien, diese Methode, die sich heute uberall durchgesetzt hat, ein
gehend zu erlautern und spaterhin von ihr Gebrauch zu machen. Das Gleiche gilt hin
sichtlich der Anwendung der Schreibweise der Vektorrechnung beim Umgang mit ge
richteten GroBen.
Standige Beruhrung mit Studente n der Elektrotechnik und des Maschinenbaus bei
der DurchfUhrung laboratoriumsmaBiger Ubungen gab mir Gelegenheit, festzustellen,
IV Vorwort
an welchen Stellen die meisten Verstandnisschwierigkeiten auftauchen und wo deren
Ursachen liegen. Ich habe mich bemiiht, diese Punkte besonders eingehend zu be
handeln, lllll mit dem vorliegenden Buch nicht nur dem Studierenden das Eindringen in
die Elektrotechnik zu erleichtern, sondern auch dem bereits in der Praxis stehenden
Ingenieur ein niitzliches Hil£smittel in die Hand zu geben.
Dem Verlag danke ich fUr seine stets bewiesene Bereitschaft, auf meine Wilnsche
einzugehen, und fiir die Ausstattung des Buches. .
Be r 1 in, im Marz 1956
Eberhard Schiitz
Inhaltsverzeichnis
Selte
A. Das Wesen der Elektrizitat .......... . I
1. Elementarteilchen der Elektrizitat S. 1. - 2. Elektrische Leiter und Nichtleiter S. 1.
- 3. Elektrischer Strom S. 2. - 4. Elektromotorische Kraft; Stromquellen S. 3.
B. Wirkungen des elektrischen Stromes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .• 4
5. Warmewirkung S.4. - 6. Chemische Wirkung; MaBeinheit der Stromstarke S. 5. -
7. Magnetische Wirkung; Prinzip der praktischen Strommesser S. 6.
C. Elektrische Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7
8. Begriff und MaBeinheit der Spannung S. 7. - 9. Parallel- und Reihenschaltung von
Stromquellen S. 9.
D. Zusammenhang von Spannung und Strom .• , .. '. . . . . . . . . . . .. 10
10. Das Ohmsche Gesetz; Leiterwiderstand S. 10. - II. Der Widerstand und seine Tempe
raturabhiingigkeit S. II. - 12. Reihen- und Parallelschaltung von Widerstanden S. 13. -
13. Spannungsmessung; Strommesser mit Nebenwiderstand S. 14. - 14. Die Kirchhoff
schen Satze S. 15. - 15. Innerer Spannungsabfall von Stromquellen S. 17. - 16. Spannungs
teilung S. 18. - 17. Widerstands-MeBbriicken S. 19. - 18. Spannungsmessung nach der
Kompensationsmethode S. 21. - 19. Elektrisches Potential S. 21
E. Elektrizitat als Energietrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
20. Elektrische Arbeit und Leistung S. 22. - 21. Leistungsverluste durch Stromwarme S. 26
F. Elektrische Felder 27
22. Rechnen mit gerichteten GroBen S. 27. - 23. Das elektrische Stromungsfeld S. 29. -
24. Das elektrostatische Feld; der Kondensator S. 35. - 25. Parallel-und Reihenschaltung
von Kondensatoren S.43. - 26. Der Kondensator an zeitlich veranderlicher Spannung
S. 44. - 27. Energie und Krafte im elektrostatischen Feld S. 45
G. Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen GroBen ....• 46
28. Das magnetische Feld S. 46. - 29. Das Durchflutungsgesetz S. 47. - 30. Der magnetische
FluB S. 51. - 31. Die magnetische Induktion S. 53. - 32. Magnetkreise mit Eisen S. 56. -
33. Magnetisches Potential S. 59. - 34. Messung magnetischer Spannungen S. 63. - 35. Per
manente Magnete S. 64. - 36. Die induzierte Spannung S. 66. - 37. Der im Magnetfeld
bewegte Leiter S. 68. - 38. Krafte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld S. 72. -
39. Selbstinduktion S.74. - 40. Energie des Magnetfeldes S.75. - 41. Schaltvorgange
in Stromkreisen mit Selbstinduktion S 79. - 42. Zugkraft von Elektromagneten S. 81. -
43. Gegenseitige Induktion S. 84. - 44. Magnetische Streuung S. 87
H. Wechselstrome und -spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
45. Zeitlicher Verlauf von WechselgroBen S. 88. - 46. Der Effektivwert S. !l0. - 47. Lei
stung in Wechselstromkreisen S. 91. -48. Darstellungvon WechselgroBen durch Zeiger S. 9!
