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 wird auch als die physikalische Stromrichtung bezeichnet. Die technische Stromrichtung weist hingegen von Plus nach Minus Ein Stromkreis muss immer mit den Polen der Batterie verbunden und vollständig geschlossen sein (siehe Abbildung B1). Es kann zusätzlich ein Schalter in den Stromkreis eingebaut werden, so dass der Stromkreis jederzeit gezielt unterbrochen und wieder geschlossen werden kann.

Schaltsymbole

Einen solchen Stromkreis ausführlich zu zeichnen wäre natürlich sehr aufwendig. Deswegen werden im folgenden sogenannte Schaltsymbole verwendet. Für jedes Bauteil im Stromkreis gibt es ein eigenes solches Symbol. Die am häufigsten verwendeten Symbole sind in Abbildung B2 dargestellt.

Der oben dargestellte einfache Stromkreis sieht in Symbolschreibweise (türkis) dann entsprechend so aus (Abbildung B3):

Abb. B3: Schaltkreis in Symbolschreibweise.

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

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

B.2 Reihen- und Parallelschaltung

In den bisherigen Stromkreisen befinden sich alle Bauteile in einer Reihe hintereinander. Daher wird hier auch von einer Reihenschaltung (siehe Abbildung B4) gesprochen. 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 B5 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. Diese Anordnung daher eine Parallelschaltung genannt.

Typische Fehlvorstellungen

Eine typische Fehlvorstellung von Kindern bezüglich der Reihenschaltung ist die sogenannte „Verbrauchsvorstellung“. Wird sich vorgestellt, 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 Kabel und ihre 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.

Weitere typische Vorstellungen sind 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 B6 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 durch die gleiche Anzahl von Lampen von gleich großen Widerständen ausgegangen werden kann.

Abb. B6: „Vereinfachung“ eines Stromkreises durch Umzeichnen.

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

Alles verstanden? Auf dieser Website sind ein paar Fragen zu den behandelten Inhalten zu finden. Sie sollen dem Verständnis und einer nachhaltigen Erkenntnisgewinnung dienen.

B.3 Regeln im elektrischen Stromkreis

Bei der Betrachtung der Reihen- und Parallelschaltung wurden 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 wird auch als „Maschenregel“ bezeichnet, 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.

Auswirkungen der Regeln in den beiden Schaltungen

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

Anmerkung: Es wird bei den folgenden Betrachtungen vorausgesetzt, 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 diese Regeln also qualitativ anhand der Helligkeit gezeigt und die eventuelle Unterschiedlichkeit von Lampen nicht diskutieren werden soll, muss erst überprüft werden, ob die realen Eigenschaften der verwendeten Lämpchen auch zu den gewünschten Ergebnissen führt.

Es wurde bereits festgestellt, dass in einer Reihenschaltung alle Lampen gleich hell leuchten, da sie vom Strom derselben Stärke I durchflossen werden. Wird einem Stromkreis mit einer Lampe eine weitere hinzugesetzt, leuchten beide gleich hell, allerdings weniger hell als die eine alleine zuvor. Das ist mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes (vgl. Gleichung 1) nachvollziehbar, denn der Widerstand im Stromkreis, den der elektrische Strom überwinden muss, wurde erhöht. Vorausgesetzt, dass die 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 R durch eine weitere Lampe vergrößert wird, dann wird I kleiner als zuvor.

Wird also in einer Reihenschaltung eine weitere Lampe hinzugefügt, 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. Wird in einem Stromkreis mit einer Lampe eine weitere als Parallelschaltung hinzugefügt, 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. Das kann dadurch veranschaulicht werden, 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 R effektiv verringert wird. Nach dem Ohmschen Gesetz gilt Gleichung 2. Wenn also U gleichbleibt und R durch einen weiteren möglichen Weg verringert wird, dann wird I größer als zuvor.

Wird also in einer Parallelschaltung eine weitere Lampe hinzugefügt, werden alle Lampen genauso hell leuchten wie zuvor die Einzelne.

(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 (vgl. Abb. B8) und nur die kaputte Lampe geht aus. Alle anderen leuchten weiter.

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B.4 Multimeter, Voltmeter und Amperemeter – wie werden Stromstärke und Spannung gemessen?

Um die Gesetze nachzuvollziehen, müssen Spannung und Stromstärke im Stromkreis gemessen und die Werte verglichen werden. Dafür wird in der Regel ein sogenanntes Multimeter verwendet – ein Messgeräte, das verschiedene Größen messen kann (siehe Abbildung B9). Wenn es als Messgerät für die Stromstärke verwendet wird, wird es auch Amperemeter genannt, 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 bzw. müssen

- - Die Anschlüsse für die Kabel im Messgerät entsprechend gewählt werden: 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 Abb. 10).
    - Ein Voltmeter misst die Spannung, die über einem Bauteil anliegt. Es wird daher parallel über dieses Bauteil geschaltet und die Kabel vor und hinter dem Bauteil eingesetzt (siehe Abb. B10).

Abb. B10: Einbau von Volt- und Amperemeter.

Für die richtige Positionierung der Messgeräte hilft diese Eselsbrücke (siehe Abbildung B10):

Um die Stromstärke I mit einem Amperemeter (Erinnerung: I-A) zu messen, wird das Amperemeter wie ein Stück Kabel (sieht aus wie ein I) in den Stromkreis eingesetzt (vgl. Abb. B10).
Um die Spannung U mit einem Voltmeter zu messen (Erinnerung: UV), wird das Voltmeter wie ein U über ein Bauteil eingesetzt (vgl. Abb. B10).