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?
 

Um eine geeignete Glühlampe zum Leuchten zu bringen, reicht schon eine Flachbatterie und eine geschickte Hand. Entscheidend ist, dass die Pole der Spannungsquelle richtig an die Lampe herangeführt werden (vgl. Foto).

Besteht eine leitende Verbindung zwischen Polen (der Glühdraht der Lampe ist ein Leiter), so leuchtet die Lampe.

 

Die Handhabung wird etwas erleichtert, wenn man zwei Kabel (Metalldrähte mit Kunststoffüberzug mit Klemmen (im Elektrikerschargon: Krokodilklemmen)) und eine Lampenfassung zur Verfügung hat. Will man den Strom durch die Lampe abschalten, so klemmt man z.B. einen Pol der Batterie ab.

Fahre mit der Maus über das Bild.

Die Unterbrechung des Stromkreises und somit das Abschalten des Lämpchens wird erleichtert, wenn man noch einen Schalter in den Kreis einbaut.

Um den Aufbau eines Stromkreises darzustellen, kann man eine gegenständliche Skizze des Kreises anfertigen. Da dies in der Regel zu aufwändig ist, hat man Symbole für die Elemente des Stromkreises eingeführt. Mit Hilfe dieser Symbole zeichnet man dann einen sogenannten Schaltplan (vergleiche Grundwissensseite).

Versuch 1: Untersuchung der Stromleitung bei verschiedenen Festkörpern

Aufbau und Durchführung

 

In einen Stromkreis, bestehend aus Niederspannungsquelle, Glühlämpchen und Schalter, werden verschiedene feste "Testleiter" zwischen die beiden Krokodilklemmen eingebaut.

Beobachtung

Material Kupfer Glas Aluminium Eisen Holz Kohle Kunststoff
Lampenzustand

Hinweise

  • Dieser Versuch erlaubt nur eine sehr grobe Einteilung in Leiter und Nichtleiter. Es könnte z.B. sein, dass bei diesem Versuch das Lämpchen nicht aufleuchtet und das Material den Nichtleitern zugeordnet wird. Beim Einbau eines empfindlicheren Glühlämpchens und der Verwendung einer "stärkeren" Spannungsquelle könnte es aber sein, dass das empfindlichere Lämpchen ein klein wenig leuchtet und so das Material als (schlechter) Leiter eingestuft wird.

  • Nichtleiter werden auch als Isolatoren bezeichnet.

Betrachte das Versuchsfoto und beschreibe dann an einigen Beispielen, wo das unterschiedliche Leitverhalten von festen Materialen ausgenutzt wurde.

Versuch 2 a) : Untersuchung der Stromleitung bei verschiedenen Flüssigkeiten

Aufbau und Durchführung

 

In einen Stromkreis, bestehend aus Niederspannungsquelle, Glühlämpchen und Schalter, werden verschiedene flüssige "Testleiter" in das Becherglas gegossen. In dieses Glas ragen zwei Kupferelektroden.

Beobachtung

Material Wasser Öl Säure Lauge Wasser mit viel Salz
Lampenzustand

Hinweise

  • Dieser Versuch erlaubt nur eine sehr grobe Einteilung in flüssige Leiter und Nichtleiter. Es könnte z.B. sein, dass bei diesem Versuch das Lämpchen nicht aufleuchtet und die Flüssigkeit den Nichtleitern zugeordnet wird. Beim Einbau eines empfindlicheren Stromindikators und der Verwendung einer "stärkeren" Spannungsquelle könnte es aber sein, dass das empfindlichere Indikator ein klein wenig leuchtet und so die Flüssigkeit als Leiter eingestuft wird. Dies zeigt der folgende Versuch.

Versuch 2 b) : Untersuchung der Stromleitung bei verschiedenen Flüssigkeiten

Aufbau und Durchführung

 

In das Becherglas wird normales Leitungswasser gegossen. Anstelle einer Niederspannungsquelle wird nun eine Quelle mit hoher Voltzahl verwendet. Als Stromindikator wird eine Glimmlampe verwendet, die kleinere Ströme als die Glühlampe nachweisen kann.

Beobachtung

Bei entsprechender Erhöhung der Spannung am Netzgerät leuchtet die Glimmlampe auf. Wasser wird durch diesen Versuch - im Gegensatz zum Versuch mit der Niederspannungsquelle - als Leiter "entlarvt".

Hinweise
  • Da Wasser ein Leiter ist, ist es lebensgefährlich elektrische Geräte mit Wasser in engen Kontakt zu bringen.

