Stromstärke messen

Die Stromstärke $I$ gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt. Sie ist die erste elektrische Größe, die du wirklich misst, mit einem Amperemeter, das in den Kreis eingebaut wird. An demselben Aufbau lassen sich drei Fragen untersuchen: Wie groß ist $I$ an verschiedenen Stellen des Kreises? Wie verhält sich $I$ bei einer Wechselquelle im Laufe der Zeit? Und worin genau unterscheiden sich Gleich- und Wechselstrom?

Fast jede quantitative Aussage der Elektrizitätslehre stützt sich auf gemessene Stromstärken: das ohmsche Gesetz, Kennlinien, Leistungsberechnungen. Wer das Amperemeter falsch einbaut, misst nicht nur falsch, sondern kann das Gerät zerstören. Und wer nur Gleichstrom kennt, versteht die Steckdose nicht: Unser Stromnetz liefert Wechselstrom, dessen Stärke und Richtung sich fünfzigmal pro Sekunde ändern. Dieses Experiment legt beides an: sauberes Messen und das Verständnis beider Stromarten.

Die Einheit Ampere gehört zu den Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems und ist nach André-Marie Ampère benannt, der ab 1820 die Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern untersuchte. Der „Stromkrieg“ um 1890 zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystemen wurde zugunsten des Wechselstroms entschieden, weil sich dessen Spannung mit Transformatoren verlustarm wandeln lässt.

Miss die Stromstärke in einem Stromkreis aus Netzgerät (Gleichspannung $6\ \mathrm{V}$), Schalter und Glühlampe. Miss nacheinander an drei Stellen: zwischen Quelle und Lampe, zwischen Lampe und Quelle (Rückleitung) und direkt am Minuspol. Vergleiche die Werte.

Was misst ein Amperemeter? Die Stromstärke ist definiert als transportierte Ladung pro Zeit: $I = Q/t$. Ein Ampere bedeutet: Jede Sekunde fließt eine Ladung von einem Coulomb durch den Leiterquerschnitt. Damit das Gerät die gesamte Ladung erfassen kann, muss der komplette Strom durch das Gerät hindurch, deshalb der Einbau in Reihe.

Die eigentliche Streitfrage: Viele erwarten, dass hinter der Lampe weniger Strom fließt als davor, weil die Lampe ja „etwas verbraucht“. Die Gegenposition: Die Lampe wandelt Energie um, aber die Ladungen fließen vollständig weiter, wie Wasser durch ein Mühlrad. Der Versuch entscheidet zwischen beiden Vorstellungen durch Messung an mehreren Stellen.

Grundbestand plus Amperemeter. Am Vielfachmessgerät zuerst den größten Strommessbereich wählen und dann herunterschalten: So kann ein unerwartet großer Strom das Gerät nicht beschädigen.

Zeichne den Schaltplan mit dem Amperemeter (Kreis mit A) in Reihe zwischen Quelle und Lampe. Markiere die drei Messstellen mit Ziffern: so lässt sich im Protokoll eindeutig sagen, welcher Messwert wo entstand.

Der Grundaufbau ist der einfache Stromkreis aus Quelle, Schalter und Lampe. Für Zielsetzung A wird ein Amperemeter nacheinander an verschiedenen Stellen in den Kreis eingefügt. Für die Zielsetzungen B und C wird die Gleichquelle gegen einen Kleinspannungs-Wechselausgang des Netzgeräts getauscht und der Verlauf mit dem Oszilloskop betrachtet.

Schritt 1: Baue den Kreis auf (Quelle auf $6\ \mathrm{V}$ Gleichspannung, Schalter offen). Unterbrich den Kreis zwischen Quelle und Lampe und setze das Amperemeter in die Lücke. Messbereich: zunächst der größte.

Schritt 2: Schließe den Schalter, lies die Stromstärke ab und notiere sie. Schalter wieder öffnen.

Schritt 3: Baue das Amperemeter aus, setze es in die Rückleitung (zwischen Lampe und Quelle) ein und miss erneut.

Schritt 4: Wiederhole die Messung direkt am Minuspol der Quelle. Vergleiche alle drei Werte.

Die Lampe leuchtet bei jeder Messanordnung gleich hell. Das Amperemeter zeigt an allen drei Messstellen im Rahmen der Ablesegenauigkeit denselben Wert:

Schritt 1: Die Kernbeobachtung deuten. An allen drei Stellen fließt derselbe Strom, $I = 0{,}30\ \mathrm{A}$. Die Vorstellung „die Lampe verbraucht Strom“ ist damit widerlegt: In einem unverzweigten Kreis ist die Stromstärke überall gleich. Was die Lampe umwandelt, ist Energie. Die Ladungen selbst fließen vollständig weiter.

Schritt 2: Den Messwert anschaulich machen. Was bedeutet $0{,}30\ \mathrm{A}$? Die Definition $I = Q/t$ lässt sich nach der Ladung umstellen, indem beide Seiten mit $t$ multipliziert werden:

In jeder Minute fließt also eine Ladung von $18$ Coulomb durch die Lampe. Ein einzelnes Elektron trägt nur etwa $1{,}6 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}$: Hinter dem unscheinbaren Zeigerausschlag steckt ein Strom von gewaltig vielen Ladungsträgern.

Schritt 3: Einheiten prüfen. $\mathrm{A} \cdot \mathrm{s} = \mathrm{C}$, genau die Einheit der Ladung. Das bestätigt die Umstellung.

Im Gleichstromkreis ist die Stromstärke zeitlich konstant und an jeder Stelle des unverzweigten Kreises gleich groß, im Beispiel $I = 0{,}30\ \mathrm{A}$. Die Messregel lautet: Amperemeter in Reihe, größten Messbereich zuerst.

Die Messgenauigkeit hängt hier weniger vom Ablesen ab als vom richtigen Umgang mit dem Messgerät: