B – Bauteile im elektrischen Stromkreis

B.1 Elektrischer Stromkreis

Ein elektrischer Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle (zur Funktionsweise siehe Abschnitt B.2) wie beispielswiese einer Batterie, die das notwendige elektrische Feld induziert, mindestens einem elektrischen Bauteil (sonst liegt ein Kurzschluss vor) und Verbindungskabeln.

Die Elektronen als elektrisch negative Ladungsträger fließen durch den Stromkreis in Richtung des Pluspols. Die bezeichnet man auch als die technische Stromrichtung. Ein Stromkreis muss immer mit den Polen der Batterie verbunden und vollständig geschlossen sein. Man kann zusätzlich einen Schalter in den Stromkreis einbauen, so dass man den Stromkreis jederzeit gezielt unterbrechen und wieder schließen kann (siehe Abbildung B.1).

Schaltsymbole

Einen solchen Stromkreis ausführlich zu zeichnen wäre natürlich sehr aufwendig. Deswegen verwenden wir im folgenden sogenannte Schaltsymbole. Für jedes Bauteil im Stromkreis gibt es ein eigenes solches Symbol. Die am häufigsten verwendeten Symbole sind in Abbildung B.2 dargestellt.

Der oben dargestellte einfache Stromkreis sieht in Symbolschreibweise dann entsprechend so aus (Abbildung B.3):

Ob ein elektrischer Strom durch ein Bauteil fließt oder nicht, lässt sich nicht direkt erkennen. Indirekt gelingt dies aber anhand der vier Wirkung des elektrischen Stroms:

      • Wärmewirkung (z.B. in einem Heizstab (Fön, elektrische Heizung), aber auch in einer Glühlampe oder einem Kabel, das sich ebenfalls durch den Stromfluss erwärmt)
      • Lichtwirkung (z.B. in einer Lampe oder LED)
      • Magnetische Wirkung (z.B. beim Elektromagnet oder Elektromotor)
      • Chemische Wirkung (z.B. Gasentwicklung, Elektrolyse)

B.2 Reihen- und Parallelschaltung

In den bisherigen Stromkreisen befinden sich alle Bauteile in einer Reihe hintereinander. Wir sprechen daher auch von einer Reihenschaltung (siehe Abbildung B.4). Die Anordnung, also die Abfolge der Bauteile ist dabei vollkommen egal, da die Elektronen ja aus den Metallatomen des Kabels und der Bauteile stammen und nicht aus der Batterie oder Steckdose (s.o.).

Neben der Reihenschaltung gibt es auch eine andere Variante, wie sie in der folgenden Abbildung (B.5) dargestellt ist.

In dieser Schaltung verzweigt sich der Stromkreis zu zwei Maschen, die jeweils einen geschlossenen Stromkreis mit der Batterie bilden und dafür gemeinsame Kontakte zum Plus- und Minuspol der Batterie nutzen. In diesem zweiten Fall liegen die Lampen allerdings nicht mehr in Reihe, sondern parallel zueinander. Wir nennen diese Anordnung daher eine Parallelschaltung.

 Typische Fehlvorstellungen

Eine typische Fehlvorstellung von Kindern bezüglich der Reihenschaltung ist die sogenannte „Verbrauchsvorstellung“. Stellt man sich vor, dass der Strom aus der Batterie oder Steckdose kommt und von den Lampen beispielsweise einer Reihenschaltung „verbraucht“ wird, dann ist es naheliegend, zu vermuten, dass die erste Lampe heller leuchten wird als die nachfolgenden und dass die Helligkeit der Lampen sukzessive abnehmen wird. Ungleiche Bauteile lassen dies bei einem ungünstigen Aufbau eventuell auch experimentell plausibel erscheinen. Tatsächlich aber lassen sich dieser Vermutung zwei Argumente entgegenhalten:

      • Zum einen das Vorhandensein der Ladungsträger überall im Kern und ihr so gut wie simultane Bewegung, sobald der Stromkreis geschlossen wird.
      • Zum anderen wird der Strom nicht im Stromkreis „verbraucht“, da er ja auch aus Teilchen (Elektronen) besteht, die weder erzeugt noch vernichtet werden. In den Bauteilen kommt es vielmehr zu einer Umwandelung der Energie von der elektrischen Energie in andere Formen (s.u.). Die Elektronen geben hier zwar Energie ab, gewinnen bei ihrer weiteren Bewegung durch das Feld allerdings auch wieder neue Energie hinzu.

Eine weitere typische Vorstellung ist die des lokalen oder sequentiellen Denkens.

