Der elektrische Stromkreis
Der elektrische Stromkreis hat die Menschen schon seit jeher fasziniert. Obwohl man den Strom nicht sehen kann, vereinfacht er das Leben auf so vielfältige Art und Weise. Zum besseren Verständnis vergleichen wir den Stromkreis mit dem Wasserkreislauf.
Der Wasserkreislauf
Ein Wasserkreislauf besitzt eine Pumpe, welche den Wasserdruck $p$ erzeugt. Über eine Leitung fließt das Wasser zum Wasserrad, welches durch das Wasser angetrieben wird. und von da wieder zurück zur Pumpe. Ein Ventil unterbricht oder schließt den Kreislauf. Nur wenn der Kreislauf geschlossen ist kann das Wasser fließen.
Die Pumpe erzeugt den Wasserdruck $p$.
Die Leitung leitet das Wasser.
Das Wasser fließt im Wasserkreislauf.
Das Ventil unterbricht oder schließt den Kreislauf.
Das Wasserrad wird vom Wasser angetrieben.
Der elektrische Stromkreis
Ein Stromkreis besitzt einen Generator und mindestens einen Verbraucher, welche mit Leitungen in einem Kreis verbunden sind.
Der Generator erzeugt die Spannung $U$.
Der elektrische Leiter leitet den Strom.
Der elektrische Strom $I$ fließt im Stromkreis. Nur wenn dieser geschlossen ist, fließt ein Strom.
Der Schalter unterbricht/schließt den elektrischen Stromkreis.
Der elektrische Verbraucher (Leuchte, Motor, u.a.) wandelt die elektrische Energie in eine nutzbare Energie um.
Die elektrische Ladung
Ein Atom besteht aus dem Kern mit den Protonen und Neutronen sowie der Hülle, in welcher Elektronen sich auf Bahnen bewegen.
Während Neutronen elektrisch neutral sind, nennt man Protonen und Elektronen Ladungsträger. Sie tragen die kleinste elektrische Ladung, die Elementarladung $e$.
Die elektrische Ladung $Q$ gibt an wie viele freie Elementarladungen in einem Stoff gespeichert sind. Die Ladung wird in Coulomb gemessen. Mit der Anzahl $n$ kann man schreiben:
| Teilchen | Polarität | Ladung $Q$ |
| Elektron | negativ | $-1,602\cdot 10^{-19}$ C |
| Proton | positiv | $+1,602\cdot 10^{-19}$ C |
Atome oder Moleküle (z.B. H2) welche nicht elektrisch neutral sind nennt man Ionen.
Ladungen und Kräfte
Ungleiche Ladungen ziehen sich an.
Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab.
Die elektrische Spannung $U$
Trennt man unterschiedliche Ladungen, muß man Energie aufwenden, da sich diese anziehen. Die Energie wird in den Ladungen gespeichert. Gleichzeitig tendieren die Ladungen dazu sich auszugleichen. Es entsteht eine Spannung $U$ zwischen Ihnen, welche in Volt (V) angegeben wird.
Mit der aufgewendeten Energie $E$ und der Ladungsmenge $Q$ kann man schreiben:
Die wichtigsten Arten der Spannungserzeugung:
| Induktion | ein bewegtes Magnetfeld in einer Spule trennt Ladungen | Generatoren in Kraftwerken |
| Chemie | zwischen zwei Metallen in einer leitenden Flüssigkeit entsteht eine Spannung | Akkus und Batterien |
| Licht | Licht leuchtet auf eine Solarzelle und trennt Ladungen | Photovoltaikanlagen |
Spannungen messen
Spannungen größer 50 V können für den Menschen lebensgefährlich sein!
Das Spannungsmeßgerät wird parallel zum Verbraucher/Quelle geschaltet.
- Baue die Schaltung auf.
- Bestimme die Spannungen $U_0$, $U_{L1}$ und $U_{L2}$ mit dem Spannungsmeßgerät.
- Bestimme, falls möglich, einen Zusammenhang zwischen den Spannungen.
Der elektrische Strom $I$
Der elektrische Strom $I$ ist die Menge an elektrischen Ladungen $Q$, die in einer ganz bestimmten Zeit $t$ durch einen Leiter bewegt werden. Der Strom wird in Ampere (A) gemessen.
$$I=\frac{Q}{t}$$Ströme größer 50 mA können für den Menschen lebensgefährlich sein! Die Loslassschwelle ist bei 10 mA.
Strom messen
Das Strommeßgerät wird in Reihe mit Verbraucher/Quelle geschaltet. Ein Strommeßgerät parallel zur Quelle oder Verbraucher führt zu einem elektrischen Kurzschluß, welcher dessen Sicherung zerstört.
- Baue die Schaltung auf.
- Stelle die Spannung so ein, dass ein Strom von 20 mA im Stromkreis fließt.
- Bestimme den Strom $I_1$ und $I_2$ mit dem Strommeßgerät.
- Benenne die Konsequenz, wenn du die beiden Messleitungen vertauscht.
- Lies die maximale Stromhöhe ab, bei der die Sicherung im Strommeßgerät auslöst.
Elektroschock am Weidezaun
Wie der Stromkreis funktioniert lässt sich schön an diesem Video nachvollziehen. Teste dein Wissen und begründe die beobachteten Ergebnisse der einzelnen Versuche.
Wortliste und Satzbausteine
| die elektrische Ladung, -en | Kleinste Teilchen, welche zum Ladungstransport benötigt werden. Die Einheit ist Coulomb C. Die kleinste Ladung $Q$ ist die eines Elektrons, die Elementarladung $e=$ $-1.6\cdot 10^{-19}\:$C. | $Q$ in C |
| der elektrische Stromkreis, -e | besteht aus mindestens einem Generator und einem elektrischen Verbraucher sowie einem Leiter der diese in einem Kreis verbindet. | ↺Strom |
| der elektrische Strom, -"e | ist die Menge an elektrischen Ladungen $Q$, die in einer ganz bestimmten Zeit $t$ durch einen elektrischen Leiter fließen. Der Strom $I$ wird in Ampere A gemessen. | $I$ in A |
| die elektrische Spannung, -en | ist die Ursache für den elektrischen Strom und wird durch das Trennen elektrischer Ladungen erzeugt. Die Spannung $U$ wird in Volt V gemessen. | $U$ in V |
| der elektrische Leiter, ~ | leitet den Strom. Nur bei geschlossenem Stromkreis fließt ein Strom. |
| der Schalter, ~ | unterbricht oder schließt den elektrischen Stromkreis. | |
| der Generator, -en | erzeugt eine elektrische Spannung $U$ und wird deshalb auch als Spannungsquelle bezeichnet. | |
| die Spannungsquelle, -n | versorgt einen Stromkreis mit Spannung. | |
| der Stecker, ~ | Anschlussteil eines elektrischen Geräts, das in eine Steckdose gesteckt wird. | |
| die Buchse, -n | Die Anschlusstelle für einen Stecker, wie beispielsweise eine Steckdose. | |
| das Leuchtmittel, ~ | Ein elktrischer Verbraucher, welcher elektrische Energie in Licht umwandelt. |