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?

Elektrizität einst und heute

nach CVK - Natur und Technik

Elektrische Geräte und Maschinen sind im Laufe des 20. Jahrhunderts zur Selbstverständlichkeit geworden. Ein Leben ohne Elektrizität ist heute kaum noch vorstellbar. Das obige Bild zeigt Entwicklungen in verschiedenen Bereichen auf. Am Ende der Entwicklung steht meist ein Elektrogerät.

Beispiele:

  • Beleuchtung: Zu Beginn: Fackel; am Ende: Energiesparlampe;
  • Nachrichtenübertragung: Zu Beginn: Kurier auf Pferd; am Ende: Telefon oder gar Bildtelephonie;

Oskar von MILLER (1855 - 1934)
Photographie von Rudolph Dürkoop (1848-1918) [Public domain], via Wikimedia Commons

Als Oskar von Miller in den Jahren 1918 bis 1924 das Walchenseekraftwerk erbaute herrschten vielfältige Ängste und Bedenken in der Bevölkerung vor. Zum einen hatte man Angst vor der "Elektrizität", mit der man noch keine Erfahrungen hatte (tatsächlich kann der Umgang mit Elektrizität gefährlich werden s.u.), zum anderen warf man Oskar von Miller vor, dass man die vom Walchenseekraftwerk gelieferte elektrische Energie nie und nimmer benötigen würde (um diese Zeit war das Walchenseekraftwerk das weltweit größte Wasserkraftwerk). Heute wird in Deutschland mit Wasserkraftwerken nur ca. 4% des Strombedarfs gedeckt. Dabei dürfte der Anteil des Walchenseekraftwerkes deutlich unter 1% liegen.

Vorsicht beim Umgang mit der Elektrizität!

Mit der Elektrizität sind auch Gefahren verbunden. Daher musst du folgende Regeln unbedingt beachten:

  • Führe keine Versuche mit Elektrizität aus der Steckdose durch! Bei Versuchen verwenden wir nur Batterien oder Netzgeräte.
  • Öffne oder repariere keine elektrischen Geräte, selbst dann nicht, wenn der Stecker aus der Steckdose gezogen ist!

Elektrisches Heizen

Wärmewirkung überall:
Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes wird im Alltag auf vielfältige Weise für Heizzwecke ausgenutzt. Während die in einem Heizkissen eingebetteten Drähte nur wenig erwärmt werden, kommen in Heizspiralen von Kochplatten und Heizöfen auf Rotglut (ca. 800°C). Die dünnen Drähte, aus denen die Wendeln der Glühlampen gewickelt sind, werden sogar weißglühend (2600°C).

Hier einige Anwendungen:

Heizkissen
Kochplatten
Bügeleisen
Toaster
Nachtspeicherofen
Wasserkocher

Atomare Vorstellung zum elektrischen Heizen:

  • Fließt noch kein Strom durch den Kreis, so schwingen die Atomrümpfe des Metalls geringfügig um ihre Ruhelage.
    Im Mittel steuert ein Atom ein frei bewegliches Elektron für die Stromleitung bei. Auch die Elektronen führen eine leichte "Zitterbewegung" aus.

 

  • Wird der Schalter geschlossen, so bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol. Sie stoßen dabei mit den Atomrümpfen und versetzen diese in stärkere Schwingungen.
    Stärker schwingende Atomrümpfe äußern sich makroskopisch in einer höheren Temperatur des Leiters.

Schaltertypen

Zum Unterbrechen und Schließen von Stromkreisen gibt es eine Reihe von Schaltertypen, die im Folgenden kurz vorgestellt werden. Die technische Ausführung des jeweiligen Schaltertyps hängt stark vom Verwendungszweck ab und ist sehr vielgestaltig. Die in der Schule vorgeführten Schalter sind meist sehr übersichtlich, haben in der Praxis aber keinerlei Bedeutung.

vielerlei Miniaturschalter

Ein-Aus-Schalter

Der Ein-Aus-Schalter ist wohl der häufigste Typ. Im Haushalt wird er z.B. zum Schalten des Lampenstromkreises oder aber auch zum Ein- und Ausschalten von Elektrogeräten verwendet.

