Fast alles um dich herum benötigt Elektrizität: Dein Handy genau wie dein Kühlschrank. Doch möchtest du die Vorgänge in den Geräten genauer verstehen, so musst du dich mit ihren elektrischen Schaltungen auseinandersetzen. Denn alle elektrischen Vorgänge finden innerhalb elektrischer Stromkreise statt.
Der einfache Stromkreis
Grundsätzlich kannst du dir Stromfluss in einem Stromkreis so vorstellen, dass Ladungen entlang von Leitern fließen. Wir bilden einen Kreislauf von der negativen Seite einer elektrischen Quelle zur positiven Seite.
Dabei fließt Strom ähnlich wie Wasser von oben nach unten durch den Stromkreis, wobei die Spannungsquelle wie eine Pumpe funktioniert. Diese Darstellung unter Zuhilfenahme des Wasserflusses wird auch Wassermodell genannt und ist eine wichtige und hilfreiche Modellvorstellung in der Physik.
Angetrieben durch die elektrische Quelle existiert also ein Stromfluss im Kreislauf. Dabei fließt der Strom bei der technischen Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol. Bei der Entdeckung der Elektrizität wurde die Richtung des Stroms vom Pluspol zum Minuspol angenommen, weshalb sie auch als historische Stromrichtung in Fachbüchern zu finden ist.
Diese hat sich seitdem in der Physik durchgesetzt und wird auch bei dir in der Schule als Standard gesetzt.
Es gibt aber auch noch eine andere Charakterisierung des Stromflusses: Die physikalische Stromrichtung. Dabei fließen die Ladungen vom negativen zum positiven Pol, also entgegen des technischen Stromflusses.
Abbildung 1: Technische vs. physikalische Stromrichtung
Was ist jedoch, wenn der Stromkreis unterbrochen wird?
Ein Stromkreis ist geschlossen, wenn Strom von einer Seite der Quelle zur anderen fließen kann. Fließt der Strom nicht, weil der Kreislauf unterbrochen ist, nennen wir den Stromkreis offen. Um den Stromfluss zu unterbrechen, kannst du einen Schalter nutzen. Er hat als Schaltzeichen einen Knick in der Leiterbahn.
Nun können wir Stärke der Quelle und den Fluss der Ladungen beschreiben:
Die Stärke des Antriebs der elektrischen Quelle im Stromkreis wird durch die elektrische Spannung U beschrieben. Gemessen wird die elektrische Spannung in der Einheit Volt (V).
Der Fluss der Ladungen wird als elektrischer Strom I bezeichnet. Gemessen wird der elektrische Fluss in der Einheit Ampere (A).
Elektrische Quellen haben als Schaltzeichen zwei parallele Striche, wovon der längere den positiven und der kürzere den negativen Pol veranschaulicht.
Elektrischer Stromkreis – Ohmsches Gesetz
Um die oben genannten Größen der Spannung und dem Strom mathematisch beschreiben zu können, müssen wir eine weitere Größe einführen und mit ihnen in Verbindung setzen: den Widerstand.
Widerstand
In jedem Stromkreis gibt es einen Widerstand zwischen den Seiten der elektrischen Quelle. Dieser hemmt den Fluss der Ladungen von der einen zur anderen Seite der Quelle.
Existiert kein Widerstand zwischen den beiden Seiten der Quelle, haben wir einen sogenannten Kurzschluss: Die Ladungen fließen mit sehr hohem Strom ungehindert durch den Stromkreis!
Die Hemmung des Stromflusses in einem Stromkreis wird als Widerstand R bezeichnet. Gemessen wird der elektrische Widerstand R in der Einheit Ohm (Ω).
Der Widerstand hat als
Schaltzeichen ein Rechteck.
Achtung: Es wird hierbei zwischen einem Widerstand als Bauteil und dem inneren Widerstand von typischen elektrischen Komponenten unterschieden.
Merke dir: Der Widerstand kann durch viele verschiedene elektrische Bauteile verursacht werden: klassische Widerstände als Bauteil, Glühlampen, Spulen, Messgeräte usw.
