Einfache Stromkreise

Elektrizitätslehre

Einfache Stromkreise

  • Warum spricht man eigentlich von Stromkreisen?
  • Was fließt denn in einem Stromkreis?
  • Was ist ein Kurzschluss?
  • Wie funktioniert eine Wechselschaltung?
  • Warum zeichnet man Schaltbilder?

Die vielen Erscheinungen der Elektrizität lassen sich mit einer relativ einfachen Vorstellung über den atomaren Aufbau von Leitern und Isolatoren verstehen.

Modellvorstellung: Atom

Einer der kleinsten Bausteine der Materie ist das Atom, welches aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle besteht. Im Normalfall ist das Atom nach außen hin neutral (dies soll durch den grauen Kreis symbolisiert werden).

Die Entwicklung des Kern-Hülle-Modells vom Atom geht auf den berühmten Physiker E. Rutherford (1871-1937) zurück. Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts hat sich die Vorstellung vom Atom erheblich verändert. Wir benutzen aber trotzdem dieses stark vereinfachte Atommodell, da es ausreicht die elektrostatischen Erscheinungen weitgehend zu verstehen.

 

neutrales Atom

Entfernt man ein Elektron aus der Atomhülle, so bleibt ein insgesamt positiv geladener Atomrumpf - ein positives Ion - zurück (dies soll durch den rosa Kreis symbolisiert werden).

positives Ion

 

Modellvorstellung: Leiter

Gehen nun die Atome (z.B. Kupferatome) eine metallische Bindung ein, so gibt jedes Atom im Mittel ein Elektron ab, welches sich relativ frei zwischen den zurückbleibenden ortsfesten, positiven Atomrümpfen bewegen kann. Insgesamt ist der Leiter neutral.


Fahre mit dem Mauszeiger auf die Zeichnung, um den dynamischen Eindruck zu gewinnen.

 

 

 

 


neutraler Leiter

 

Wird nun der Leiter negativ aufgeladen, so kommen zu den schon vorhandenen Elektronen weitere hinzu. Es herrscht Elektronenüberschuss.



negativ geladener Leiter

 

Wird der Leiter positiv aufgeladen, so wird ein Teil der schon vorhandenen Elektronen abgezogen. Es herrscht Elektronenmangel.


positiv geladener Leiter

 

Legt man an die Enden des neutralen Leiters die Pole einer Spannungsquelle, so bewirkt dies eine sogenannte Driftbewegung der beweglichen Elektronen in Richtung des Pluspols. Die Zahl der Elektronen, welche vom Pluspol aufgenommen werden, liefert der Minuspol nach. Insgesamt bleibt der Leiter neutral.

Fahre mit dem Mauszeiger auf die Zeichnung, um den dynamischen Eindruck zu gewinnen.

Zu diesem Thema gibt es auch eine hübsches Java-Applet vom Gymnasium Ibbenbüren.

 

Modellvorstellung: Isolator - Polarisation

In Isolatoren sind die Elektronen nicht frei beweglich sondern an ihr jeweiliges Atom gebunden.


Isolator-Atom in verschiedenen Situationen


Modellvorstellung
Isolator-Atom in neutraler Umgebung

Isolator-Atom in der Umgebung einer positiven Ladung

Isolator-Atom in der Umgebung einer negativen Ladung
Vereinfachte Darstellung

Im Normalfall (d.h. bei Abwesenheit anderer geladener Körper) fallen die Schwerpunkte von positiver und negativer Ladung beim Isolator-Atom zusammen, es wirkt nach außen hin neutral. In der Umgebung eines geladenen Körpers verschieben sich die Ladungsschwerpunkte. Das Isolator-Atom wird polarisiert, es entsteht ein elektrischer Dipol.