I. Widerstand, Induktivitat und Kapazitat im Wechselstromkreis ..... 96
49. Wirk- und Blindwiderstand S. 96. - 50. Resonanz S. 99. - 51. Reihenschaltung von
Wirk- und Blindwiderstanden S. 100. - 52. Resonanzkreise mit Verlusten S. 102. - 53.
Verlustwinkel des Kondensators S. 104. - 54. Symbolische Behandlung von Wechselstrom
no. -
aufgaben S. 104. - 55. Induzierte Wechselspannung und magnetischer FluB S. 56.
EinfluB der Eisensattigung S. II2. - 57,' Verluste in Eisen S. Il3
K. Der Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... II6
58. Wirkungsweise des Transformators mit Eisenkern S. 116. - 59. Kappsches Diagramm
S. 124. - 60. Der Spartransformator S. 125. - 61. Die Transformatorgleichungen S. 126.
- 62. Einschaltstrom bei Transformatoren S. 127
VI Inhaltsverzeichnis
L. Drehstromsysteme .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
63. Unverkettete Drehstromsysteme S. 127. - 64. Sternschaltung S. 129. - 65. Dreieck
schaItung S. 131. - 66. Drehstromtransformator S. 133
M. Elektrische Masqhinen ............................ 133
a) Allgemeine Gesichtspunkte .......................... 133
67. Magnetischer Kreis S. 133. - 68. Spannungserzeugung S. 135. - 69. Umfangskrafte
S. 135. - 70. Anordnung der Leiter in Nuten S. 136
b) Die Gleichstrommaschine. . . . . . . . . . . . . . . . . . .......... 137
71. Aufbau und Wicklung S. 137. - 72. Spannungsformel S. 139. - 73. Ankerfeld und
Stromwendung S. 140. -74. Klemmenspannung, Strom und Drehmoment S.140. -
75. Fremderregte Gleichstrommaschine S.142. - 76. NebenschluBmaschine S. 143. -
77. Hauptstrommaschine S. 144
c) Die Synchronmaschine ............................ 145
78. Aufbau; Entstehung des Drehfeldes S. 145. -79. Leerlaufund Blindstrombelastung
S. 149. -80. Wirkstrombelastung S. 15!.
d) Die Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
. 81. Aufbau und Arbeitsprinzip S. 152. - 82. Zeigerdiagramm und Leistungsbilanz S. 154
-83. Zerlegung eines Wechselfeldes in zwei Drehfelder S. 156. - 84. Der Drehtransfor
mator S.157
N. Elektrische MeBgerate ......•......•........•...•• 158
85. Allgemeines S. 158. - 86. DrehspulmeBwerk S. 159. - 87. Dynamometrisches MeBwerk
S. 160. - 88. WeicheisenmeBwerk S. 161. - 89. HitzdrahtmeBwerk S. 162. - 90. Schleife n-
I
schwinger; Oszillograph S. 162. - 91. Elektrostatisches MeBwerk S. 163. - 92. Ballistisches
Galvanometer S. 164. - 93. Zeiger-FluBmesser S. 166. - 94. Elektrolytische Zahler S. 167. -
95. Motorzahler S. 167. -96. Induktionszahler S.168. -97. MeBwandler S.170. - 98. Lei
stungsmessung in Drehstromsystemen S. 172. - 99. Frequenzmesser S. 175. -100. Vektor
messer S. 175
O. Elektrochemische Vorgange .......................•. 177
101. Elektrolyse S.I77. -102. Polarisation; Elemente S.178. -103. Akkumulatoren S.179
P. Mehrwellige Wechselstrome und -spannungen" ...........•..•. 181
104. Grundwelle und Oberwellen S. lSI. - 105. Leistung verzerrter Wechselspannungen
und -strome S. IS2. - 106. Effektivwert mehrwelliger WechselgroBen S. 184. - 107. Ur