Reihen und Parallelschaltung
Um den Effekt von mehreren Widerständen zu beobachten, schauen wir uns ein Beispiel an:
Das einfachste Beispiel für einen anschaulichen Widerstand ist eine Glühbirne (gelb mit Kreuz) in einem Stromkreis zusammen mit einer elektrischen Quelle (parallele Striche oben):
Liegt eine niedrige Spannung an der Spannungsquelle an, leuchtet die Lampe nur schwach. Legen wir jedoch eine höhere Spannung an, leuchtet die Glühbirne stärker! Somit ist auch der Stromfluss gestiegen. Der Widerstand der Glühbirne bleibt jedoch gleich.
Setzen wir nun zwei gleiche Glühbirnen hintereinander in den Stromkreis, wirst du bemerken, dass das Leuchten der beiden Glühlampen plötzlich schwächer geworden ist, als es bei einer einzigen Glühlampe der Fall war. Wir haben den Widerstand durch Reihenschaltung erhöht.
Genauso können wir zwei Glühbirnen nebeneinander parallel schalten. Beide Leuchten jeweils genauso hell wie nur eine einzige Glühbirne, durch die Schaltung fließt ein höherer Strom wegen der Verringerung des Widerstandes durch Parallelschaltung.
Zusammengefasst bedeutet es Folgendes:
Bei einer Reihenschaltung, also bei Widerständen hintereinander in einer Schaltung, addieren sich die Widerstände R:
Bei einer Parallelschaltung, also bei Widerständen nebeneinander in einer Schaltung, verringert sich der Widerstand um den Quotienten der Widerstände R mit 1:
Doch wie stehen die drei verschiedenen Größen für elektrische Stromkreise nun in Beziehung? Dafür benötigen wir das Ohmsche Gesetz.
Formel für das Ohmsche Gesetz
Beim vorherigen Beispiel haben wir eine Beziehung festgestellt zwischen Strom, Spannung und Widerstand! Das Ohmsche Gesetz beschreibt diese Beziehung mathematisch wie folgt:
Das Ohmsche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen Widerstand, Spannung und Strom:
oder
Wie immer haben wir für dich zum Thema Ohmsches Gesetz einen ausführlicheren Artikel. Oder du schaust bei der Reihenschaltung oder Parallelschaltung in die entsprechenden Artikel, um dein Wissen zu vertiefen!
Elektrischer Stromkreis – Elektrische Leistung und Arbeit
Sicherlich hast du dich schon mal gewundert, was denn die Angaben auf elektrischen Geräten bedeuten! Wie kommen die 1000W auf dem Heizlüfter zustande? Und was ist eine Kilowattstunde, nach der die Stromrechnung berechnet wird? Hier schauen wir uns das kurz an, in dem wir die Definition für die elektrische Leistung und die elektrische Arbeit einführen:
Elektrische Leistung in Watt (): multipliziere elektrische Spannung und elektrischem Strom
Elektrische Arbeit in Wattsekunden (): multipliziere elektrische Spannung und elektrischem Strom I mit der Zeit t
Somit verbraucht ein Heizlüfter mit 1000 W in einer Stunde 1000 mal 3600 Ws oder 1 kWh
Mehr dazu lernst du in den Artikeln zur elektrischen Leistung oder zur elektrischen Arbeit bei uns, schau gerne mal rein.
Elektrischer Stromkreis – Kirchhoffsche Gesetze
Komplizierte Stromkreisläufe kannst du wahrscheinlich nicht mehr intuitiv berechnen. Hier helfen dir die Knoten und Maschenregel weiter:
Knotenregel: In jedem Verzweigungspunkt sind ein- und abfließende Ströme gleich.
Maschenregel: Die Summe aller Teilspannungen ist gleich der Spannung der Quelle.
Hier ist ein einfaches Beispiel, damit du dir vorstellen kannst, wofür die Kirchhoffschen Gesetze nützlich wären:
Komplexere Schaltungen können schnell unübersichtlich werden! Oft kommen Widerstände in verschiedenen Kombinationen vor.
Siehst du beispielsweise eine Schaltung mit drei Widerständen hintereinander in einer Reihe, kannst du die Maschenregel anwenden: Die Summe der Spannungen, die jeweils an den drei Widerständen abfällt, muss der Spannung der Quelle entsprechen! Genauso darfst du den Widerstand der drei einzelnen Widerstände addieren, um den gesamten Widerstand zu berechnen.
Nun kennst du alle Grundlagen zu einfachen elektrischen Stromkreisen! Wenn dir was unklar ist oder du mehr zu einem Thema anschauen willst, schau dir unsere dedizierten Artikel an!
Elektrischer Stromkreis – Energieversorgung
Hast du dich schon mal gewundert, wo der Strom aus der Steckdose herkommt? Wie aus der Sonnenenergie elektrische Energie wird oder wie Generatoren funktionieren? Oder wie Energiespeicher Leistungsspitzen im Stromnetz ausgleichen? Schauen wir uns mal ein paar Aspekte unseres Stromnetzes genauer an.
Kraftwerke
Um den Strom für das Stromnetz zu generieren, dass auch dein Haus versorgt, werden verschiedene Kraftwerke genutzt.
Thermische Kraftwerke
Dabei gibt es Kraftwerke wie das Gaskraftwerk, Kohlekraftwerk oder Atomkraftwerk, die thermische Energie zur Energiegewinnung nutzt. Hierbei werden energiereiche Stoffe verbraucht und die Energie daraus in Form von Wärmeenergie gewonnen. Beispielsweise wird Gas verbrannt, um das Wasser im Kraftwerk zu erhitzen. Das erhitze Wasser treibt dann in allen thermischen Kraftwerken Dampfturbinen an, welche dann den eigentlichen Strom erzeugen, den du auch zu Hause nutzen kannst.
Kinetische Kraftwerke
Bei kinetischen Kraftwerken wird keine Wärmeenergie benötigt. Denn hier wird die gewonnene kinetische Energie direkt in elektrische Energie durch einen Generator umgewandelt. Dabei treibt beim Windrad der Wind oder beim Wasserkraftwerk der Wasserfluss den Generator an.
Photovoltaik
Anders funktioniert die Stromerzeugung mittels Sonnenenergie. Zwar können wir auch die thermische Energie der Sonnenstrahlung nutzen, wie bei einem Sonnenwärmekraftwerk. Meistens werden aber Solarzellen genutzt. Hier wird direkt aus der einstrahlenden Sonnenenergie Strom durch Silizium-Halbleiter in den Solarzellen erzeugt.
Energiespeicher
Auf Grund der vielen verschiedenen stromerzeugenden Kraftwerksarten kann nicht immer Strom dann zur Verfügung gestellt werden, wenn er verbraucht wird. Denn wenn du abends das Licht anmachst, scheint die Sonne nicht mehr! Vor allem im Zuge der Umstellung zu mehr erneuerbaren Energien wie Wind und Solar, welche beide wetterabhängig sind, wird die Stromversorgung immer mehr Schwankungen unterworfen.
Hier kommen Energiespeicher ins Spiel! Sie können in Phasen, wo viel Strom zur Verfügung steht ihn speichern und später bei Bedarf wieder abgeben, um die Last im Stromnetz auszugleichen.
Dafür wird kinetischer Energie genutzt: Beispielsweise die Höhenenergie bei einem Pumpspeicherkraftwerk. Oder auch chemische Energie wie in Batterien, die schnell Lastunterschiede ausgleichen können. Auch andere Arten von Speicher existieren, schau dafür in unseren Artikel zum Energiespeicher rein!
Effizienz von elektrischen Geräten
Kein Vorgang kann in der Physik 100 % effizient sein. Daher können auch elektrische Geräte nicht die gesamte elektrische Energie, die sie erhalten, für ihre Aufgabe nutzen. Ein Teil wird in Verlustleistung, oft Wärmeenergie, umgewandelt. So wird dein Computer warm oder das Netzteil, mit dem du dein Handy lädst, erwärmt sich. Wenn du den Wirkungsgrad eines Gerätes ausrechnen willst, um zu wissen, wie viel der eingehenden Energie nutzbar verwendet wird, kannst du folgende Formel nutzen.
Um den Wirkungsgrad (griechischer Buchstabe Eta) in Prozent zu berechnen, teilst du nutzbare Energie durch zugeführte Energie.
Nicht nur physikalische Kräfte wie Reibung sorgen für Verluste. Auch Spannungsumwandlung und Widerstand der Leiter sorgen für elektrische Verluste.
Strom im Haushalt
Hast du dir schon mal Gedanken darüber gemacht, wie der Strom aus der Steckdose funktioniert? Sicher – du steckst den Stecker ein und schon haben deine Geräte Strom. Aber wusstest du, dass die Steckdose nicht überall auf der Welt gleich ist? Auch die Spannung, die anliegt, unterscheidet sich: Während in der USA 110V im häuslichen Stromnetz verwendet werden, sind es bei uns 230V.
An Steckdosen in Deutschland liegen 230V an. Der Schukostecker, so heißt bei uns die Steckdose, hat zwei Leiter. Einen blauen Neutralleiter und braunen Außenleiter. Zu dem eine gelb-grüne Schutzerde, die vor Kurzschlüssen schützt.
Wenn du genauer lernen möchtest, wie das häusliche Stromnetz funktioniert, schau in unseren Artikel rein!
Elektrischer Stromkreis – Elektrische Bauteile
Außer Widerständen gibt es noch viele andere Komponenten in elektrischen Schaltungen! Hier eine Übersicht der Bauteile, über die du mehr in den Artikeln nachlesen kannst:
Generator
Ein Generator wandelt mechanischer Bewegung in elektrische Energie um. Dafür verwendet er Leiter, die in einem magnetischen Feld rotiert werden. Mittels Induktion wird dann in dem Leiter ein elektrischer Strom erzeugt. Beispielsweise der Dynamo an deinem Fahrrad erzeugt so den Strom für die Fahrradlichter.
Wenn du genauer verstehen willst, wie ein Generator funktioniert, kannst du dich in das Thema Induktion einlesen oder gleich mit dem Artikel zum Generator beginnen.
Transformator
Um den Strom aus der Steckdose mit 230V zu nutzen, müssen wir die Spannung verringern. Denn dein Handy benötigt 5V zum Laden! Genau das kann der Transformator: Wechselspannungen ineinander umwandeln, ohne dass sich die Leiter berühren müssen.
Denn durch Induktion wird die elektrische Energie von einem Leiter auf den anderen übertragen. Die Anzahl der Wicklungen der beiden Leiter bestimmt dabei die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Denn während in deinem Handyladegerät eine niedrige Spannung von 5V erzeugt wird, benötigt eine Mikrowelle über 1000V!
Kondensator
Möchtest du elektrische Energie speichern, fällt dir eventuell zuerst eine Batterie ein. Jedoch wird in einer Batterie die elektrische Energie chemisch gespeichert. Wir haben aber auch die Möglichkeit, elektrische Ladungen mit einem Kondensator direkt zu speichern.
Ein Kondensator besteht aus zwei gegenüber liegenden isolierten Leitern. Das isolierende Material zwischen den Leitern nennen wir Dielektrikum. Wir können die Kapazität (also die Maßzahl, wie viel Energie gespeichert werden kann) von Kondensatoren berechnen, wenn wir die Ladung und Spannung im Kondensator kennen.
Die Kapazität C eines Kondensators berechnet sich durch die Ladung Q geteilt durch die Spannung U
Dabei wird die Einheit Farad F für die Kapazität verwendet. Ein Farad ist dabei ein Coulomb durch ein Volt.
Meistens ist jedoch die Kapazität eines Kondensators recht klein und ergibt nur einen Bruchteil eines Farads. Als
Schaltzeichen hat ein Kondensator zwei parallele, gleich lange Linien.
Wenn du mehr über die verschiedenen Arten der Kondensatoren, wie der Leidener Flasche oder dem Plattenkondensator lernen willst, oder du wissen willst wie das Aufladen oder Entladen eines Kondensators funktioniert schau bei unseren Artikeln vorbei!
Spule
Eine Spule besteht zunächst aus einem Leiter, der aufgewickelt wurde. Dabei kann das Innere der Spule entweder luftgefüllt sein oder es wird ein Eisenkern genutzt, um die Eigenschaften der Spule zu verändern.
Durch Induktion wird ein Magnetfeld durch die Spule erzeugt. Diesem Magnetfeld wirkt, begründet durch die Induktionsgesetzte, eine Induktionsspannung in der Spule entgegen. Dieser Effekt wird in verschiedenen Schaltungen genutzt, beispielsweise in Schwingkreisen in Kombination mit einem Kondensator.
Die Spannung die in einer Spule induziert wird, berechnen wir mit der Induktivität L und der Änderungsrate des Stroms
Die Einheit der Induktivität ist dabei Henry H
Wir benötigen also eine Änderung des Stroms in einer Spule, um eine Spannung zu induzieren.
Das Schaltzeichen für eine Spule ist eine gekringelte Linie.
Wenn du mehr zur Funktionsweise einer Spule oder wofür Spulen genutzt werden erfahren willst, dann haben wir auch hierfür einen Artikel für dich.