Hier nehmen die Lernenden immer nur einen einzelnen Aspekt des Stromkreises in den Blick, aber nicht das Gesamtbild. Bei einer Verzweigung wie in Abbildung B.6 führt dies beispielsweise häufig zu der Annahme, dass sich der Strom an der Verzweigung zunächst halbieren und dann ein Stück weiter im oberen Ast erneut halbieren wird.

Tatsächlich lassen sich ja aber beide Verzweigungen zusammenführen und so teilt sich der Strom bei ideal gleichen Bauteilen gerade auf 1/3 pro Strang auf, wenn wir durch die gleiche Anzahl von Lampen von gleich großen Widerständen ausgehen können.

An der Verzweigung der Parallelschaltung teilt sich der Strom auf die beiden parallelen Kabelstränge auf. Wie groß dabei Spannung und Stromstärke jeweils sind, betrachten wir im folgenden Abschnitt zu den Gesetzmäßigkeiten im Stromkreis.

B.3 Regeln im elektrischen Stromkreis

Bei der Betrachtung der Reihen- und Parallelschaltung haben wir schon so gut wie die Kirchhoff‘schen Gesetze zu Spannung und Stromstärke aufgestellt:

Maschenregel

In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke überall konstant. Es werden keine Elektronen gestaut, erzeugt oder vernichtet.  Dies bezeichnet man auch als „Maschenregel“, da es sich allgemein auf jede Reihenschaltung („Masche“) bezieht.

Die Spannung in einer solchen Masche ist hingegen nicht überall gleich, sondern additiv (s.o.). Die Teilspannungen in der Reihenschaltung addieren sich alle zur Gesamtspannung.

Knotenregel

Die Knotenregel bezieht sich auf die analogen Regeln in Parallelschaltung. In einer Parallelschaltung ist die elektrische Spannung überall konstant.

Die elektrische Stromstärke hingegen teilt sich nun auf die verschiedenen Stränge auf. Sie ist hier additiv, das bedeutet, die Stromstärken der einzelnen parallelen Stränge addieren sich zur Gesamtstromstärke.

Das Ohmsche Gesetz

Die Spannung ist die Ursache für den elektrischen Strom. Je mehr Spannung eine Spannungsquelle (z.B. Batterie) bereitstellt, desto größer sollte also auch der Strom sein, der fließen kann. Wieviel Strom tatsächlich fließt, kommt aber darauf an, wo der Strom hindurch muss. Ist der Weg „einfach“ werden große Mengen an Strom (Ladung) fließen können. Bietet der Weg allerdings dem Strom einen gewissen Widerstand, dann wird die Stromstärke geringer sein. Hat das Material, durch das der Strom fließen muss, hingegen eine gute Leitfähigkeit, also einen geringen Widerstand, fließt auch eine größere Menge an Strom.
Der Physiklehrer Georg Simon Ohm untersuchte diese Zusammenhänge im 19. Jahrhundert und stellte schließlich einen sehr einfachen Zusammenhang zwischen der Spannung U, der Stromstärke I und dem Widerstand R fest:

Dies ist heute unter dem Namen „Ohmsches Gesetz“ bekannt.

Das Ohmsche Gesetz lässt sich auch als Definition des elektrischen Widerstandes R lesen: R ist der Quotient aus der anliegenden Spannung U und dem deswegen fließenden Strom der Stärke I (U/I).

Auswirkungen der Regeln in den beiden Schaltungen

Vergleichen wir die beiden Schaltungen mit mehreren Lampen: Welche Lampen leuchten heller?

Anmerkung: Wir setzen bei den folgenden Betrachtungen voraus, dass es sich um komplett baugleiche Lampen mit demselben Widerstandswert R handelt. Das ist in der Realität und bei kostengünstigen Lämpchen häufig nicht der Fall. Bevor man diese Regeln also qualitativ anhand der Helligkeit zeigen und die eventuelle Unterschiedlichkeit von Lampen nicht diskutieren möchte, muss man erst überprüfen, ob die realen Eigenschaften der verwendeten Lämpchen auch zu den gewünschten Ergebnissen führt.

Wir haben bereits festgestellt, dass in einer Reihenschaltung alle Lampen gleich hell leuchten, da sie vom Strom derselben Stärke I durchflossen werden. Setzt man nun einem Stromkreis mit einer Lampe eine weitere hinzu, leuchten beide gleich hell, allerdings weniger als hell als die eine alleine zuvor. Das ist mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes nachvollziehbar, denn wir haben den Widerstand im Stromkreis, den der elektrische Strom überwinden muss, erhöht. Vorausgesetzt, dass unsere Batterie als Spannungsquelle weiterhin beispielsweise 9 V Spannung liefert, dann teilt sich diese Spannung nun mit jeweils ca. 4,5 V auf beide Lampen auf. Es fließt nun auch weniger Strom: Das nach I umgestellte Ohmsche Gesetz lautet

Wenn also U gleichbleibt und wir R durch eine weitere Lampe vergrößern, dann wird I kleiner als zuvor.

Fügen wir also in einer Reihenschaltung eine weitere Lampe hinzu, werden alle Lampen ein wenig weniger hell leuchten als zuvor.

Es gilt außerdem: Wenn in der Reihenschaltung eine Lampe kaputt geht (der Glühfaden also reißt) und der Strom nicht mehr durch sie hindurchfließen kann, dann ist der Stromkreis an dieser Stelle unterbrochen und alle Lampen gehen aus.

In einer Parallelschaltung sieht dies anders aus. Fügen wir in einem Stromkreis mit einer Lampe eine weitere als Parallelschaltung hinzu, dann leuchten die (baugleichen) Lampen ebenfalls alle gleich hell, da über ihnen jeweils die gleiche Spannung (im oberen Beispiel von 9V) anliegt und aufgrund ihres gleichen Widerstandes auch ein Strom gleicher Stärke durch sie fließt.  Anders als bei der Reihenschaltung leuchten die Lampen nun allerdings heller als zuvor! Das kann man sich dadurch veranschaulichen, dass in Verzweigungen zum einen die Spannung ja gleichbleibt (s.o. Knotenregel). Zum anderen steht dem Strom auf seinem Weg durch den Stromkreis an dieser „Engstelle“ des Widerstands der Lampen nun ja ein weiterer Weg offen. Er teilt sich nun also nicht nur über einen, sondern über zwei „enge“ Wege auf, wodurch der Gesamtwiderstand effektiv verringert wird. Nach dem Ohmschen Gesetz

Wenn also U gleichbleibt und wir R durch einen weiteren möglichen Weg verringern, dann wird I größer als zuvor.

Fügen wir also in einer Parallelschaltung eine weitere Lampe hinzu, werden alle Lampen ein wenig heller leuchten als zuvor.

(In der Konsequenz ist die Batterie dann aber auch schneller „leer“ als bei der Reihenschaltung.)

Es gilt außerdem: Wenn in der Parallelschaltung eine Lampe kaputt geht (der Glühfaden also reißt) und der Strom nicht mehr durch sie hindurchfließen kann, dann ist der Stromkreis nur auf diesem Weg unterbrochen und nur die kaputte Lampe geht aus. Alle anderen leuchten weiter.

B.4 Multimeter, Voltmeter und Amperemeter – wie misst man Stromstärke und Spannung?

Um die Gesetze nachzuvollziehen, müssen wir Spannung und Stromstärke im Stromkreis messen und die Werte vergleichen. Dafür verwenden wir in der Regel ein sogenanntes Multimeter – ein Messgeräte, das verschiedene Größen messen kann (siehe Abbildung B.8). Wenn wir es als Messgerät für die Stromstärke verwenden, nennen wir es auch ein Amperemeter, als Messgerät für die elektrische Spannung ein Voltmeter. Das Messgerät muss mithilfe von Kabeln in den Stromkreis an der jeweiligen Stelle als weiteres Bauteil eingebracht werden.

Je nachdem, welche Größe gemessen werden soll muss man

      • Die Anschlüsse für die Kabel im Messgerät entsprechend wählen: Ein Kabel muss stets in die Anschlussbuchse „COM“ (für common – allgemein) gesteckt werden. Die zweite Anschlussbuchse ist entsprechend der zu messenden Größe zu wählen.
      • Der Drehschalter des Messgerätes muss auf den entsprechenden Messbereich der Größe eingestellt werden.
      • Das Messgerät muss in den Stromkreis eingebracht werden:
        • Durch ein Amperemeter muss zum Messen der Stromstärke der gesamte Strom des Stromkreises hindurchfließen. Es wird daher in Reihe in den Stromkreis eingebaut (wie eine Lampe oder ein Schalter, siehe Abbildung9).
        • Ein Voltmeter misst die Spannung, die über einem Bauteil anliegt. Man schaltet es daher parallel über dieses Bauteil und setzt die Kabel vor und hinter dem Bauteil ein (siehe Abbildung9).

Für die richtige Positionierung der Messgeräte hilft diese Eselsbrücke (siehe Abbildung B.9):

  • Um die Stromstärke I mit einem Amperemeter (Erinnerung: I-A) zu messen, setzt man das Amperemeter wie ein Stück Kabel (sieht aus wie ein I) in den Stromkreis ein.
  • Um die Spannung U mit einem Voltmeter zu messen (Erinnerung: UV), setzt man das Voltmeter wie ein U über ein Bauteil ein.