sachen und Bekiimpfung von Oberwellen S. 185. - 108. Schwebung S. 187
Q. Stromdurchgang durch Gase. Elektrische VentiIe .....•.. 188
109. Ionisation; Elektronenemission S. 188. - 110. Der Lichtbogen S. 189.
R. Entladungsrohren und Gleichrichter ..........•.......•.. 190
111. Die Elektronenrohre ohne Gitter S .190. -112. Die Verstiirkerrohre (Triode) S. 192.-
113. Das Stromtor (Thyratron) S. 196. - 114. Quecksilberdampf-Gleichrichter S. 9S.-
115. Trockengleichrichter S. 199
S. Stromrichterschaltungen .................•........• 201
116. Mittelpunktschaltungen S. 201. -117. Saugdrossel S. 203. -11S. Briickenschaltungen
S. 204. - 119. Gittersteuerung von QuecksiIberdampfgleichrichtern; Wechselrichter S. 205
T. Elektrische Schwingungen .........................• 207
120. Freie Schwingungen S. 207. -121. Erzwungene Schwingungen S. 211. -122. Schwin
gungskreis mitverteilter Induktivitat und Kapazitat S. 212. -123. Rohrengenerator S. 212
U. Verkniipfung elektrischer und magnetischer Wechselfelder ..•. . 214
124. Der Verschiebungsstrom S. 214. - 125. Elektromagnetische Wellen S. 217
Weiterfiihrende Literatur. 221
Sachverzeichnis •..... 222
Zusammenstellung der bauptsachlichen Bezeichnungen
Vorbemerkung: Gerichtete GroBen sind mit Frakturbuchstaben, ihre Betrage mit den ent
sprechenden Antiquabuchstaben bezeichnet. Wegen der Verwendung unterschiedlicher Schrift
arten bei der Bezeichnung von WechselgroBen wird auf S. no verwiesen.
I
B, \l3 magnetische Induktion n 1. minutliche Drehzahl
C Kapazitat 2. Augenblicksleistung
D, '£) Verschiebungsdichte N Leistung
E 1. elektromotorische Kraft w Kreisfrequenz
2. elektrische Feldstarke q 1. Leiterquerschnitt
elektrische Feldstarke 2. Ladung
Dielektrizitatskonstante Q 1. Ladung, VerschiebungsfluB
t Frequenz 2. Leistungsverlust
cp magnetischer KraftfluB r, R ohmscher Widerstand
e
1. Phasenwinkel spezifischer Widerstand
2. elektrisches Potential t, T Zeit
g,g Stromdichte {} 1. Temperatur
2. Polradwinkel
G elektrischer Leitwert e
Tragheitsmoment
H, .S) magnetische Feldstarke
u ]. elektrische S pannung
i, I, i5 Stromstarke
2. magnetisches Potential
i V-I u,u elektrische Spannung
u elektrische Leitfahigkeit v Geschwindigkeit
L Selbstinduktionskoeffizient V,fS magnetischc Spannung
A magnetischer Leitwert w Windungszahl
M Koeffizient der gegenseitigen Induktion W Energie
Md Drehmoment X Blindwiderstand
f.I. Permeabilitat 21, Z,.3 Scheinwiderstand
A. Das Wesen der Elektrizitat
1. Elementarteilchen der Elektrizitat. Wenn Elektrotechnik der Inbegriff aller
MaBnahmen ist, die darauf abzielen, dieNa turkraftElektrizitat dem Menschen dienstbar
zu machen, so erhebt sich sofort die Frage, was Elektrizitat eigentlich sei. Einer ein
gehenden Erorterung dieser Frage mussen wir leider ausweichen, da sie, ahnlich wie die
Fragenach demAufbauderMaterie und mit ihr eng zusammenhangend, inBereicheder
Physik fiihrt, die nur noch dem abstrakt-mathematischen Denken, aber nicht mehr der
anschaulichen Vorstellung zuganglicb sind. Dadurch wird uns aberder Weg zur Erkenntnis
elektrotechnischer Zusammenhange nicht versperrt; denn worauf es hier ankommt, ist
nicht die Frage nach demeigentlichen Wesen der Elektrizitat, sonderndieFrage nachihren
feststellbaren und beiihrer Anwendungwichtigen Wirkungen. Es genugtzu diesemZweck,
wenn wir uns von der Elektrizitat, die sich in vieler Hinsicht wie eine Substanz verhalt,
ein verhiiltnismaBig grobes Bild machen und gewisse Wirkungen ohne tieferes Eingehen
aufihr Zustandekommen als gegeben hinnehmen.
