Elektrizitätslehre

Der elektrische Stromkreis

Aufbau und Schaltzeichen, Stromfluss in Metallen, Reihen- und Parallelschaltung und die Wirkungen des Stroms.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Elektrische LadungKlasse 8

Einführung

Eine Lampe leuchtet erst, wenn der Schalter geschlossen ist. Ein einziger loser Draht irgendwo in der Kette genügt, und es bleibt dunkel, egal wie neu die Batterie ist. Das klingt selbstverständlich, sagt aber etwas Wichtiges: Strom fließt nur im geschlossenen Kreis . Er wird nicht wie Wasser aus einem Schlauch irgendwohin geschüttet, sondern läuft rundherum und kommt zur Quelle zurück. Wer das einmal richtig verstanden hat, dem erschließt sich der halbe Rest der Elektrizitätslehre von selbst.

Das kannst du nach diesem Kapitel

$den Aufbau eines Stromkreises beschreiben und mit Schaltzeichen skizzieren.$
$den Stromfluss in Metallen mit dem Elektronenmodell erklären.$
$zwischen Elektronenstrom und technischer Stromrichtung unterscheiden.$
$Reihen- und Parallelschaltung unterscheiden und ihre Eigenschaften angeben.$
$die Wirkungen des elektrischen Stroms benennen und Beispiele zuordnen.$
$die Gefahren des elektrischen Stroms einschätzen und Regeln ableiten.$

Aufbau

Jeder Stromkreis braucht dieselben drei Bestandteile: Eine Spannungsquelle (Batterie, Netzteil, Generator). Sie trennt Ladungen und hält den Antrieb aufrecht. Einen Verbraucher (Lampe, Motor, Widerstand). Dort wird die elektrische Energie in eine andere Form umgewandelt. Leitungen, die beides zu einem geschlossenen Kreis verbinden. Meist kommt ein Schalter dazu. Ist der Kreis an irgendeiner Stelle unterbrochen, fließt nirgends Strom. Das ist der Grund, warum eine einzige durchgebrannte Lampe in einer alten Lichterkette die ganze Kette dunkel macht.

Vier Bestandteile und eine Bedingung: 1 Spannungsquelle, 2 Leitung, 3 Schalter, 4 Verbraucher, und der Kreis muss geschlossen sein. Rechts fehlt nur ein einziges Stück Verbindung, und trotzdem passiert nirgendwo im ganzen Kreis mehr etwas.

Schaltzeichen und Schaltplan

Ein Schaltplan zeichnet nicht das Aussehen der Bauteile, sondern nur ihre Verbindung. Er benutzt genormte Symbole: Bauteil Schaltzeichen (Beschreibung) Spannungsquelle langer und kurzer Strich; lang = Pluspol Lampe Kreis mit Kreuz Schalter unterbrochene Linie mit beweglichem Hebel Widerstand Rechteck Motor Kreis mit M Amperemeter Kreis mit A Voltmeter Kreis mit V Leitung gerade Linie; Verbindung mit Punkt Alle Leitungen werden gerade und rechtwinklig gezeichnet. Ein Schaltplan ist keine Zeichnung des Geräts, sondern eine Aussage darüber, was womit verbunden ist.

Bauteil	Schaltzeichen (Beschreibung)
Spannungsquelle	langer und kurzer Strich; lang = Pluspol
Lampe	Kreis mit Kreuz
Schalter	unterbrochene Linie mit beweglichem Hebel
Widerstand	Rechteck
Motor	Kreis mit M
Amperemeter	Kreis mit A
Voltmeter	Kreis mit V
Leitung	gerade Linie; Verbindung mit Punkt

Diese Zeichen sind genormt, damit jeder Plan überall gleich gelesen wird. Präge dir vor allem die erste Zeile ein: Kreuzen sich zwei Leitungen ohne Punkt, sind sie nicht verbunden. Ein vergessener Punkt zeichnet eine andere Schaltung.