Symbol

T
Tastschalter

Der links abgebildete Tastschalter ist nur für Stromkreise geeignet, bei denen nicht zu große Ströme fließen (z.B. Klingel). Bei höheren Strömen würden sich zu starke Funken bilden, die in Lichtbögen ausarten und auf Dauer die Kontakte zerstören würden.

Um Lichtbögen zu verhindern, muss der Schaltvorgang möglichst rasch erfolgen. Man erreicht dies beim rechts abgebildeten Kippschalter mit einer Feder, die für ein schnelles Lösen und Schließen des Kontaktes sorgt.

Hinweis:
Fahre mit der Maus auf die Zeichnungen, um den Schaltvorgang zu sehen.


Kippschalter

Um die Schaltzustände in einem Stromkreis übersichtlich zu dokumentieren, führt man sogenannte Schalttabellen ein. Dabei ordnet man z.B. dem geöffneten Schalter (S) den Wert 0 und dem geschlossenen Schalter den Wert 1 zu. Der nichtleuchtenden Lampe (L) werde der Wert 0 und der leuchtenden Lampe der Wert 1 zugeordnet.

 

Wechsel-Schalter

Eine etwas aufwändigere Konstruktion ist der Wechselschalter. Ausgehend von einem Anschluss (z.B. links) kann der Schalter auf zwei verschiedene Anschlüsse (z.B. rechts) gelegt werden.

Symbol

Eine mögliche Anwendung ist das unabhängige Ein-Aus-Schalten einer Gangbeleuchtung von zwei verschiedenen Stellen aus.
Immer dann, wenn einer der beiden Schalter betätigt wird, ändert sich der Zustand der Lampe.

 

Kreuz-Schalter

Noch etwas aufwändiger als der Wechselschalter ist der sogenannte Kreuzschalter.

Symbol

Eine mögliche Anwendung stellt die Umkehrung der Drehrichtung bei einem Gleichstrom-Elektromotor dar. Durch Betätigung des Kreuzschalters werden die Pole der Spannungsquelle am Motor vertauscht.

 

Das unabhängige Ein-Aus-Schalten einer Gangbeleuchtung von drei verschiedenen Stellen kann durch die Kombination von zwei Wechsel- und einem Kreuzschalter gelöst werden:

 

Schmelzsicherung

Fließt im Haushalt in einem Kreis ein zu hoher Strom (z.B. beim Anschluss von zu vielen Geräten oder bei einem Kurzschluss), so kann es zur Überlastung und damit Zerstörung von Geräten kommen. Darüber hinaus könnten sich die Zuleitungen so stark erwärmen, dass es zu einem Brand kommt. Um dies zu verhindern baut man in den Stromkreis eine Art "Sollbruchstelle" ein, eine Sicherung. Bei der Schmelzsicherung nutzt man die Wärmewirkung des elektrischen Stroms aus.

Wichtigstes Element der Schmelzsicherung ist der sogenannte Schmelzleiter. Wird dieser von einem zu hohen Strom durchflossen, beginnt er zu schmelzen und unterbricht den Stromkreis. Der Schmelzleiter ist in Quarzsand gebettet, so dass es nicht zu einer Entzündung der Umgebung kommt. Damit man leicht erkennen kann, ob eine Schmelzsicherung "durchgebrannt" ist, befindet sich am einen Ende ein Sichtplättchen, das von einem Draht und einer Feder gehalten wird.

Bei Überlastung schmilzt auch der Haltedraht, die Feder kann sich nun entspannen und das Sichtplättchen fällt von der Sicherung ab (vgl. Animation rechts).

Im Handel gibt es Sicherungen, welche bei den verschiedensten Stromstärken schmelzen.

 

 

 

In Altbauten sind die Schaltkreise z.T. noch so ausgelegt, dass die Maximalstromstärke 10A beträgt. Früher reichte diese Stromstärke in der Regel aus, da man die Elektrizität im wesentlichen nur zur Beleuchtung nutzte. Heute verwendet man viele Haushaltsgeräte (z.B. Waschmaschine) durch die z.T. Ströme deutlich über 10A fließen.
Der Besitzer einer Altbauwohnung dessen Netz mit 10A abgesichert ist, wird feststellen, dass beim Betrieb seiner Waschmaschine regelmäßig die 10A-Sicherung durchbrennt. Um dem abzuhelfen, könnte er auf die Idee kommen anstelle der 10A-Sicherung eine 16A-Sicherung zu verwenden. Diese Maßnahme kann jedoch zu einem Leitungsbrand führen, da die Zuleitungen nur für 10A dimensioniert sind.