Man weiB heute, daB die Elektrizitat atomistischen Charakter hat, d. h., daB es
kleinste, nicht weiter teilbare Elektrizitatsteilchen gibt, deren jedes eine ganz bestimmte
Elektrizitatsmenge darstellt. Aus Grunden, die wir spater kennenlernen werden, nennt
man eine Elektrizitatsmenge auch Ladung, so daB die Elektrizitatsatome als Elemen
tarladungen anzusehen sind. Wie man sich diese Elektrizitatsatome vorzustellen
hat, muB dahingestellt bleiben. Es gibt davon zwei Sorten, die in vieler Hinsicht
genau gegensatzliches Verhalten zeigen; man unterscheidet sie als positive und negative
Elektrizitatsatome, von denen die letzteren die Sonderbezeichnung Elektronen fiihren.
Fur beide gilt, daB sie unzerstorbar sind, also unter allen Umstanden und bei jedem
Vorgang erhalten bleiben. Sind in einem Raumteil gleich viele Elektronen und positive
Elementarladungen gleichmaBig verteilt, so heben sich ihre Wirkungen nach auBen
hin auf, und der betreffende Raumteil verhiilt sich so, als ob er keine Ladung besitze.
Uberwiegen die Elektronen, so erscheint er negativ, iiberwiegen die positiven Elemen
tarladungen, so erscheint er positiv geladen. Wie sich eine positive oder negative
Aufladung eines Korpers auswirkt, werden wir spater sehen. Nun kommen, von
auBerst seltenen und fiir uns belanglosen Fallen abgesehen, nur Elektronen, d. h.
negative Elementarladungen, frei vor, wahrend die positivenElementarladungen stets an
Massenatome, also an Materieteilchen, gebunden sind. Man kann daher einem Korper
wohl Elektronen, nicht aber positive Elektrizitatsatome entziehen oder zufiihren, und
ob der Korper elektrisch positiv oder negativ geladen erscheint, hangt nur von dem Zu
wenig oder Zuviel an Elektronen abo Wir werden uns spater noch mit dem Verhalten
und dem EinfluB ruhender Ladungen auf Korpern befassen; die weitaus meisten
elektrotechnisch ausgenutzten Erscheinungen beruhen aber auf der Bewegung von
Elementarladungen, insbesondere von Elektronen.
2. Elektrische Leiter und Nichtleiter. Es gibt Stoffe, innerhalb deren eine Fort
bewegung von Ladungen moglich, und solche, bei denen das nicht oder nur in sehr
geringem MaBe der Fall ist. Man bezeichnet die ersteren als elektrische Leiter, die
letzteren als Nichtleiter oder Isolatoren. Nichtleiter sind u. a. Glas, keramische Stoffe,
Gummi, Schwefel, 61e. Zu den Leitern gehoren in erster Linie aIle Metalle, insbesondere
das fur diesen Zweck meist verwendete Kupfer, aber auch gewisse Flussigkeiten, wie z. B.
waBrige Losungen von Salzen, verdiinnte Sauren und Laugen. Die elektrische Leit-
Schutz, Elektrotechnik 1
2 Das Wesen der Elektrizitat
fahigkeit der Metalle beruht ausschlieBIich darauf, daB in ihnen Elektronen frei beweg
lich sind, wahrend bei denleitenden Flussigkeiten, den sog. Elektrolyten, der Ladungs
transport durch das Wandern positiv und negativ geladener Molekulbruchteile, sog.
Ionen, besorgt wird.
Das Vorhandensein frei beweglicher Elektronen in einem Metall ist nicht etwa so
aufzufassen, als seien die neutralen Metallatome stets von zusatzlichen Elektronen
begleitet; denn dann muBten ja alle Metalle normalerweise negative Ladung aufweisen.
Man muB sich die Elektronenbeweglichkeit in Metallen vielmehr so vorstellen, daB die
Metallatome, deren jedes aus einem positiv geladenen Kern und einer die positive Kern
ladung nach auBen neutraIisierenden Hulle von Elektronen besteht, untereinander
Elektronen austauschen konnen.
3. Elektrischer Strom. Die weitaus wichtigste Erscheinung der Elektrotechnik ist
der elektrische Strom. Wie schon der Name "Strom" andeutet, handelt es sich um eine
Bewegung elektrischer Ladungen, in einem metallischen Leiter also um das Wandern von
Elektronen innerhalb des Metalls. Wir wollen unsere Betrachtungen zunachst auf den
sog. Gleichstrom beschranken, d. h. auf den Fall, daB durch einen abgegrenzten Leiter
querschnitt positive oder negative Ladung standig nur in einer Richtung transportiert
wird. Es liegt auf der Hand, daB dann je nach der Zahl der Elementarladungen, die in
der Zeiteinheit durch den betrachteten Querschnitt flieBen, der Strom starker oder
schwacher sein kann. Wir konnen deshalb dem Strom eine meBbare GroBe zuordnen, die
als Stromstarke bezeichnet wird. Fur diese GroBe hat man, obwohl sie doch als durch
flieBende Ladung je Zeiteinheit angegeben werden kann, also eine von der Ladung abge
leitete GroBe ist, wegen ihrer uberragenden Bedeutung eine eigene Einheit, das Ampere,
geschaffen, mit deren Festsetzung wir uns aber erst spater beschiiftigen wollen.