Was im Draht passiert

In einem Metall gibt es frei bewegliche Elektronen . Ohne angeschlossene Quelle schwirren sie ungeordnet in alle Richtungen; im Mittel bewegt sich nichts. Schließt man den Kreis, wirkt im ganzen Leiter ein elektrisches Feld . Es gibt der ungeordneten Bewegung eine gemeinsame Vorzugsrichtung : Die Elektronen driften vom Minuspol zum Pluspol. Diese gerichtete Bewegung von Ladungsträgern ist der elektrische Strom . Zwei Punkte überraschen dabei fast jeden: Die Elektronen sind langsam. Ihre Driftgeschwindigkeit beträgt weniger als einen Millimeter pro Sekunde. Ein Elektron braucht für einen Meter Kabel Stunden. Trotzdem leuchtet die Lampe sofort. Denn das elektrische Feld breitet sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aus und setzt alle Elektronen im gesamten Draht praktisch gleichzeitig in Bewegung, auch die, die schon in der Lampe sitzen. Ein hilfreiches Bild: ein bereits vollständig mit Wasser gefülltes Rohr. Drückt man vorn nach, kommt hinten sofort Wasser heraus, obwohl das vordere Wasserteilchen selbst noch lange unterwegs ist.

Zwei Stromrichtungen, und beide sind richtig

🔴 Hier liegt eine der verwirrendsten Stellen der Schulphysik, und sie hat einen rein historischen Grund. Technische Stromrichtung: von Plus nach Minus . So wurde es vereinbart, als man das Elektron noch nicht kannte und annahm, positive Ladungen bewegten sich. Elektronenstromrichtung: von Minus nach Plus . Das ist die tatsächliche Bewegungsrichtung in Metallen. Beide beschreiben dasselbe. Alle Formeln, Schaltpläne und Rechenregeln der Elektrotechnik benutzen die technische Richtung, und das funktioniert widerspruchsfrei, weil eine Bewegung positiver Ladung nach rechts dieselbe Wirkung hat wie eine Bewegung negativer Ladung nach links. Praktisch: In Aufgaben und Schaltplänen die technische Richtung benutzen. Wenn nach der Bewegung der Elektronen gefragt ist, dann ausdrücklich diese nennen.

Dasselbe Geschehen, zwei Beschreibungen: Die Elektronen wandern vom Minuspol weg, die technische Stromrichtung wurde historisch umgekehrt festgelegt und zwar lange bevor man das Elektron überhaupt kannte. Merke dir, welche gemeint ist, wenn später eine Hand-Regel angewendet wird; davon hängt das Vorzeichen ab.

Reihenschaltung

Alle Bauteile liegen hintereinander auf einem einzigen Weg. Es gibt nur einen Pfad, also fließt überall dieselbe Stromstärke . Die Spannung der Quelle verteilt sich auf die Verbraucher. Fällt ein Bauteil aus, ist der Kreis unterbrochen und alles ist aus. Mehr Bauteile bedeuten mehr Gesamtwiderstand, also weniger Strom: Zwei gleiche Lampen in Reihe leuchten schwächer als eine.

Ein einziger Weg für den Strom: Wird die rechte Lampe herausgedreht, ist der Kreis offen und beide bleiben dunkel. Genau deshalb ärgert man sich über alte Lichterketten.

Parallelschaltung

230\,\text{V}

Dieselbe Lampe herausgedreht, aber jetzt hat jede ihren eigenen Weg zur Quelle: Die linke leuchtet weiter. Vergleiche dieses Bild direkt mit dem vorigen, der Unterschied ist der Grund, warum jede Wohnung parallel verkabelt ist.

Wirkungen des elektrischen Stroms

Man erkennt Strom nur an seinen Wirkungen: Wirkung Beispiel Wärmewirkung Toaster, Glühlampe, Sicherung, Fön Lichtwirkung LED, Leuchtstofflampe, Blitz Magnetische Wirkung Elektromagnet, Motor, Relais, Lautsprecher Chemische Wirkung Elektrolyse, Galvanisieren, Batterie laden Physiologische Wirkung Muskelreizung, Herzschrittmacher, Stromschlag Die magnetische Wirkung ist die einzige, die immer auftritt, sobald Strom fließt. Sie ist deshalb der zuverlässigste Nachweis und die Grundlage des ganzen Kapitels Elektromagnetismus in Klasse 9.