Um den falschen Einbau von Sicherungen in die Fassung zu verhindern, haben die Fassungen spezielle Passeinsätze, die es nicht zulassen, dass in eine Fassung für eine 10A-Sicherung eine 16A-Sicherung eingebaut wird.

 

Die Feinsicherungen oder Gerätesicherungen sollen im Fehlerfall in erster Linie das Gerät vor Zerstörung schützen. Feinsicherungen sind fast durchweg Schmelzsicherungen. Bei Überlast schmilzt ein feiner Draht durch. Sie sind mehr oder minder gut zugänglich am oder im Gerät untergebracht.
Beim Austausch einer Feinsicherung ist auf die richtige Volt- und Amperezahl zu achten: Man findet diese Angaben in den Gerätepapieren und auf den Metallkappen der Sicherungen eingeprägt. Neben diesen Werten muss man aber noch auf die Charakteristik der Sicherung achten: Soll die Sicherung schon bei sehr kurzfristiger Überschreitung ihrer Amperezahl durchbrennen, ist sie flink - was durch den eingeprägten Buchstaben »F« gekennzeichnet wird. Darf der Strom etwas länger über der höchst zulässigen Amperezahl liegen, ist die Sicherung mittelträge (»M«) oder träge (»T«).
Auslöseverhalten der Feinsicherung Kennbuchstabe
Superflink
FF
Flink
F
Mittelträge
M
Träge
T
Superträge
TT

intakt

geschmolzen

Auch im Auto findet man im Sicherungskasten, der sich meist unter der Motorhaube befindet diverse Schmelzsicherungen.


Schmelzsicherung
im Auto (alt)

Sicherheitstipp
Ganz generell gilt für alle Arten von Sicherungen: Sie dürfen keinesfalls überbrückt oder geflickt werden, da hierdurch die Leitungen beziehungsweise das Gerät überlastet oder zerstört werden könnte (mit entsprechender Brandgefahr). Nur ein Elektriker darf eine Sicherung durch eine stärkere Ausführung ersetzen oder einen Leitungsschutzschalter austauschen.

  • Sicherungen schützen Leitungen und Geräte vor Überlastung und Kurzschluss.
  • Sicherungen dürfen nicht geflickt oder überbrückt werden.
  • Nach dem Auslösen einer Sicherung immer erst den Fehler suchen und beseitigen.
    Dann die (neue) Sicherung einbauen.

In einem kurzen Videoclip zeigt Prof. Avimov die Wirkung einer Schmelzsicherung:
Die Glühlampen sind parallel geschaltet und werden der Reihe nach in ihre Fassungen eingeschraubt. Überschreitet der Strom im Hauptkreis einen bestimmten Wert, so brennt die Schmelzsicherung durch.

 

Glühlampe

Aufbau der Glühlampe

Wendel und Doppelwendel

Gasfüllung

Untersuchung einer Glühlampe

Historische Entwicklung

Halogenlampen

Lebensdauer

 

Stromkabel

Beim frühen Umgang mit der Elektrotechnik (etwa zu Beginn des 19. Jahrhunderts) hatte man keine Schwierigkeit passende Leiter zu finden. Das Problem war vielmehr die Isolation dieser Leitungen. So berichtet z.B. Sömmering über Versuche mit Sigellack, Firnis und auch Kautschuk. Manche Experimentatoren versuchten die Isolation mit Hilfe von Seidenfäden. Später verwandte man Guttapercha eine zähe gummiartige Masse, welche aus einer Pflanze in Malaysia gewonnen wurde.
Heutzutage stehen uns vielerlei Kunststoffe zur Verfügung, so dass die Isolation von Leitern - solange die Spannung ("Voltzahl") nicht allzu hoch ist - keine großen Schwierigkeiten mehr bereitet.

Im Folgenden stellen wir dir verschiedene Kabeltypen vor. Einige wirst du schon von zu Hause kennen, andere dagegen sind sehr interessante Sonderformen.

Grundsätzlich gilt:

  • Je höher die Ströme sind, welche durch die Leitung fließen, desto größer müssen die Leitungsquerschnitte sein.
  • Je höher die auftretenden Spannungen (Voltzahlen) sind, desto aufwändiger muss die Isolation sein.