Legt man an die Enden eines neutralen Isolator-Stückes die Pole einer Spannungsquelle, so bewirkt dies eine Polarisation der Isolator-Atome, die bildlich wie folgt dargestellt werden kann:

Modellvorstellung

Vereinfachte Darstellung

Vom Stromkreis zum Schaltplan Bild 1

Vom Stromkreis zum Schaltplan Bild 1
Um eine elektrische Schaltung zu dokumentieren, kann man diese einfach fotografieren.

Diese Art der Dokumentation ist relativ aufwändig und - gerade bei komplizierteren Schaltungen - u.U. auch verwirrend, da sich Leitung überschneiden können und manche Details nicht zu erkennen sind.

Anstelle der Fotografie könnte man zu einer gegenständlichen Darstellung übergehen, welche unwichtige Details der Schaltung (z.B. Überbrückungsstecker, nicht benötigte Buchsen usw.) nicht mehr enthält. Allerdings ist auch der Entwurf der gegenständlichen Zeichnung mit Zeitaufwand verbunden.

Um die Darstellung zu vereinfachen hat man für alle wichtigen Schaltelemente Symbole eingeführt, die sich leicht und schnell zeichnen lassen. Die folgende Animation zeigt den Übergang von der gegenständlichen Darstellung zum Schaltplan (Schaltbild, Schaltskizze).

Schaltsymbole

schaltzeichen_gleichspannungsquelle.svg

schaltzeichen gleichspannungsquelle
Gleichspannungsquelle

schaltzeichen_wechselspannungsquelle.svg

schaltzeichen wechselspannungsquelle
Wechselspannungsquelle

schaltzeichen_verzweigungspunkt.svg

schaltzeichen verzweigungspunkt
Verzweigungspunkt

schaltzeichen_gluehlampe.svg

schaltzeichen gluehlampe
Glühlampe

schaltzeichen_glimmlampe.svg

schaltzeichen glimmlampe
Glimmlampe

schaltzeichen_messgeraet.svg

schaltzeichen messgeraet
Messgerät

 

Für die Wahrnehmung des elektrischen Stroms besitzen wir kein Sinnesorgan, d.h. wir können z.B. nicht sehen was in einem Stromkreis vorgeht. Um sich die Vorgänge in einem Stromkreis trotzdem klarmachen zu können, arbeiten die Physiker mit sogenannten Modellen.
In der nebenstehenden Animation ist ein Wassermodell für einen einfachen Stromkreis dargestellt. Es besteht aus einer Wasserpumpe, mit der man erreichen kann, dass im linken Vorratsgefäß der Wasserspiegel höher wird als im rechten Gefäß. Man kann auch sagen, dass im linken Gefäß ein Wasserüberschuss und im rechten Gefäß ein Wassermangel herrscht.

Sorgt man nun dafür, dass im Außenkreis ein Wasserfluss möglich ist (Drehung des unteren Hahns), so dreht sich das Wasserrad, welches uns als Anzeigegerät für den Wasserfluss dienen soll. Ist die Pumpe "stark genug" so kann sie den Wasserüberschuss im linken Gefäß und den Wassermangel im recht Gefäß aufrecht erhalten. Es besteht nun ein geschlossener Wasserstromkreis.

Ähnliche Verhältnisse wie im Wasserstromkreis kann man sich beim einfachen elektrischen Stromkreis vorstellen:
Eine "Elektronenpumpe", die man auch als Batterie oder Netzgerät bezeichnet, sorgt dafür, dass auf der linken Seite der Darstellung ein Elektronenüberschuss und auf der rechten Seite ein Elektronenmangel besteht. Die linke Seite bezeichnet man auch als Minuspol, die rechte als Pluspol der Quelle.

Schließt man nun den Schalter im Außenkreis, so ist dort Elektronenfluss möglich, das Anzeigegerät "Glühlampe" leuchtet auf. Es besteht nun ein geschlossener Elektronenkreislauf.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die vereinfachte Darstellung des Elektronenmodells. Die beiden "Vorratsgefäße" und die Elektronenpumpe sind zum Symbol für eine Spannungsquelle zusammengefasst.

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