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Grundwissen

Stromkreismodelle

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Mit Hilfe verschiedener Modelle kannst du dir die Abläufe im Stromkreis vorstellen und erklären.
  • Du kannst dir einen Stromkreis wie einen offenen Wasserkreislauf vorstellen.
  • Du kannst dir einen Stromkreis wie eine Fahrradkette, die ein Rad antreibt, vorstellen.
  • Du kannst dir einen Stromkreis mit Hilfe von Luftdruck und Elektronengasdruck vorstellen.
Aufgaben Aufgaben

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. Oft gibt es zu einem physikalischen Phänomen mehrere Modelle, die alle eigene Vorteile und Nachteile haben. Hier lernst du drei Modelle für den Stromkreis kennen. Achtung! So wie eine Puppe kein echter Mensch ist, ist ein Modell nicht genau die "echte Physik". Modelle sind dafür da bestimmte Aspekte von Physik zu veranschaulichen. Andere Aspekte werden vernachlässigt. Deshalb kann man nicht alle physikalischen Phänomene mit nur einem Modell erklären kann.

Fahrradkettenmodell

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Fahrradkette als einfaches Modell für Verhältnisse im elektrischen Stromkreis

Bei einem Fahrrad wird die Fahrradkette genutzt, um das Rad mit den Pedalen anzutreiben (Abb. 1) .
Du kannst dir einen Stromkreis modellhaft wie eine Fahrradkette vorstellen. Dabei entsprechen die Pedale, die für den Antrieb sorgen, der Batterie, die für den Stromfluss sorgt. Die Kettenglieder entsprechen den Elektronen und der Bremsklotz bzw. der Rollwiderstand des Rades entspricht einem elektrischen Bauteil wie einer Lampe im Stromkreis.  
Bei der Fahrradkette sorgen die Pedale für die Bewegung der Kettenglieder und verursacht somit den Kettengliederstrom - im Stromkreis sorgt die Batterie für die Bewegung der Elektronen, also den Stromfluss.
Bei der Fahrradkette bewegen sich die Kettenglieder im Kreis und werden nicht verbraucht. Im Stromkreis bewegen sich die Elektronen im Kreis und werden ebenfalls nicht verbraucht.
Beim Fahrrad wird Energie von den Pedalen zum Rad transportiert, im Stromkreis Energie von der Batterie zur Lampe transportiert.

Modell des offenen Wasserkreislaufs

Abb. 2 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 die Wasser vom rechten Vorratsgefäß in das linke Vorratsgefäß pumpt. Du kannst auch sagen, dass dann im linken Gefäß ein Wasserüberschuss und im rechten Gefäß ein Wassermangel herrscht.

Sorgst du nun durch drehen des Hahns dafür, dass im Außenkreis ein Wasserfluss möglich ist, so dreht sich das Wasserrad. Das Wasserrad dient als Anzeigegerät für den Wasserfluss. 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 fortlaufender Wasserfluss, eine "Wasserstromkreis".

Analogie des offenen Wasserkreislaufes zum Stromkreis

Abb. 3 Modell des elektrischen Stromkreises als Elektronenkreislauf

Ähnliche Verhältnisse wie im Wasserstromkreis kannst du dir auch die Vorgänge in einem einfachen elektrischen Stromkreis vorstellen: Eine "Elektronenpumpe", die man auch als Batterie oder Netzgerät bezeichnet, sorgt dafür, dass auf der linken Seite der Animation in Abb. 2 ein Elektronenüberschuss und auf der rechten Seite ein Elektronenmangel besteht. Die linke Seite bezeichnet man auch als Minuspol, die rechte als Pluspol der Batterie bzw. des Netzgerätes.

Schließt du nun den Schalter im Außenkreis, so ist dort ein Elektronenfluss möglich. Das Anzeigegerät für elektrischen Strom, die "Glühlampe", leuchtet auf. Es besteht nun ein geschlossener Elektronenkreislauf, ein Stromkreis.

Vereinfachte Darstellung

Abb. 4 Vereinfachtes Modell des elektrischen Stromkreises als Elektronenkreislauf

Die Animation in Abb. 3 zeigt die vereinfachte Darstellung des Elektronenmodells. Die beiden "Vorratsgefäße" und die Elektronenpumpe sind zum Symbol für eine Spannungsquelle zusammengefasst.

Elektronengasdruck-Modell: Luftdruck in einem Reifen

Abb. 5 Ein Reifen wird mit einer Luftpumpe aufgepumt. Anschließend entweicht durch ein Loch wieder Luft.

Auch Luftdruck kann dir dabei helfen, zu verstehen, was in einem Stromkreis passiert. Betrachte das Beispiel eines Reifens, der aufgepumpt wird und in den anschließend ein Loch gemacht wird (Abb. 5). Hier kannst du die wichtigsten Eigenschaften von Luftdruck sehen. Luft kann (zum Beispiel von einer Pumpe) zusammengedrückt werden. Diese zusammengedrückte Luft dehnt sich wieder aus, sobald die Luft das kann.

Du kannst einen Reifen mit zusammengedrückter Luft befüllen. Im Reifen ist also ein hoher Luftdruck (in Abb. 5 durch dichte Punkte dargestellt). Außerhalb des Reifens ist ein normaler Luftdruck. Es gibt also einen Luftdruck-Unterschied. Wird ein Loch in den Reifen gemacht kann sich die Luft im Reifen ausdehnen. Die Luft strömt dann aus dem Reifen heraus. Luft strömt immer von hohem Luftdruck zu niedrigerem Luftdruck. Ist der Druckunterschied größer, dann strömt die Luft auch stärker.

Elektronengasdruck-Modell: Ein Stromkreis

Der Luftdruck hilft dir zu verstehen, was in einem Stromkreis passiert. Statt Luft ist in den Kabeln eines Stromkreises ein Gas aus Elektronen. Du kannst dir vorstellen, dass du dieses Gas zusammendrücken kannst, wie Luft.
In Abb. 6 siehst du zwei verschiedene Darstellungen des Elektronengases. In den ersten drei Bildern siehst du den Druck in den Kabeln, dargestellt wie in Abb. 5. In den Bildern vier bis sechs wird gezeigt, wie du den Elektronengasdruck mit Farben in einen Schaltplan einzeichnen kannst. 


In nicht-angeschlossenen Kabeln ist ein normaler Druck (in Abb. 6.4 in gelb dargestellt).
Eine Batterie ist eine Art Pumpe, die Elektronengas vom Pluspol zum Minuspol drückt. Wenn du eine Batterie an Kabel anschließt, bildet sich am Minuspol ein hoher Druck (in Abb. 6.5 in rot dargestellt) und am Pluspol ein niedriger Druck (in Abb. 6.5 in blau dargestellt).
Die Batterie sorgt also für einen Druckunterschied zwischen den Kabeln.
Du kannst jetzt beide Kabel miteinander verbinden (z.B. mit einer Lampe, wie in Abb. 6.3 oder Abb. 6.6). Das Elektronengas strömt jetzt von hohem Elektronengasdruck zu niedrigem Elektronengasdruck. Durch diesen Strom an Elektronen wird die Lampe zum Leuchten gebracht.

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