Flexible Leitungen im Haushalt zur Verbindung eines Elektrogeräts mit der Steckdose:

Bei diesen Verbindungen umhüllt ein Isolationsschlauch drei ihrerseits isolierte Adern aus Kupferlitze (dünne verdrillte Kupferdrähte), welche sehr flexibel ist.

Über die Farbgebung der Adern erfährst du beim Thema "Schuko-System" nähere Informationen.


Kunststoffschlauchleitung
  Relativ starre Leitung aus einem dickeren Kupferdraht. Solche Leitungen befinden sich oft in einem Isolationsrohr, welches in (Unterputz) oder auf einer Wand (Aufputz) befestigt ist.
Oft befinden sich diese Leitungen in einem gemeinsamen Kunststoffmantel. Man nennt diese Anordnung Stegleitung, die Unterputz verlegt wird.

Gummischlauchleitung
 

Stegleitung

Bügelschnur
  Durch die Leitungen für das Telefon fliesen kleine Ströme. Telefonleitungen können daher sehr dünn ausgeführt werden. Meist werden sehr viele Einzelleitungen gebündelt.

Telefonleitung

Hochspannungskabel
Durch diese Leitungen fließen hohe Ströme bei hohen Spannungen (Voltzahlen). Sie müssen daher große Durchmesser besitzen und gut isoliert sein. Meist nutzt man als Isolator die Luft, d.h. man hängt die Kabel zwischen den Keramikisolatoren an den Masten frei auf (Freileitungen). Nur in stark bevölkerten Gebieten oder wo die großen Masten das Landschaftsbild empfindlich stören würden, führt man auch diese Hochspannungskabel in der Erde. Aufgrund der aufwändigen Isolation ist diese Methode jedoch sehr teuer.

Freileitungen sind in der Regel nicht aus Kupfer, da diese Leitungen ein zu hohes Gewicht hätten. Man verwendet stattdessen dicke Aluminiumkabel, die um einen Stahlkern angeordnet sind. Dieser Kern sorgt für die notwendige Stabilität der Leitungen.

Nebenstehend ist ein Hochspannungskabel für die Erdverlegung dargestellt. In dem Bild kann man die aufwändige Isolation erkennen.

Tiefseekabel
Im Jahre 1857 lässt C. W. Field ein ca. 4000 km langes Kabel mit der Masse 2500 Tonnen herstellen, das als Telegraphenkabel zwischen Europa und Nordamerika dienen soll. Ohne Telegraphie betrug zu dieser Zeit das Übermitteln einer Nachricht noch über eine Woche. Das Telegraphenkabel sollte Abhilfe schaffen doch der erste Versuch scheiterte kläglich. Man gab nicht auf, baute verbesserte Kabel und konstruierte eigens Kabel-Verlege-Schiffe.

Trotz der Satelliten unterhält man auch heute noch viele Tiefseekabel, da sie gegenüber der Nachrichtenübertragung mit Satelliten einige Vorteile besitzen:

  • Tiefseekabel können riesige Datenmengen übertragen.
  • Sie sind sehr robust.
  • Die Laufzeit über die Tiefseekabel ist deutlich geringer als die bei Satellitenübertragung (ca. Faktor 3).


Karte der verlegten Tiefseekabel

Da mit Licht umfangreichere Datenmengen transportiert werden können als mit elektrischen Signalen, ersetzt man die Kupfer-Seekabel inzwischen durch Glasfaser-Seekabel. Bis zu 100 Glasfasern und mehr werden um ein dünnes zentrales Kupferrohr angeordnet. Stahldrähte sorgen für die Armierung der Kabel.


frühes Tiefsesskabel

 


modernes Seekabel (Kupferleitung)

 


modernes Seekabel (Glasfaserleitung)

Frühe Nachrichtenübertragung

Wenn wir heute jemand in größerer Entfernung etwas mitteilen wollen, greifen wir zum Handy oder versenden eine E-mail. Wir sind es gewohnt über das Radio, das Fernsehen oder das Internet über Ereignisse von jedem Ort der Erde informiert zu werden. Die Nachrichtenübertragung hat heute einen nahezu perfekten Stand erreicht: große Entfernungen oder andere Einflussfaktoren wie z.B. schlechtes Wetter sind kein Hinderungsgrund mehr, dass Nachrichten nicht beim Empfänger ankommen.

