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 des Atoms

Abb. 3 Negatives Ion
Abb. 2 Positives Ion
Abb. 1 Neutrales Atom

Einer der kleinsten Bausteine der Materie ist das Atom, welches aus einem positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle besteht. Die Entwicklung dieses Kern-Hülle-Modells vom Atom geht auf den berühmten Physiker Ernest 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.

Im Normalfall ist die positive Ladung des Kerns genau so groß wie die negative Ladung der Hülle und das Atom ist nach außen hin neutral.  Dies stellen wir durch eine graue Färbung der Hülle dar (vgl. Abb. 1).

Entfernt man ein Elektron aus der Atomhülle, so bleibt ein insgesamt positiv geladener Atomrumpf - ein positives Ion - zurück. Dies stellen wir durch eine rosa Färbung der Hülle dar (vgl. Abb. 2).

Fügt man der Atomhülle dagegen ein Elektron hinzu, so erhält man ein insgesamt negatives Atom - ein negatives Ion. Dies stellen wir durch die hellblaue Färbung der Hülle dar. (vgl. Abb. 3).

Modellvorstellung von elektrischen Leitern

4 Symbolische Darstellung (grau) und atomare Vorstellung (Ladungsausgleich) eines elektrisch neutralen Leiters

Gehen 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 elektrisch neutral. Wir stellen dies meist symbolisch durch eine graue Färbung des Leiters dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 4 dargestellt.

5 Symbolische Darstellung (blau) und atomare Vorstellung (Elektronenüberschuss) eines negativ geladenen Leiters

Wird nun der Leiter negativ aufgeladen, so kommen zu den schon vorhandenen Elektronen weitere hinzu. Es herrscht Elektronenüberschuss. Wir stellen dies meist symbolisch durch eine blaue Färbung des Leiters dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 5 dargestellt.

6 Symbolische Darstellung (rot) und atomare Vorstellung (Elektronenmangel) eines positiv geladenen Leiters

Wird der Leiter positiv aufgeladen, so wird ein Teil der schon vorhandenen Elektronen abgezogen. Es herrscht Elektronenmangel. Wir stellen dies meist symbolisch durch eine rote Färbung des Leiters dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 6 dargestellt.

7 Symbolische Darstellung (grau) und atomare Vorstellung (Elektronenbewegung vom Minus- zum Pluspol) eines Leiters mit angeschlossener Spannungsquelle

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. Wir stellen dies meist symbolisch wieder durch eine graue Färbung des Leiters dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 7 dargestellt.

Modellvorstellung von Isolatoren und deren Polarisation

8 Symbolische Darstellung (grau) und atomare Vorstellung (Kern und Hülle mit gemeinsamem "Schwerpunkt") eines unpolarisierten Atoms

In Isolatoren sind die Elektronen nicht frei beweglich, sondern an ihr jeweiliges Atom gebunden. 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. Wir stellen dies meist symbolisch wieder durch eine graue Färbung des Atoms dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 8 dargestellt.

9 Symbolische Darstellung (grau mit Plus- und Minuszeichen) und atomare Vorstellung (Kern und Hülle mit verschobenem "Schwerpunkt") eines durch eine positive Ladung polarisierten Atoms

In der Umgebung eines positiv geladenen Körpers verschieben sich die Ladungsschwerpunkte. Das Isolator-Atom wird polarisiert, es entsteht ein elektrischer Dipol.  Da das Atom insgesamt weiter neutral ist, stellen wird ein polarisiertes Atom meist symbolisch wieder durch eine graue Färbung des Atoms dar, in der sich aber dann (meist farbige) Zeichen für Plus und Minus befinden. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 9 dargestellt.

10 Symbolische Darstellung (grau mit Plus- und Minuszeichen) und die atomare Vorstellung (Kern und Hülle mit verschobenem "Schwerpunkt") eines durch eine negative Ladung polarisierten Atoms

In der Umgebung eines negativ geladenen Körpers verschieben sich die Ladungsschwerpunkte ebenfalls. Das Isolator-Atom wird wieder polarisiert, es entsteht erneut ein elektrischer Dipol.  Da das Atom insgesamt weiter neutral ist, stellen wird ein polarisiertes Atom meist symbolisch wieder durch eine graue Färbung des Atoms dar, in der sich aber dann (meist farbige) Zeichen für Plus und Minus befinden. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 10 dargestellt.

11 Symbolische Darstellung (orange) und atomare Vorstellung (Atome unpolarisiert) eines Isolators

Ein Isolator besteht nun aus einer Struktur einzelner (elektrisch neutral) "Isolator-Atome", bei denen die Elektronen nicht frei beweglich, sondern an ihr Atom gebunden sind. Wir stellen Isolatoren meist symbolisch durch eine orangene Färbung dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 11 dargestellt.

12 Symbolische Darstellung (orange mit Plus- und Minuszeichen) und atomare Vorstellung (Atome polarisiert) eines durch eine angelegte Spannung polarisierten Isolators

Legt man an die Enden eines neutralen Isolators nun die Pole einer Spannungsquelle, so bewirkt dies eine Polarisation der Atome im Isolator. Wir stellen polarisierte Isolatoren meist symbolisch durch eine orangene (oft auch graue) Färbung dar. Diese symbolische Darstellung und die atomaren Vorstellungen dahinter sind in der Animation in Abb. 12 dargestellt.

Vom Stromkreis zum Schaltplan Bild 1
Abb.
1
Fotografie einer elektrischen Schaltung

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.

2 Schrittweiser Übergang vom realen Versuchsaufbau zum Schaltplan

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
Gleichspannungsquelle
schaltzeichen wechselspannungsquelle
Wechselspannungsquelle
schaltzeichen verzweigungspunkt
Verzweigungspunkt
schaltzeichen gluehlampe
Glühlampe
schaltzeichen glimmlampe
Glimmlampe
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.

1 Wasserkreislauf als Analogie zu den Vorgängen in einem Stromkreis

In der Animation in Abb. 1 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.