  • So ist es z.B. extrem gefährlich sich in die Badewanne zu setzen und an den Rand der Wanne ein Radio zu stellen, welches an das Haushaltsnetz angeschlossen ist. Fällt das Radio durch eine Unachtsamkeit ins Badewasser, so steht der (die) Badende aufgrund der Leitfähigkeit des Wassers "unter Strom".

 

In einem kleinen Video zeigt Prof. Avimov, wie Wasser durch die Zugabe von Salz (conducting liquids) zu einem sehr guten Leiter werden kann. Dazu verwendet er einen Stromkreis, bei dem die Glühlampe in Serie zu einer "Wasserstrecke" zwischen zwei Kupferelektroden geschaltet wird. In das zunächst reine Wasser wird Salz gestreut.

Versuch 3: Untersuchung der Stromleitung bei Gasen

Aufbau und Durchführung

 

In einen Stromkreis, bestehend aus Niederspannungsquelle, Glühlämpchen und Schalter, wird einmal eine "Luftstrecke" und einmal eine Glimmlampe eingebaut.

Beobachtung

Die meisten Gase wie z.B. Luft leiten den Strom nicht. In dem durch die "Luftstrecke" unterbrochenen Kreis fließt kein Strom. Überlege dir die Folgen im Haushalt, wenn Luft ein Leiter wäre!

Unter bestimmten Bedingungen kann es jedoch sein, dass auch Gase leiten. In der Glimmlampe befindet sich Neongas bei Unterdruck. Ist die Spannung des Netzgerätes genügend groß, so leitet die Gasstrecke. Leitende Gase werden z.B. bei Leuchtstoffröhren verwandt.

Strom wird nicht "verbraucht"

Du hast vielleicht von deinen Eltern schon einmal gehört: "Mach' das Licht aus, die Lampe verbraucht zu viel Strom".
Um die Richtigkeit dieser Aussage zu prüfen, machen wir den nebenstehenden Versuch:
Die Lampe mit dem angeblichen Stromverbrauch sei die in der Mitte, wir bezeichnen sie mit L2. Als Stromnachweisgeräte (Stromindikatoren) schalten wir zwei weitere zu L2 gleichartige Glühlampen in den Kreis, eine links und eine rechts von L2.
Es zeigt sich, dass alle drei Glühlämpchen gleich hell leuchten. Würde L2 den Strom "verbrauchen" so müsste eines der beiden zusätzlichen Lämpchen weniger hell leuchten.

Ergebnis:
Der durch eine Lampe fließende Strom wird durch diese nicht verbraucht.

Hinweis:
Tatsächlich muss man am Monatsende an das Elektrizitätswerk für einen "Verbrauch" bezahlen. Um welchen "Verbrauch" es sich hierbei handelt, wirst du später erfahren.

Vorversuch

An eine Elektrische Quelle werden zwei zueinander parallel geschaltete Stromkreise angeschlossen.

Wäre in jeden Teilzweig nur je eine Glühlampe vom gleichen Typ geschaltet, so würden diese gleichberechtigt gleich hell leuchten. Wie nebenstehend skizziert, wird aber in jeden Teilzweig zusätzlich zur Glühlampe viel Leitungsdraht, der auf eine Rolle gewickelt ist, geschaltet. Dabei ist auf die Rolle im unteren Teilzweig mehr Draht aufgewickelt als im oberen Zweig. Die Art des Drahtes ist in beiden Teilzweigen gleich.

Beobachtung

Im Zweig, in dem sich mehr Draht befindet, leuchtet die Glühlampe schwächer. Der Physiker sagt: "Im schlechter leitenden Zweig fließt der kleinere Strom."

Erklärung

Die vom Minuspol kommenden negativen Ladungen haben bei der Parallelschaltung zwei Möglichkeiten um zum Pluspol zu gelangen. Der größere Teil der Ladungen nimmt den Weg durch den besser leitenden Zweig: Die Ladungen gehen - wie viele Schüler - den "Weg des geringsten Widerstands".

Hauptversuch

An eine Elektrische Quelle werden zwei in Reihe geschaltete Glühlampen angeschlossen (linkes Bild). Dabei wird die rechte Glühlampe nur aus technischen Gründen eingebaut, siehe untere Aufgabe. Nun überbrücken wir die linke Glühlampe mit einem Kabel, so dass dort wieder eine Parallelschaltung vorliegt, jetzt aber aus einer Glühlampe und einem sehr gut leitenden Kabel. Man sagt auch: Bei der linken Glühlampe besteht ein Kurzschluss.

Deute das in den Bildern dargestellte Versuchsergebnis.