Früher überbrachten Boten die Nachrichten. Wohl am bekanntesten ist wohl wie die Stadt Athen vom Sieg ihres Heeres über die Perser bei Marathon (409 v. Chr.) erfuhr: Ein Bote lief die ca. 40km lange Strecke von Marathon bis Athen um den glorreichen Sieg des Miltiades zu verkünden und brach dann tot zusammen.

Frühe optische Nachrichtenübermittlung

  • Feuertelegraph
    Im Drama "Agamemnon" berichtet Aischylos (525 - 456 v. Chr.) über die sogenannte Feuertelegrafie mit deren Hilfe der Fall Trojas nach Mykene übermittelt worden sei. Auf hohen Bergen wurden nachts große Feuer angezündet und auf diese Weise Signale übermittelt. Wahrscheinlich geht die Redewendung: "Die Nachricht verbreitete sich wie ein Lauffeuer" auf diese oder eine ähnliche Art der Nachrichtenübertragung zurück.
  • Heliograph
    Ebenfalls auf die Griechen der Antike geht der sogenannte Heliograph zurück. Mit Hilfe polierter Schilder und dem Sonnenlicht wurden Lichtblitze erzeugt, die als Signale in Schlachten verwendet wurden.
    Später hat Kaiser Tiberius mittels Heliographen von seiner Villa auf Capri täglich Befehle an das Festland gesendet, die dann nach Rom weitergegeben wurden.

 


 

 

  • Zeigertelegraph der Gebrüder Chappe
    Am Ende des 18. Jahrhunderts entwickelten die Gebrüder Chappe in Frankreich zwischen Paris und Lille eine Strecke zur optischen Übermittlung von Nachrichten, die 22 Zwischenstationen benötigte. Eine Station bestand aus einem Turm, dem ein großer "Zeiger" aufgesetzt war. Im unteren Teil der nebenstehenden Skizze ist ein Auszug des Codes dargestellt. Mit diesen Anlagen, die sich bald über ganz Frankreich erstreckten, gelang in wenigen Minuten die Benachrichtigung über wichtige Ereignisse.
    Ein Teil der militärischen Erfolge Napoleons wird darauf zurückgeführt, dass ihm mit den Zeigertelegraphen eine sehr schnelle Weiterleitung der Befehle gelang.

 

Die optische Nachrichtenübermittlung hatte mehrere Nachteile. So war sie auf gutes Wetter angewiesen, die Weiterleitung der Information war von der Aufmerksamkeit und der Präsenz der Streckenposten abhängig und gerade bei den frühen Systemen war die Übermittlung differenzierter Informationen nicht möglich.

Elektrische Nachrichtenübermittlung

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts bekam Samuel Sömmering (Anatom in München) vom bayerischen Kriegsministerium den Auftrag auch in Bayern einen optischen Telegraphen einzurichten. Angesichts der Nachteile der optischen Telegraphen versuchte Sömmering jedoch die inzwischen zur Verfügung stehenden Errungenschaften der Elektrizität zu nutzen und schlug einen sogenannten galvanischen Telegraphen vor.


Samuel Thomas Sömmering (1755-1830)

Vom Sender gingen 24 Drähte zum Empfänger (für jeden Buchstaben einer). Sollte z.B. der Buchstabe C übermittelt werden, so schloss man die Volta-Säule (Spannungsquelle) an den dafür zugeordneten Draht an. Aufgrund des Stromflusses stiegen im Wasserkasten beim Empfänger an dem Stift für den Buchstaben C Gasblasen auf (elektrolytische Zersetzung).

Um den Empfänger darauf hinzuweisen, dass eine Nachricht kam, sorgte man zunächst dafür, dass beim Empfänger an den Stiften für die Buchstaben C und B Gasblasen auftraten. Dadurch wurde der Löffel im Wasser hochgehoben und eine am anderen Ende des Löffels aufgestecktes Bleikügelchen fiel durch den Trichter auf eine Schale des Weckers D und löst ihn aus.


Bild vom Empfänger aus dem Deutschen Museum in München

Schema der Sömmering - Anlage

 

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