Hans-Rudolf Niederberger Vordergut 1 8772 Nidfurn 31. August 2008 Energie Stromkreis Ohmsches Gesetz Ladung Elektrotechnik Grundlagen, Einführung Stromwirkungen

Hans-Rudolf NiederbergerVordergut 18772 Nidfurn

31. August 2008

Energie

Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung

Elektrotechnik Grundlagen, Einführung

Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Energieträger Einheit Beladungsmass Einheit Anwendung

Masse kg Gravitationspotenzial J/kg Bergbach, Pumpspeicherwerk

Volumen m3 Druck Pa Wasserleitung, Hydraulik, Blutkreislauf

elektrische Ladung As elektrisches Potenzial J/C = W/A = V elektrisches Netzwerk,

Oberleitung

Impuls Ns Geschwindigkeit m/s = W/N Riementrieb, Velokette, Seilwinde

Drehimpuls Nms Winkelgeschwindigkeit 1/s = W/Nm Riemenscheibe, Antriebswelle

Entropie J/K Temperatur K Wärmeleitung, Wärmetauscher

Stoffmenge mol chemisches Potenzial J/mol Brennstoffzelle

Energie EnergieträgerDie Primärgrössen werden auch Energieträger genannt.


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Energie

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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Energie

Wandelbarkeit Speicherbarkeit

Übertrag-barkeit

Rohstoffe für die Produktion elektrischer Energie W

ärm

e

Mec

hani

sch

Mag

netis

ch

Ele

ktris

ch

Ch

em

isch

Lich

t

Wa

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Erd

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Leitu

nge

n

Str

ass

e

Ern

eue

rba

re E

nerg

ie

Öl

Erdgas

Kohle

Uran

Biomasse

Wasserkraft

Windkraft

Gezeiten

Solarenergie

Fotozellen

Geothermisch

Wasserstoff

1) nicht sinnvoll 2)nur bei Inselanlagen sinnvoll 3)Rückführung der Erdwärme (X)teilweise

Energieumwandlugsprozess

X1 2 3 4 X

X1 2 3 4 X

X1 2 3 4 X

X1 2 3 4 X

X2 3 4 5 X1 X

X1 2 3 X X

X1 2 3 X X

X1 2 3 X X

X1 X X

X123 X XX

X1 2 3 X X

X12 X


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Energie

Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Energie

Ele

ktr

izit

ät

(Anwendungsbeispiele)

Mechanische Energie

Licht

Wärme

Chemisch Energie

Schall

(Generator)

(Fotoelement)

(Thermoelement)

(Galvanische Elemente)

(Mikrofon)

Mechanische Energie

Licht

Wärme

Chemisch Energie

Schall

(Motor)

(Lampen)

(Heizungen)

(Galvanisieren, Elektrolyse)

(Lautsprecher)

Wandelbarkeit


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Energie

Verteilung


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Energie

Netzformen

Ringnetz

Strahlennetz

Maschennetz


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Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromkreis

Wasserkreislauf

Wasserbecken (Speicher)

Kraftquelle (Pumpe)

Leitungen (Rohre)

Verbraucher (Wasserrad)

Bildliche Darstellung des Wasserkreislaufs Beschreibung:

Mit der Wasserpumpe wird das Wasser angesaugt und in die Wasserleitung gepumpt.(Wasserdruck)

Bei offenem Wasser-Hahn fliesst das Wasserüber den Verbraucher.


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

(Speicher)

Kraftquelle (Batterie)

Leitungen (Drähte)

Verbraucher (Lampe)

Bildliche Darstellung des elektrischen Stromkreises Beschreibung:

Stromkreis

Elektrischer Kreislauf

Die Batterie erzeugt einenElektronenüberschuss(Elektronendruck)

Der Elektronenstrom fliesst durch die

Stromleitung, wenn der Stromschaltergeschlossen ist.

Bei geschlossenem Schalter fliesst der

Strom über den Verbraucher.