Wirkung	Beispiel
Wärmewirkung	Toaster, Glühlampe, Sicherung, Fön
Lichtwirkung	LED, Leuchtstofflampe, Blitz
Magnetische Wirkung	Elektromagnet, Motor, Relais, Lautsprecher
Chemische Wirkung	Elektrolyse, Galvanisieren, Batterie laden
Physiologische Wirkung	Muskelreizung, Herzschrittmacher, Stromschlag

Gefahren

0{,}5\,\text{mA}

I = U/R

Reihe oder parallel? Die Folgen vergleichen

Zwei gleiche Lampen werden an dieselbe Batterie angeschlossen, einmal in Reihe und einmal parallel. a) Wie hell leuchten sie jeweils im Vergleich zu einer einzelnen Lampe? b) Was passiert, wenn eine Lampe durchbrennt? c) Welche Schaltung entlädt die Batterie schneller? d) Welche Schaltung benutzt man im Haus, und warum?

1 $a) Reihenschaltung. Beide Lampen liegen hintereinander auf einem Weg, ihre Widerstände addieren sich. Der Gesamtwiderstand ist doppelt so groß, also fließt nur der halbe Strom. Außerdem teilt sich die Spannung auf beide auf, jede bekommt die Hälfte. Ergebnis: Beide leuchten deutlich schwächer als eine einzelne Lampe. Parallelschaltung. Jede Lampe liegt direkt an der vollen Batteriespannung, so als wäre die andere gar nicht da. Ergebnis: Beide leuchten so hell wie eine einzelne.$
2 $b) Reihe: Der Kreis ist unterbrochen, beide Lampen gehen aus. Es gibt nur einen Weg, und der ist zerstört. Parallel: Nur der eine Zweig ist unterbrochen, die andere Lampe leuchtet weiter und sogar unverändert hell.$
3 $2 \cdot I$
4
d) Parallelschaltung, aus zwei Gründen, die beide aus a) und b) folgen:
1. Jedes Gerät bekommt die volle Netzspannung von $230\,\text{V}$ und arbeitet unabhängig davon, was sonst noch eingeschaltet ist.
2. Ein defektes Gerät nimmt nicht die ganze Wohnung mit.
In Reihe müsste man alle Geräte gleichzeitig einschalten, jedes bekäme nur einen Bruchteil der Spannung, und dieser Bruchteil hinge davon ab, wie viele Geräte gerade laufen.

Reihe: beide dunkler, Ausfall stoppt alles, kleiner Strom. Parallel: beide voll hell, unabhängig, größerer Strom. Deshalb ist jede Hausinstallation parallel aufgebaut.

Warum die Lampe sofort leuchtet

0{,}1\,\frac{\text{mm}}{\text{s}}

1 $\dfrac{5\,\text{m}}{0{,}0001\,\frac{\text{m}}{\text{s}}} = 50000\,\text{s} \approx 13{,}9\,\text{h}$
2 $Der Denkfehler liegt in der Annahme, die Lampe brauche Elektronen vom Schalter . Das ist nicht der Fall: Der Draht und die Lampe sind bereits voll von frei beweglichen Elektronen . Sie sind schon da, sie bewegen sich nur ungeordnet.$
3 $200000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$
4 $Folge: Alle Elektronen im Draht, auch die im Glühfaden der Lampe, beginnen praktisch gleichzeitig zu driften. Der Glühfaden wird sofort durchflossen und heiß.$
5 $Das passende Bild: ein Rohr, das bereits vollständig mit Wasser gefüllt ist. Drückt man vorn nach, tritt hinten sofort Wasser aus, obwohl das vorderste Teilchen selbst noch lange unterwegs ist. Was schnell weitergegeben wird, ist der Druck, nicht das Wasser. In der Leitung ist das Feld der Druck und die Elektronen sind das Wasser.$

Die Lampe braucht keine Elektronen „von vorn": Sie enthält bereits welche. Weitergegeben wird das Feld, und das fast mit Lichtgeschwindigkeit. Die langsame Drift ist echt, aber für die Einschaltverzögerung bedeutungslos.

Typischer Fehler

„Der Strom wird im Verbraucher verbraucht. Deshalb kommt aus der Lampe weniger heraus, als hineingeht."