Überlege, warum die zweite Glühlampe, an der kein Kurzschluss hergestellt wurde, notwendig ist.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video stellt Karlheinz Meier die elektrische Leitfähigkeit von Leitungswasser und destilliertem Wasser gegenüber.

zum Video

Die Stadtwerke München stellen online eine Reihe von einfachen Lernspielen über die Elektrizitätslehre zur Verfügung, mit denen du dein Wissen testen und ausbauen kannst. Klicke auf das jeweilige Bild und du kommst zum entsprechenden Online-Angebot (du musst auf deinem Rechner den Flash-Player installiert haben).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fahre mit der Maus über das Bild

Links ist das Schema einer Dreicksglimmlampe dargestellt. Sie besteht aus einem Schutzwiderstand sowie zwei dreieckigen Elektroden, die sich in einem mit Gas geringen Drucks gefüllten Glaskolben gegenüberstehen.

Das rechte Bild zeigt diese Dreiecksglimmlampe, die an eine Sicherheitssteckdose angeschlossen ist. Durch Schließen des Schalters wird die Steckdose an das Stromnetz geschaltet (grüne Kontrolllampe!).

Hinweis: Experimentiere nie mit dem Haushaltsnetz! Es birgt tödliche Gefahren.

Aufgabe

a)

Fertige eine beschriftete Schemaskizze des dargestellten Versuchs.

b)

Beschreibe die Beobachtung.

a)

Erkläre die Beobachtung.

a)

Erläutere, warum der reale Versuch etwas anders aussieht.

Die folgenden Fotos zeigen eine Dreiecksglimmlampe bei Anschluss an eine Gleichspannungsquelle (oberes Bild) und an eine Wechselspannungsquelle (unteres Bild) im Realversuch.

Bei Anschluss an eine Wechselspannungsquelle scheinen beide Elektroden zu glimmen. Die Haushaltswechselspannung hat eine Frequenz von 50 Hz. Der schnelle Wechsel des Aufglimmens von oberer und unterer Elektrode kann von unserem Auge nicht mehr wahrgenommen werden.

Der Nachweis, dass die beiden Elektroden abwechselnd glimmen, gelingt mit Hilfe eines Drehspiegels, der von einem Motor angetrieben wird. Auf einem entfernten Schirm sieht man dann abwechselnd die untere und die obere Elektrode glimmen.

Die Bilder wurden uns dankenswerterweise von Herrn Fleißner (Aschaffenburg) aus seiner Facharbeit zur Verfügung gestellt.


Abbildung 2: Aufbau und Schaltsymbol für die Glimmlampe
Abbildung 1: Glimmlampe

in Abb. 1 siehst du das Foto einer Glimmlampe. Sie besteht aus zwei Elektroden, die sich in einem mit Gas geringen Drucks gefüllten Glasröhrchen gegenüberstehen. Elektrode nennt man einen mit dem Pol einer Stromquelle verbundenen Leiter, der in ein Gefäß (Vakuum, Gas, Flüssigkeit) hineinragt.

In Abb. 2 siehst du den Aufbau und das Schaltsymbol für die Glimmlampe.

Hinweis: Glimmlampen zünden erst ab einer gewissen Spannung; bei den Neonröhrchen liegt diese bei ca. \(80{\rm{V}}\)-\(100{\rm{V}}\). Fließt zu viel Strom durch die Glimmlämpchen, so werden diese zerstört. Für den Anschluss an unser Haushaltsnetz benutzt man häufig die sogenannte Dreiecksglimmlampe.

Aufgabe
Abbildung 3: Reihenschaltung zweier Glimmlampen. Fahre mit der Maus über das Bild.

Abb. 3 zeigt zwei Isolierstützen, welche an die Pole einer elektrischen Quelle mit einer hohen Nennspannung angeschlossen sind. An jeder Isolierstütze ist eine Glimmlampe befestigt. Schaltet man die Spannung an, so leuchten die Glimmlampen.

a)Fertige eine Schaltskizze des Versuchs (benutze die schematische Darstellung für die Glimmlampe).

b)Beschreibe die Beobachtung beim Einschalten der elektrischen Quelle und gehe darauf ein, wie man mit Hilfe von Glimmlampen die Art der Pole einer Spannungsquelle feststellen kann.

Lösung
Abbildung 4: Reihenschaltung zweier Glimmlampen. Schaltskizze

a) 

b)Beim Einschalten der elektrischen Quelle leuchtet jeweils eine Elektrode der sich berührenden Glimmlampen auf. Dies ist ein Indiz dafür, dass Strom fließt.