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Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromkreis

Schematische Darstellung des elektrischer Stromkreises

Trennstelle:- Schalter- Überstromunterbrecher- Schütz

Elektronenpumpe,Kraftquelle:- Generator- Batterie- Solarzellen

-

+

Verbrauche:- Motor- Lampe- Heizung

Leitungswiderstand der Hinleitung:-Kabel-Drähte

RL

Leitungswiderstand der Rückleitung

RLe- e- e- e-

Richtung der wanderndenElektronen

ITechnischeStromrichtung

PhysikalischeStromrichtung


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Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromkreis

Vergleich elektrischer Stromkreis mit Wasserkreislauf

Wasserstromkreis Elektrischer Stromkreis

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

Pumpe, Kraftquelle Generator, Batterie, Kraftquelle

Rohre, Leitungen Leiter, Kabel, Leitungen

Wasserhahn, Schalter Schalter

Wasserrad, Radiator Lampe, Motor, Heizung

Verbraucher Verbraucher

Wasseruhr Ampéremeter (Strommesser)

Druckmesser Leitungsanfang ElektronendruckmesserVoltmeter Leitungsanfang

Druckmesser Leitungsende Voltmeter Leitungsende

11

2 2

3 3

4

4

5

5

5

6

6 7

7


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Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromwirkungen

Wirkungen des elektrischen Stromes

Längenänderung des DrahtesLichtwirkungDrahtbruch

Mechanische Bewegung

Kraftwirkung

Farbänderung ElektrolytMetallüberzug Platten

Das Wandern der Elektronen oder das fliessen eines

elektrischen Stromes kann man nicht sehen, nicht hören,

nicht riechen und nicht anfassen.

Nur an den Wirkungen, die der Strom hervorruft, ist der

Strom erkennbar.

Zink- Platte

Kohle- Platte

A

Strom-Messgerät (Amperemeter)

- +

Elektrolyt (Salzlösung)

+

-

A

Batterie (Kraftquelle, Elektronenpumpe)

Eisenkern

Drahtspule


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Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Beobachtung Erklärung Anwendungen

Stromwirkungen

Wärmewirkung des elektrischen Stromes

Draht wird erwärmt.Draht glüht noch nicht.

Die Elektronen-bewegung im Draht führt zur Erwärmung des Drahtes.

Boiler

2Q

1Q

VQ

1W

2Q

1Q

VQ

1W

Heizung, Bügeleisen, Lötkolben,Tauchsieder


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen


Der Draht beginnt sich durchzubiegen.

Die Elektronen-bewegung im Draht führt zur Erwärmung des Drahtes.Die Erwärmung führt zu einer Längen-änderung des Materials und damit zur Durchbiegung.

Bimetall in Schaltern zur Strom-überwachung und Auslösung:KochplattenLeitungsschutzMotorschutzThermostaten


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen


Der Draht glüht. Die Erwärmung ist so stark, dass das Material auf die Glühtemperatur gebracht wird.

Glühlampe

Heizstrahler

Haarfön


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen


Der Draht schmilzt. Die Erwärmung ist so stark, dass das Material auf die Schmelztemperatur gebracht wird.

Schmelzsicherung

Sicherungssymbol


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen

Magnetwirkung des elektrischen Stromes

Der Eisenkern wird in die Drahtspule gezogen.

Der Strom durch die Spule verursacht ein verstärktes Magnetfeld.Beim Transport elektrischer Ladung treten immer magnetische Felder auf.

Schützen, RelaisMotoren

Messinstrumente, Elektrische Klingeln, Elektromagneten, Telefonhörer, Lautsprecher, Türöffner.


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Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen

Chemische Wirkung des elektrischen Stromes

Blasenbildung an einer der Platten.

Der elektrische Strom zerlegt leitende Flüssigkeiten.Es bildet sich Wasserstoff an der positiven Platte.

Elektrolyse, Galvanisieren

Batterien (Primärelemente)

Akkumulatoren (Sekundärelemente)


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen

Lichtwirkung des elektrischen Stromes

Leuchten von Gasen Unter bestimmten Bedingungen können auch Gase elektrisch leiten. Eine Glimm-lampe enthält Gas unter geringem Druck. Der elektrische Strom bringt das Gas zum Leuchten, erwärmt es aber nur wenig.

Leuchtstofflampe

Leuchtdiode

Glimmlampe

Leuchten durch glühenden Draht

Glühlampe


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Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen


Stromwirkungen

Physiologische Wirkung des elektrischen Stromes

Muskelreizung Elektrochemischer Prozess löst Muskelreizung aus.

Medizin

Viehüter

Elektrounfall

Wahrnehmbarkeitsschwelle

Elektrisieren Ameisenlaufen an den Stromdurchflossenen Körperteilen. Mit den Händen umfasste elektrische Leiter können noch losgelassen werden.

Loslassgrenze und Krampfschwelle Mit den Händen umfasste Leiter können nicht mehr losgelassen werden. Blutdrucksteigerungen und Atemverkrampfungen können, je nach Konstitution nach 3-4Minuten zum Erstickungstod führen.

Gefahrenschwelle Bei Stromfluss über das Herz entsteht bei einer Einwirkungszeit >0,5s das gefürchtete Herzkammerflimmern oder sogar Herzstillstand

Todesschwelle Das tödliche Herzkammerflimmern lässt sich nur vermeiden, wenn der Fehlerstromkreis innerhalb <0,3s ausgeschaltet wird. Dauert der Stromfluss länger als 1s, so ist eine tödliche

Wirkung wahrscheinlich.

0,5 - 1 mA

3 - 5 mA

15 - 40 mA

50 mA

80 mA

Funktion FI


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Stromwirkungen


EinpoligerFehlerstrom-Schutzschalter

1

2

3

4

Summenstromwandler

Auslösespule

Mechanische Auslösung

Prüftaste

10 mA - SIDOS

30 mA - Personenschutz

300 mA - Brandschutz

Beschreibung der Funktion FI


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Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromwirkungen


Ist die Differenz des Stromes im Summenstromwandler gösserals die hälfte des Auslösestromes, so darf der Fehlerstromschutz-schalter auslösen.

Beim erreichen des Auslösestromes muss der Fehlerstromschutzschalter ansprechen.

Das Magnetfeld des Differenzstromes induziert in die Auslösespule eine Spannung, welche den FI ausschaltet.

Mit der Prüftaste kann ein Fehlerstrom simuliert werden.


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

(Speicher) Kraftquelle (Batterie)

Leitungen (Drähte)

Verbraucher (Lampe)

Minus-Pol (Elektronen- Überschuss) Plus-Pol

(Elektronen- Mangel)

- -

-

- - - - - - - -

- - - -

-

-

- - - - - -

-

-

-

-

Innere Energie

-

Freie Elektronen

Spannung

MerkeSpannungserzeugung heisst:

Trennen

elektrischer

Ladung

MerkeAusgleichsbestreben der elektrischen Ladung heisst:

Elektrische

Spannung

[V]

Spannungserzeugung durch Induktion


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Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

MerkeZur Spannungserzeugungdurch Induktion ist:

Anwendungen

Magnetischer Süd-Pol

Magnetischer Nord-Pol

Dauer- Magnetfld

Schleif-Ringe und Kohlenbürsten

Draht- Schleife

Verbraucher (Glühlampe)

Magnetische Energie

(Magnetfeld) und

Mechanische Energie

(Drehbewegung)

Notwendig.

Generator (Kraftwerk)

Dynamo (Velo)

Dynamisches Mikrofon(Telefon)

Spannungserzeugung durch Induktion

WasserkraftwerkAtomkraftwerk

Windkraftwerk


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Wasserkraftwerk

A

q

G en e ra to r

T u r b i n e

L

T

Gh

W asser

G en e ra to r

T u r b i n e

L

T

G

hPelton-Turbine

Kaplan-Turbine

Francis-Turbine


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Atomkraftwerk


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Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Atomkraftwerk

Pe

rio

de

Sch

ale

Periodensystem der Atome1 2 Tabelle 1 3 4 5 6 7 81 4

1 H HeWasserstoff Helium

K 1 1 Halbmetall Schwermetall Metalle Edelmetalle 2 2

7 2 9 11 12 14 16 19 202 K 2 Li 2 Be 2 B 2 C 2 N 2 O 2 F 2 Ne

Lihium Berylium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon

L 1 3 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10K 2 23 2 24 Nichtmetall Edelgase Leichtmetall 2 27 2 28 2 31 2 32 2 35 2 40

3 L 8 Na 8 Mg 8 Al 8 Si 8 P 8 S 8 Cl 8 ArNatrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon

M 1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 181a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 8 40 8 45 8 48 8 51 8 52 8 55 8 56 8 59 8 58 8 63 8 64 8 69 8 74 8 75 8 80 8 79 8 844 M 8 K 8 Ca 9 Sc 10 Ti 11 V 13 Cr 13 Mn 14 Fe 15 Co 16 Ni 18 Cu 18 Zn 18 Ga 18 Ge 18 As 18 Se 18 Br 18 Kr

Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton

N 1 19 2 20 2 21 2 22 2 23 1 24 2 25 2 26 2 27 2 28 1 29 2 30 3 31 4 32 5 33 6 34 7 35 8 36M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132

5 N 8 Rb 8 Sr 9 Y 10 Zr 12 Nb 13 Mo 13 Tc 15 Ru 16 Rh 18 Pd 18 Ag 18 Cd 18 In 18 Sn 18 Sb 18 Te 18 I 18 XeRubidium Strontium Yttrium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rutherium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon

O 1 37 2 38 2 39 2 40 1 41 1 42 2 43 1 44 1 45 0 46 1 47 2 48 3 49 4 50 5 51 6 52 7 53 8 54N 18 133 18 138 18 139 32 180 32 181 32 184 32 187 32 192 32 193 32 195 32 197 32 202 32 205 32 208 32 209 32 210 32 210 32 222

6 O 18 Cs 8 Ba 9 La 58 10 Hf 11 Ta 12 W 13 Re 14 Os 15 Ir 17 Pt 18 Au 18 Hg 18 Tl 18 Pb 18 Bi 18 Po 18 At 18 RnCäsium Barium Lanthan bis Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Astat Radon

P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86O 18 223 18 226 18 227 32 261 32 161

7 P 8 Fr 8 Ra 9 Ac 90 10 Ku 10 HaFrancium Radium Actinium bis Kutschatowium Hanium

Q 1 87 2 88 2 89 103 2 104 3 105 106

N 19 140 21 141 22 142 23 145 24 152 25 151 25 158 26 159 27 164 28 165 29 166 31 169 32 174 32 1776 O Lanthaniden 9 Ce 8 Pr 8 Nd 8 Pm 8 Sm 8 Eu 9 Gd 9 Tb 9 Dy 9 Ho 9 Er 8 Tm 8 Yb 9 Lu

(Metalle der seltenen Erden) Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium

P 2 58 2 59 2 60 2 61 2 62 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 2 68 2 69 2 70 2 71O 18 232 20 231 21 238 22 237 24 242 25 243 25 247 27 249 28 251 29 255 30 253 31 256 32 251 32 247

7 P Actiniden 10 Th 9 Pa 9 U 9 Np 8 Pu 8 Am 9 Cm 8 Bk 8 Cf 8 Es 8 Fm 8 Md 8 No 9 Lr(Uran-Metalle) Thorium Pratactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Cerium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium

Q 2 90 2 91 2 92 2 93 2 94 2 95 2 96 2 97 2 98 2 99 2 100 2 101 2 102 2 103

238

U

Uran

92

235

U

Uran

92

IsolierungAufbereitung

235U ist – wie einige andere Nuklide mit ungerader Neutronenzahl – durch thermische Neutronen relativ gut spaltbar, es ist jedoch die einzige bekannte natürlich vorkommende Substanz, die zu einer Kernspaltung – Kettenreaktion fähig ist.

235U

%,399 %,70


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Energie

Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Windkraftwerk


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Energie

Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Elektrochemische Spannungsquellen

Kohle- Platte

Zink- Platte

V

Spannungs- Messgerät (Voltmeter)

+ -

Elektrolyt (Salzlösung)

Zur Spannungserzeugung mit chemischem Vorgang ist:

Chemische Energie

notwndig.

Anwendungen:

Batterien (Primärelemente)

Akkumulatoren (Sekundärelemente)

Schutzanoden (Boiler)

Kathode Anode

Kation wandert zur Kathode

Zn2+

e-


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Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Prinzip der Elektrolyse

AmoniumchloridNH4Cl


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Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Spannungserzeuger

Prinzip der Elektrolyse

Galvanisches Bad

Kation wandert zur Kathode


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Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

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Spannungsformen

Ohmsches Gesetz

Bezeichnung Formelzeichen Einheit

Ursache [V] Volt

Intensität [A] Ampère

Resistance [] Ohm

Spannung

Strom

Widerstand

Georg Simon Ohm(16.3.1789 – 6.8.1854)

stellte die Proportion zwischenSpannung und Strom im

Frühjahr 1826 auf.

Graf Alessandro Volta18.2.1745 - 5.3.1827

Italienischer Physiker.

Entdeckte, dass zwischen zwei verschiedenen Metallen, die in

einer stromleitenden Flüssigkeit sind, eine elektrische Spannung

entsteht (Batterie).

André-Marie Ampère22.01.1775 - 10.6.1836Französischer Physiker.

Erkannte die Wirkung des magnetischen Feldes auf

stromdurchflossene Leiter. Ampère war auch Mathematiker und konnte aus physikalische Versuchen allgemeingültige Gesetze ableiten und sie als

Formel erfassen.

R

UI IRU

I

UR

U

I

R


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Ohmsches Gesetz

Ladung


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Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Ladung


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Energie

Stromkreis

Ohmsches Gesetz

Ladung


Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

Spannungsformen

Stromdichte


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Stromkreis

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Stromwirkungen

Spannungserzeuger

Stromdichte

SpannungsformenSpannungsformen

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