Das steckt schon im Wort „Verbraucher", und trotzdem ist es falsch. Die Stromstärke ist vor und hinter der Lampe genau gleich groß. Man kann das mit zwei Amperemetern direkt nachmessen, und es ist eine der lehrreichsten Messungen des Kapitels. Warum das so sein muss: Elektronen werden nicht aufgebraucht, sie sind Bausteine der Materie. Sie laufen im Kreis und kommen alle zur Quelle zurück. Würde die Lampe Elektronen behalten, lüde sie sich immer stärker negativ auf und der Stromfluss käme zum Erliegen. Was tatsächlich verbraucht wird, ist Energie . Die Elektronen kommen mit hoher Energie an und verlassen die Lampe mit niedriger; die Differenz ist im Glühfaden zu Wärme und Licht geworden. Messbar ist das als Spannungsabfall über der Lampe, nicht als Stromverlust. Ein tragfähiges Bild: ein Wasserrad im Bach. Vor und hinter dem Rad fließt dieselbe Wassermenge, aber das Wasser hinterher liegt tiefer. Das Rad hat nicht Wasser verbraucht, sondern Höhe, also Energie. Sprachlich sauber: „Der Verbraucher wandelt elektrische Energie um." Nicht: „Er verbraucht Strom."

Tipps & Tricks

Beim Schaltplan mit dem Kreis anfangen. Zeichne erst die geschlossene Schleife von der Quelle zurück zur Quelle, dann setze die Bauteile hinein. Kontrollfrage bei jeder Schaltung: Gibt es genau einen Weg (Reihe) oder mehrere (parallel)? Damit ordnest du auch verschachtelte Schaltungen ein. Merkbild: Reihe ist wie eine einspurige Straße, parallel wie eine mehrspurige. Bei der einspurigen bringt eine Baustelle alles zum Stehen. Bei Stromrichtungsfragen zweimal hinschauen. Steht „technische Stromrichtung" oder „Bewegung der Elektronen"? Die Antworten sind entgegengesetzt. Das Wasserbild hilft, aber nur bis zu einem Punkt. Wasser kann aus einem offenen Rohr herauslaufen, Strom nicht. Bei jedem Vergleich lohnt die Frage, wo er aufhört zu passen. 🔴 Bei Versuchen immer den Aufbau prüfen lassen, bevor die Spannungsquelle eingeschaltet wird. Und niemals mit der Netzspannung experimentieren.

Übung 1

leicht

a) Nenne die drei Bestandteile, die jeder Stromkreis braucht. b) Was passiert, wenn der Kreis an einer Stelle unterbrochen wird? c) In welche Richtung bewegen sich die Elektronen in einem Metalldraht? d) Ordne zu, welche Wirkung des Stroms genutzt wird: Toaster, Elektromotor, Galvanisieren, LED.

Tipp anzeigen

c) Elektronen sind negativ geladen. Wovon werden sie abgestoßen?

Lösung anzeigen

a) Spannungsquelle, Verbraucher und Leitungen (üblicherweise plus Schalter). b) Es fließt nirgends mehr Strom, auch nicht in den unversehrten Teilen. Der Kreis muss vollständig geschlossen sein. c) Vom Minuspol zum Pluspol . Elektronen sind negativ und werden vom Minuspol abgestoßen, vom Pluspol angezogen. (Die technische Stromrichtung zeigt entgegengesetzt.) d) Toaster: Wärmewirkung \cdot Elektromotor: magnetische Wirkung \cdot Galvanisieren: chemische Wirkung \cdot LED: Lichtwirkung

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
a) und b) Was ein Stromkreis braucht und was ihn stoppt
$Jeder Stromkreis braucht Spannungsquelle, Verbraucher und Leitungen (üblicherweise plus Schalter). Wird er an einer Stelle unterbrochen, fließt nirgends mehr Strom, auch nicht in den unversehrten Teilen.$
2
c) In welche Richtung sich die Elektronen bewegen
$Vom Minuspol zum Pluspol . Elektronen sind negativ geladen, werden also vom Minuspol abgestoßen und vom Pluspol angezogen. Die technische Stromrichtung zeigt entgegengesetzt.$
3
d) Vier Geräte, vier Wirkungen des Stroms
$Toaster: Wärmewirkung . Elektromotor: magnetische Wirkung . Galvanisieren: chemische Wirkung . LED: Lichtwirkung .$
4
Ergebnisse deuten: der Kreis als Bedingung für alles Weitere
$Alle vier Teilaufgaben hängen an einer Bedingung: Es muss ein geschlossener Kreis vorhanden sein. Ohne ihn gibt es weder Wärme noch Licht noch Bewegung, die Wirkungen des Stroms setzen den Stromfluss voraus.$

Übung 2

mittel

20

Tipp anzeigen

a) Die Spannung verteilt sich gleichmäßig auf gleiche Bauteile.

