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Der elektrische Stromkreis

Bezeichnungen und Einheiten

Größe

Formelzeichen

Einheit

Einheitenzeichen/Wert

Ladung

Q

Coulomb

C

Elektrische Stromstärke

I

Ampère

A

Elektrischer Widerstand

R

Ohm

W

Elektrische Spannung

U

Volt

V

Potenzial

V

Volt

V

Zeit

t

Sekunde

s

 Schaltsymbole und Schaltskizzen

Um einen elektrischen Stromkreis zu skizzieren, verwendet man Symbole für die verschiedenen Komponenten des Stromkreises. Hier sind einige Beispiele:

 

 

 

     Batterie ,      Lampe     Schalter   Umschalter        Widerstand    Leitungs- Leitungs-        Mess-        Kondensator

    Spannungsquelle         (ein/aus)   (Zweiwegschalter)                    kreuzung    kreuzung     instrument                                                                                                                                        ohne            mit                                                                                                                                                                                                 Verbindung

Beispiel: Einfacher Stromkreis mit Spannungsquelle, Schalter, Spannungs-Messinstrument und Lampe:

Verbindungen zwischen den Bauteilen werden als waagerechte oder senkrechte Linien gezeichnet. Verbindungen zwischen Leitungen oder Anschlüssen werden durch einen dicken Punkt markiert. Bei Messinstrumenten wird die gemessene Größe angegeben.

 Elektrische Ladung, elektrische Spannung, elektrische Stromstärke

Die elektrische Ladung Q

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft, die manche Körper haben. Schon sehr lange ist bekannt, dass bestimmte Materialien (wie etwa Bernstein) in der Lage sind, andere leichte Körper (z.B. kleine Federn, Papierschnipsel) anzuziehen, wenn man sie vorher reibt. Zwei Stücke Bernstein stoßen sich hingegen ab, wenn sie mit dem gleichen Stoff gerieben wurden. Diese Anziehung bzw. Abstoßung hat natürlich nichts mit Magnetismus zu tun, da hier ja kein Eisen als Material beteiligt ist.

Da in dem einen Fall Anziehung, in dem anderen Fall aber Abstoßung auftritt, muss es wohl zwei verschiedene Arten von elektrischer Ladung geben. Diese beiden Ladungsarten hat man mit „positiver" und „negativer" Ladung bezeichnet. Wo aber kommt diese Ladung her ?

Diese und viele andere Fragen haben die Naturwissenschaftler dazu gebracht, sich darüber Gedanken zu machen, wie die Gegenstände (oder die „Materie"), die uns umgeben, aufgebaut sein könnten.

Schon vor mehr als 2000 Jahren herrschte die Vorstellung, dass jede Art von Materie aus kleinsten, unteilbaren Grundbausteinen bestehen muss. Diese hat man „Atome" genannt. Um aber die elektrische Ladung zu erklären, muss man diese Vorstellung erweitern.

Ende des 19. Jahrhunderts wurden weitergehende Theorien zum Aufbau der Atome, sogenannte Atommodelle, aufgestellt. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie zwischen einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Atomhülle unterscheiden. Im Atomkern ist praktisch die gesamte Masse des Atoms enthalten, die Elektronenhülle hingegen hat nur eine verschwindend geringe Masse.

Da Atome als Ganzes elektrisch neutral sind (schließlich gibt es zwischen den meisten Körpern keine Anziehungs- oder Abstoßungskräfte), muss ein Atom genauso viele positive wie negative Ladungen besitzen. Aufgrund verschiedener Theorien, die inzwischen als bestätigt gelten, nimmt man heute an, dass das Atom aus Grundbausteinen besteht, die sich hinsichtlich ihrer Masse und ihrer elektrischen Ladung unterscheiden. Diese Grundbausteine sind:

1. Das Elektron. Vorkommen: in der Atomhülle. Ladung: negativ. Masse: sehr klein.

2. Das Proton: Vorkommen: im Atomkern Ladung: positiv Masse: ca. 2000 mal so groß wie die des Elektrons.

3. Das Neutron: Vorkommen: im Atomkern. Ladung: keine Masse: genauso groß wie die des Protons.

Die positiven Ladungen sind also an den Atomkern gebunden und damit praktisch unbeweglich. Die negativen Ladungen sind aufgrund der leichteren Elektronen beweglich.

Beim Reiben eines Stücks Bernstein mit einem Tuch werden nun einige Elektronen vom Bernstein auf das Tuch übertragen. Da die positiven Ladungen im Bernstein zurückbleiben, einige negative Ladungen aber jetzt fehlen, sind in dem Stück Bernstein insgesamt mehr positive als negative Ladungen vorhanden; es ist jetzt positiv geladen.

Das Tuch hat die Elektronen des Bernsteins aufgenommen und daher mehr negative als positive Ladungen. Es ist jetzt negativ geladen.

Fassen wir zusammen:

In einem ungeladenen Körper sind gleich viele positive und negative Ladungen enthalten. Ein positiv geladener Körper hat einen Elektronenmangel, ein negativ geladener Körper einen Elektronenüberschuss.

Elektrisch gleichartig geladene Körper stoßen sich ab, ungleichartig geladene Körper ziehen sich an.

Die elektrische Ladung hat den Formelbuchstaben Q und wird in der Einheit Coulomb (1 C) gemessen. 1 C ist die Ladung von 6,25·1018 Elektronen.