Dabei leuchtet immer diejenige Elektrode einer Glimmlampe auf, die näher zum Minuspol liegt. Man spricht vom sogenannten "negativen Glimmlicht".

Ist die Art des Pols einer Gleichspannungsquelle nicht bekannt, so kann man dies mit Hilfe einer Glimmlampe feststellen: Man schließt an die Pole einen Kreis bestehend aus Glimmlampe mit Vorwiderstand. Derjenige Pol, welcher mit der aufleuchtenden Elektrode verbunden ist, ist der Minuspol.

Vergleich von Glimmlampe und Glühlampe

Aufgabe
Parallelschaltung von Glimmlampe und Glühlampe
Abbildung 5: Parallelschaltung von Glühlampe und Glimmlampe. Fahre mit der Maus über das Bild.

Abb. 5 zeigt eine Glimmlampe und eine Glühlampe, die an eine elektrische Quelle mit regelbarer Spannung parallel angeschlossen sind.

Welche Lampe leuchtet zuerst, wenn man die Spannung ganz vorsichtig hoch regelt? Kannst du es begründen?

a)Fertige eine Schaltskizze dieser Schaltung mit den Symbolen für Glühlampe und Glimmlampe an.

b)Erläutere, was geschehen würde, wenn bei sonst gleichem Versuch die Glimmlampe aus der Halterung genommen würde.

Lösung
Abbildung 6: Parallelschaltung von Glühlampe und Glimmlampe. Schaltskizze

a)Beim Erhöhen der Spannung leuchtet die Glühlampe zuerst auf. Im Glühlampenzweig besteht - im Gegensatz zum Glimmlampenzweig - von Beginn an eine leitende Verbindung zwischen den beiden Polen der Spannungsquelle.

Mit diesem Versuch lässt sich die Polarität der Spannungsquelle noch nicht feststellen. Theoretisch könnte auch eine Wechselspannungsquelle vorliegen.

Hinweis: Würde man die Spannung weiter erhöhen, so würde auch die Glimmlampe zünden. Diese hohe Spannung würde aber zur Zerstörung der parallelgeschalteten Glühlampe führen.

b)Die Glühlampe würde wie bei a) leuchten.

Aufgabe
Reihenschaltung von Glimmlampe und Glühlampe
Abbildung 7: Reihenschaltung von Glühlampe und Glimmlampe. Fahre mit der Maus über das Bild.

Abb. 7 zeigt eine Glimmlampe und eine Glühlampe, die an eine elektrische Quelle mit regelbarer Spannung in Reihe angeschlossen sind.

Welche Lampe leuchtet zuerst, wenn man die Spannung ganz vorsichtig hoch regelt? Kannst du es begründen?

a)Fertige eine Schaltskizze dieser Schaltung mit den Symbolen für Glühlampe und Glimmlampe an.

b)Gib an, wo der Pluspol der elektrischen Quelle ist.

c)Erläutere, was geschehen würde, wenn bei sonst gleichem Versuch die Glimmlampe aus der Halterung genommen würde.

Lösung
Abbildung 8: Reihenschaltung von Glühlampe und Glimmlampe. Schaltskizze

a)Beim Erhöhen der Spannung leuchtet die Glimmampe zuerst auf. Die Glimmlampe zündet bereits bei sehr kleinen Strömen, bei denen die Glühlampe noch nicht die nötige Temperatur zum Leuchten besitzt.

b)Der Pluspol ist auf der Seite, auf der die Elektrode der Glimmlampe nicht leuchtet, also auf der rechten Seite.

c)Keine der beiden Lampen würde leuchten.

Fazit: Die Glimmlampe ist ein empfindlicherer Stromindikator als die Glühlampe. Damit die Glimmlampe aber arbeitet muss eine Mindestspannung vorhanden sein (je nach Typ verschieden; Richtwert \(100\rm{V}\))

Die hier dargestellten Versuche zu einfachen Stromkreisen kannst du mit einfach zu beschaffenden Materialien zu Hause selbst machen; sie können aber auch in der Schule als Schülerexperiment durchgeführt werden.

Elektrische Anschlüsse

zum Versuch

Geschlossener Stromkreis

zum Versuch

EIN-AUS-Schaltung

zum Versuch

UND-Schaltung

zum Versuch

ODER-Schaltung

zum Versuch

Wechselschaltung

zum Versuch

Kreuzschaltung

zum Versuch

Reihenschaltung

zum Versuch

Parallelschaltung

zum Versuch

Fahrradbeleuchtung

zum Versuch

Leiter und Isolatoren

zum Versuch

 
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