Zuerst wollen wir uns eine wichtige Eigenschaft des bestandig flieBenden Gleich
stromes, namlich seine Kontinuitat, vergegenwartigen, die unmittelbar aus der Natur des
Stromes folgt. Wir fragen uns, in welcher Art sich beispielsweise in einem Stuck Kupfer
draht ein Strom ausbilden kann. Trager eines Stromes konnen in diesem Fall nur die im
Kupfer vorhandenen, frei beweglichen Elektronen sein. Diese haben das Bestreben,
sich gleichmaBig so in dem Metall zu verteilen, daB nirgendwo eine Elektronenanhaufung
oder -verarmung, d.h.keine UngleichmaBigkeit derAufladung zustandekommt. Um sie
aus dieser Ruhelage in Bewegung zu setzen, bedarf es einer eigentiimlichen Kraft, deren
Existenzmoglichkeit wir vorerst als gegeben hinnehmen wollen, ohne uns iiber ihre
Natur und die Art ihrer Erzeugung Gedanken zu machen. Nehmen wir an, es gelinge
uns, solch eine ladungsverschiebende Kraft in einem von seiner Umgebung elektrisch
vollig isolierten, beiderseits frei endenden Metallstab in dessen Langsrichtung zu erzeu
gen, so werden sich unter ihrem EinfluB die Elektronen in dem Metallstab in Richtung
auf dessen eines Ende hin in Bewegung set zen. Solange diese Verlagerungsbewegung
anhalt, flieBt somit in dem Metallstab elektrischer Strom. Gewohnlich wird dieser
Strom experimentell kaum nachweisbar sein; er fiihrt aber dazu, daB sich an dem
einen Ende die Elektronen haufen, wahrend das andere Ende entsprechend an Elek
tronen verarmt. Nun haben, wie gesagt, die Elektronen das Bestreben, sich gleich
maBig zu verteilen. Dieses Ausgleichsbestreben der Elektronen wirkt der ladungs
verschiebenden Kraft, die die Elektronen nach dem einen Stabende hin befordern
mochte, entgegen, und zwar um so starker, je groBer die bereits erreichte Elektro
nenhaufung bzw. -verarmung an den Stabenden ist. Die Wanderung der Elektronen
nach dem einen Stabende hin geht also nicht unbegrenzt weiter, sondern findet einmal
ein Ende dann, wenn infolge der erreichten UngleichmaBigkeit der Verteilung die
Gegenwirkung gegen die ladungsverschiebende Kraft so groB geworden ist, daB sie mit
ihr im Gleichgewicht ist. Wenn somit die UngleichmaBigkeit der Ladungsverteilung der
Kraft, durch die sie veranlaBt wird, entgegenwirkt, muB sie selbst als Ursprung einer
Kraft angesehen werden, die mit der ladungsverschiebenden Kraft wesensgleich ist,
analog wie die Kraft, mit der eine zusammengedriickte Feder sich wieder auszudehnen
bestrebt ist, der Kraft, durch die !'lie zusammengedriickt wird, wesensgleich ist.
Elektromotorische Kraft; Stromquellen 3
Das AufhOren d!:)r Elektronenwanderung bei Erreichung des geschilderten Gleich
gewichtszustandes bedeutet, daB der dieser Bewegung entsprechende Strom erlischt.
Dadurch, daB lediglich die Verteilung der Ladung geandert wird, laBt sich somit zwar
ein voriibergehender StromfluB, aber kein standig flieBender Gleichstrom erzeugen. Um
einen LadungsfluB in gleichbleibender Richtung, also einen elektrischen Gleichstrom;
beliebig lange aufrechtzuerhalten, gibt es offenbar nur eine Moglichkeit: den Ladungs
tragern muB ein geschlossener, in sich zuriicklaufender Leitungsweg zur Verfiigung
gestellt werden, und es muB auBerdem irgendwie dafiir gesorgt werden, daB sie auch tat
sachlich mit gleichbleibender Bewegungsrichtung und gleichbleibender Geschwindigkeit
in Umlauf bleiben. Man nennt solch einen geschlossenen, leitenden Weg treffend einen
elektrischen Stromkreis. Aus der Tatsache, daB ein bestandig flieBender Gleichstrom
nur einen Umlauf von Ladungen auf geschlossener Bahn darstellt, folgt, daB an jeder
Stelle eines einfachen, d. h. nicht verzweigten Stromkreises die gleiche Stromstarke vor
handen sein muB. Wenn also Gerate, in denen der Strom niitzliche Arbeit verrichtet,
gelegentlich als"Stromverbraucher"bezeichnet werden, so darf das nicht zu der irrigen
Auffassung fiihren, als werde darin wirklich Strom, ,verbraucht", d.h. als solcher zum Ver
schwinden gebracht. In einen Stromverbraucher tritt auf der einen Seite ein genau so
starker Strom ein, wie auf der anderen Seite aus ihm austritt. AIle Stromverbraucher
sind im Grunde nichts weiter als besonders ausgebildete Teilstiicke des Stromkreises.
Wenn der elektrische Strom seiner Natur nach eine Transportbewegung elektrischer
Ladungen ist, so kommt ihm auBer seiner Starke auch eine Richtung zu. Es scheint
zunachst keine Frage zu sein, daB man als Stromrichtung die Bewegungsrichtung der
Ladungen anzusehen hat, genau so, wie man als Richtung eines Fliissigkeitsstromes
selbstverstandlich dieRichtung ansieht, in der sich dieFliissigkeitsteilchen bewegen. So
einfach liegen aber die Dinge beim elektrischen Strom nicht; denn hier gibt es ja zwei
Sorten von Teilchen, namlich positive und negative Elementarladungen, und der Strom
kann entweder durch die einen oder die anderen oder sogar durch beide zugleich gebildet
werden. Dabei zeigt es sich, daB infolge der gegensatzlichen Eigenschaften beider
Ladungsarten Bewegungen ungleichnamiger Ladungen nur dann elektrisch aquivalent
sind, d. h. die gleiche elektrische Wirkung haben, wenn sie in entgegengesetzten Rich
tungen erfolgen. Ob sich in einem Querschnitt positive Ladungen von rechts nach
links oder negative Ladungen von links nach rechts bewegen, ist fiir die Wirkung der
Bewegung gleichgiiltig. Die Richtung des Stromes ist also keineswegs von vornherein
festgelegt. Man hat sich entschieden, die Bewegungsrichtung positiver Ladungen als
Stromrichtung anzusehen. Diese Festsetzung hat allerdings den SchOnheitsfehler, daB
Strome, die allein durch positiv geladene Teilchen gebildet werden, fast nie vorkom
men, um so haufiger aber Strome, die ausschlieBlich in einer Elektronenbewegung
bestehen, wie z. B. in allen metallischen Leitern. Bei der festgesetzten Stromrichtung
flieBt also fast stets der Strom der Bewegungsrichtung der Elementarladungen ent
gegen.
4. Elektromotorisehe Kraft; Stromquellen. Um Ladungen in einem Leiter in Be
wegung zu setzen oder zu halten, bedarf es einer Kraft auch dann, wenn diese Bewegung
nicht zu einer ungleichmaBigen Ladungsverteilung fiihrt. Es ist namlich eine Eigen
tiimlichkeit der leitenden Stoffe, daB sie eine Bewegung von Ladungen behindern, d. h.
ihr einen Widerstand entgegensetzen, der jede Ladungsbewegung augenblicklich zum
Stillstand kommen, also jeden Strom absterben laBt, wenn er nicht durch eine ladungs
bewegende Kraft iiberwunden wird. Dieser Widerstand kann mit dem Reibungswider
stand in der Mechanik verglichen werden, dessen stets gegen die Bewegung gerichtete
Wirkung ebenfalls zur Aufrechterhaltung jeder Bewegung eine Kraft erfordert. In un
serem Stromkreis kann deshalb ein Strom nur dann flieBen, wenn in ihm eine ladungs
bewegendeKraft wirksam ist, die die Gegenwirkung des Leitungswiderstandes iiberwindet
oder, genauer gesagt, im Gleichgewicht halt. Auch die Gegenwirkung des Leitungs
widerstandes stellt offenbar wieder eine Kraft dar, die mit der ladungsbewegenden
Kraft wesensgleich ist. Die ladungsbewegende Kraft bezeichnet man als elektromoto-
1*