Diode
Sicherlich sind dir LEDs ein Begriff. Wusstest du, dass das Dioden sind die leuchten? Doch nicht nur dafür werden Dioden genutzt, denn auch zum Gleichrichten von Strom oder auch in Solarzellen zur Stromerzeugung sind Dioden im Einsatz.
Dioden sind Halbleiter und bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter. Dabei ist eine Diode nur in eine Richtung stromdurchlässig: liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode durchlässig. Liegt der Pluspol jedoch an der n-Schicht, so kann kein Strom durch die Diode fließen, sie sperrt.
Als
Schaltzeichen hat eine
Diode ein Dreieck mit einem Strich am negativen Pol.
Wenn du genauer lernen möchtest, wie Dioden funktionieren und was es genau auf sich hat mit der p- und n-Schicht, dann lies doch unseren Artikel dazu
Transistor
Wie Dioden sind auch Transistoren Halbleiter. Dabei bestehen sie aus drei Halbleiterschichten, wobei die mittlere Schicht anders dotiert ist als die beiden äußeren. Nun ist an jedem der drei Hableiterschichten ein elektrischer Kontakt angeschlossen.
Fliest nun am mittleren Kontakt ein Strom, können wir den Stromfluss zwischen den beiden anderen Kontakten an- oder ausschalten. Durch Verwenden von mehreren Transistoren lassen sich dann komplexere Schaltungen und sogar logische Operationen vornehmen! So werden am Ende nach Millionen von Transistoren mächtige Schaltungen möglich, wie Handys oder Computer!
Batterie
Batterien speichern elektrische Energie in chemischen Prozessen ab. Dabei gibt es Primärbatterien, welche nur ein mal entladen werden können. Wiederaufladbare Batterien, wie sie in deinem Handy oder Laptop vorkommen, werden Sekundärbatterien oder auch Akkumulatoren (daher auch der Begriff Akku) genannt.
Bei einer Batterie wird die Spannung zwischen zwei Elektroden, die aus verschiedenen Materialien bestehen, aufgebaut. Dazwischen befindet sich ein Elektrolyt, in dem Ladungen wandern können. Je nach verwendeten Elektrodenmaterial variiert auch die Spannung der Batterie, Blei-Akkus haben beispielsweise eine Spannung von zwei Volt.
Wenn du mehr über Batterien und ihre Funktion oder Verwendung lernen willst, kannst du in unseren Artikel zur Batterie schauen.
Elektrischer Stromkreis - Das Wichtigste
- Stromkreise bilden einen Kreislauf von der positiven Seite einer elektrischen Quelle zur negativen Seite.
- Die Stärke des Antriebs der elektrischen Quelle im Stromkreis wird beschrieben durch die elektrische Spannung U. Gemessen wird die elektrische Spannung in der Einheit Volt (V).
- Der Fluss der Ladungen wird als elektrischer Strom I bezeichnet. Gemessen wird der elektrische Fluss in der Einheit Ampere (A).
- Die Hemmung des Stromflusses in einem Stromkreis wird als Widerstand R bezeichnet. Gemessen wird der elektrische Widerstand R in der Einheit Ohm (Ω).
- Das Ohmsche Gesetz, dass die Beziehung beschreibt zwischen Widerstand, Spannung und Strom lautet:
- Um die Elektrische Leistung in Watt (W) zu erhalten, multipliziere elektrische Spannung U und elektrischem Strom I:
- Zur Energieversorgung werden verschiedene Kraftwerke genutzt: Thermische-, Kinetische Kraftwerke oder Photovoltaik. Energiespeicher gleichen dabei Lastspitzen aus.
- An Steckdosen liegen 230V an. Der Schukostecker, so heißt bei uns die Steckdose, hat zwei Leiter. Einen blauen Neutralleiter und braunen Außenleiter. Zu dem eine gelb-grüne Schutzerde, die vor Kurzschlüssen schützt.
- Um den Wirkungsgrad von elektrischen Geräten zu berechnen, teilst du nutzbare Energie durch zugeführte Energie.
- Spulen sind aufgewickelte Leiter. Sie erzeugen bei einer Änderung des Stroms eine Induktionsspannung:
- Dioden sind Halbleiter mit einer p- und n-Schicht. Sie sind nur in eine Richtung stromdurchlässig.
- Transistoren sind Halbleiter aus drei Schichten. Mit ihnen können wir den Stromfluss an- oder ausschalten.
- Batterien speichern elektrische Energie in chemischen Prozessen.
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