Lösung anzeigen

U = \frac{230\,\text{V}}{20} = 11{,}5\,\text{V}

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Gegeben und Gesucht an der Lichterkette
$20$
2
a) Die Spannungsteilung in der Reihenschaltung
$U_{\text{ges}} = U_1 + U_2 + \dots$
3
a) Die Spannung je Lämpchen
$Gesamtspannung durch die Anzahl der Lämpchen teilen. Die Anzahl ist einheitenfrei, das Ergebnis behält deshalb die Einheit Volt.$
$U = \frac{230\,\text{V}}{20} = 11{,}5\,\text{V}$
Zwischenergebnis
$U = 11{,}5\,\text{V}$
4
b) Was beim Durchbrennen passiert
$Der Kreis ist unterbrochen, alle Lämpchen gehen aus. Schlimmer noch: Von außen sieht man nicht, welches defekt ist, und muss jedes einzeln prüfen.$
5
c) Ergebnis deuten: Parallelschaltung, mit Preis
$Vorteile: Brennt ein Lämpchen durch, leuchten alle anderen weiter; und jedes bekommt dieselbe Spannung, unabhängig von der Kettenlänge. Man kann verlängern, ohne dass es dunkler wird. Nachteil: Jedes Lämpchen muss für die volle Betriebsspannung ausgelegt sein, und die Kette zieht insgesamt einen deutlich größeren Strom, weshalb die Zuleitung dicker sein muss.$

Übung 3

schwer

a) Erkläre, warum ein Vogel auf einer Hochspannungsleitung nicht stirbt. b) Warum wäre es tödlich, wenn er gleichzeitig einen Masten berührte? c) Ein Fön fällt in die Badewanne. Erkläre die Gefahr. d) Warum ist bei einem Stromunfall die Stromstärke entscheidend und nicht allein die Spannung ?

Tipp anzeigen

a) Wo müsste ein Strom hinfließen, damit er durch den Vogel geht?

Lösung anzeigen

230\,\text{V}

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
a) Warum der Vogel überlebt
$Beide Füße sitzen auf demselben Draht. Zwischen ihnen liegt deshalb nur eine winzige Spannung, denn das kurze Drahtstück hat fast keinen Widerstand. Ohne nennenswerte Spannung fließt kein nennenswerter Strom durch den Vogel.$
2
b) Warum der Mast tödlich wäre
$Dann läge zwischen den Kontaktpunkten die volle Leitungsspannung, denn der Mast ist geerdet. Es entstünde ein geschlossener Weg vom Draht über den Vogel zur Erde, und der Strom wäre tödlich.$
3
c) Der Fön in der Badewanne
$230\,\text{V}$
4
d) Ergebnis deuten: warum die Stromstärke entscheidet
$10\,\text{mA}$

Zusammenfassung

Strom fließt nur im geschlossenen Kreis aus Spannungsquelle, Verbraucher und Leitungen; eine einzige Unterbrechung stoppt alles. Im Metall besteht er aus der gerichteten Drift frei beweglicher Elektronen, die vom Minus- zum Pluspol wandern, während die technische Stromrichtung aus historischen Gründen entgegengesetzt vereinbart ist. Die Elektronen selbst sind dabei sehr langsam, aber das elektrische Feld breitet sich fast mit Lichtgeschwindigkeit aus und setzt alle Elektronen im Draht gleichzeitig in Bewegung. In der Reihenschaltung gibt es einen Weg, überall dieselbe Stromstärke und eine geteilte Spannung; in der Parallelschaltung liegt an jedem Zweig die volle Spannung, der Strom teilt sich auf, und ein Ausfall betrifft nur seinen Zweig. Deshalb ist jede Hausinstallation parallel. Erkennbar ist Strom nur an seinen Wirkungen, von denen die magnetische immer auftritt.