 

Die elektrische Spannung U

Versuch: Zwei parallele Metallplatten, die einen Abstand von 1mm haben, werden kurzzeitig mit dem Plus- und dem Minuspol einer Spannungsquelle (100V) verbunden und dadurch positiv bzw. negativ aufgeladen. Ein angeschlossenes Elektroskop schlägt praktisch nicht aus. Anschließend werden die Platten durch eine Glimmlampe verbunden. Die Glimmlampe leuchtet kurz schwach auf.

Der Versuch wird wiederholt, aber vor dem Verbinden der Platten mit der Glimmlampe werden die beiden Platten um etwa 20cm auseinandergezogen. Das Elektroskop schlägt nun kräftig aus, und die jetzt angeschlossene Glimmlampe leuchtet wesentlich heller auf.

Was ist hier geschehen ? Offensichtlich wurden die Platten in beiden Fällen gleich aufgeladen, doch war die Wirkung, d.h. das Aufleuchten der Glimmlampe, sehr unterschiedlich. Die Ladungen konnten nach dem Auseinanderziehen die Glimmlampe viel heller leuchten lassen, sie hatten also mehr Energie und konnten dadurch mehr Arbeit verrichten. Diese Energie bekamen sie durch das Auseinanderziehen, denn schließlich musste eine Kraft aufgewendet werden, um die Anziehungskraft der ungleichartigen Ladungen zu überwinden. Physikalisch ist Arbeit das Produkt aus Kraft und Weg, wenn also entlang eines Weges eine Kraft aufgewendet wird, ist dies im physikalischen Sinne Arbeit. Arbeit, die an einem Körper verrichtet wird, bleibt in ihm als Energie gespeichert - sozusagen Arbeit auf Abruf.

Die Arbeitsfähigkeit einer elektrischen Ladung bezeichnet man als elektrische Spannung. Je größer die Spannung, umso mehr Arbeit können die Ladungen verrichten. Durch das Auseinanderziehen der Platten im Versuch haben wir also die Spannung, d.h. die Arbeitsfähigkeit der Ladungen erhöht, was wir durch ein kräftigeres Leuchten der Glimmlampe beobachten konnten.

Spannung U= Arbeit W/Ladung Q,

Die Einheit der Spannung ist 1 Volt : 1 V = 1 J / 1 C.

In einer Spannungsquelle werden unter Arbeitsaufwand Ladungen voneinander getrennt. Diese Arbeit kann mechanisch sein (z.B. Dynamo, Lichtmaschine im Auto, Turbine mit Generator im Kraftwerk) oder auch auf chemischen Wege verrichtet werden (in Batterien und Akkus). Zwischen den Polen besteht daher eine Spannung. Am Minuspol befinden sich die negativen Ladungen, am Pluspol fehlen sie. Wird an die Spannungsquelle nun ein Verbraucher (z.B. eine Glühlampe) angeschlossen, wandern die Elektronen vom Minuspol über den Verbraucher, wo sie Arbeit verrichten, zum Pluspol der Spannungsquelle, die dann die Ladungen wieder von Neuem trennen muss. Dazu muss wieder Arbeit verrichtet werden.

 

Die elektrische Stromstärke I

Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viele Ladungen pro Zeiteinheit durch einen Stromkreis fließen:  Man kann dies gut mit einem Wasserkreislauf vergleichen: die Stromstärke entspricht dann der Wassermenge, die durch eine Stelle des Kreislaufes pro Sekunde strömt. Um sie zu erhöhen, gibt es zwei Möglichkeiten: der Wasserdruck muss erhöht werden (dies entspricht im elektrischen Stromkreis einer Erhöhung der Spannung), oder der Leitungsquerschnitt muss vergrößert werden (entspricht auch im elektrischen Stromkreis einer Querschnittsvergrößerung). Da die Stromstärke (sowohl beim Wasser- als auch beim elektrischen Stromkreis) an jeder Stelle des (unverzweigten) Kreislaufs gleich groß ist, kann man sie an jeder beliebigen Stelle messen. Ein Stromstärkemessgerät wird daher so in den Stromkreis geschaltet, dass alle Ladungen durch das Messgerät hindurch gehen (in Reihe). Die Spannung wird dagegen parallel zum Objekt (z.B. einer Spannungsquelle) gemessen.

 

Der elektrische Widerstand R

In vielen (aber längst nicht in allen!) Gleichstromkreisen ist die Stromstärke proportional zur angelegten Spannung. Dies bezeichnet man als ohmsches Gesetz. Der Proportionalitätsfaktor wird elektrischer Widerstand R genannt.

Formeln des Ohmschen Gesetzes

Das Ohmsche Gesetz kennt drei Formeln zur Berechnung von Strom, Widerstand und Spannung:

Liegt an einem Widerstand R die Spannung U, so fließt durch den Widerstand R ein Strom I.

 

Fließt durch einen Widerstand R ein Strom I, so liegt an ihm eine Spannung U an.

 

Soll durch einen Widerstand R der Strom I fließen, so muss die Spannung U berechnet werden.

 

Das Magische Dreieck

 

 

 

 

Das magische Dreieck kann als Hilfestellung verwendet werden um die verschiedenen Formeln des Ohmschen Gesetzes zu ermitteln.
Den Wert, der berechnet werden soll, wird herausgestrichen. Mit den beiden übrigen Werten wird das Ergebnis ausgerechnet.