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?

Ziel des Versuchs

  • Schrittweiser Aufbau eines typischen Stromkreises
Stromkreis mit Batterie und Lampe
Abb.
1
Stromkreis mit Batterie und Lampe

Minimaler Stromkreis

Eine geeignete Glühlampe kannst du schon mithilfe einer Flachbatterie und ohne weitere Kabel zum Leuchten zu bringen. Dazu musst du die Lampe so positionieren, dass jeder der beiden Pole der Energiequelle Batterie einen der Kontakte der Glühbirne berührt (siehe Abb. 1).

So besteht durch den Glühdraht der Glühbirne eine leitende Verbindung zwischen den Polen. Strom fließt durch die Lampe und die Lampe leuchtet.

Stromkreis mit Batterie, Kabeln und Lampe
Abb.
2
Stromkreis mit Batterie, Kabeln und Lampe

Kabel als Verlängerung

Die Handhabung wird etwas erleichtert, wenn du zwei Kabel mit Klemmen und eine Lampenfassung zur Verfügung hast. Die Kabel sind leitende Metalldrähte, die mit einem Kunststoffüberzug versehen sind. Die Lampenfassung sorgt dafür, dass du die Kabel einfach mit den Kontakt der Glühbirne verbinden kannst und mithilfe der Klemmen (im der Fachsprache: Krokodilklemmen) kannst du die Kabel einfach an der Batterie befestigen. Nun musst die die Lampe nicht mehr direkt an die Batterie halten, um sie zum Leuchten zu bringen (siehe Abb. 2).

Willst du die Lampe abschalten, so trennst du z.B. ein Kabel von einem Pol der Batterie ab. Der Stromkreis ist nicht mehr geschlossen, es kann kein Strom mehr fließen und die Lampe erlischt.

Schalter im Stromkreis

Stromkreis mit Batterie, Schalter und Lampe
Abb.
3
Stromkreis mit Batterie, Schalter und Lampe

Im Alltag befindet sich in den meisten Stromkreisen ein Schalter, der das Abschalten der Lampe erheblich erleichtert. Ist der Schalter offen, so ist der Stromkreis unterbrochen und die Lampe ist aus (siehe Abb. 3). Schließt du den Schalter, so ist auch der Stromkreis geschlossen, Strom kann fließen und die Glühbirne leuchtet.

Um den Aufbau eines Stromkreises darzustellen, kannst du eine gegenständliche Skizze des Kreises anfertigen. Da dies in der Regel zu aufwändig ist, hat man Symbole für die Elemente des Stromkreises eingeführt. Mithilfe dieser Symbole kannst du schnell und einfach einen übersichtlichen Schaltplan zeichnen (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 2a) 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

Hinweis: 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 Spannungsquelle mit höherer Voltzahl 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 in Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt

Aufbau

Versuchsaufbau Leitung von Strom in Wasser
Versuchsaufbau

Um die Leitfähigkeit von Wasser genauer zu untersuchen, baust du nun zusätzlich zur Glühlampe ein Strommessgerät in den Stromkreis ein. Ein solches Strommessgerät ist ein sehr viel feinerer und genauerer Stromindikator als eine Glühbirne.

Nun füllst du zunächst destilliertes, also vollkommen salzfreies Wasser in deinen Behälter mit den Elektroden. Jetzt schließt du den Schalter und beobachtest sowohl das Strommessgerät als auch die Glühlampe.

Anschließend gibst du nach und nach immer mehr Salz ins Wasser und rührst das Wasser mit einem Stab um. Auch hierbei beobachtest du weiter Strommessgerät und Glühlampe.

Durchführung im Video

Wann leitet Wasser Strom?

Versuche zur Leitung von Strom in Wasser

Auswertung

Destilliertes, also salzfreies Wasser leitet Strom nicht. Sobald aber nur etwas Salz im Wasser gelöst ist, leitet dieses Wasser Strom.

Achtung: In normalem Wasser aus der Wasserleitung und natürlich auch im Mineralwasser aus der Flasche sind immer Salze gelöst, sodass diese auch Strom leiten. Leitungs- und Mineralwasser sind zwar kein besonders guten Leiter, aber ausreichend gut, um sehr gefährliche Situationen zu verursachen. Daher ist es lebensgefährlich elektrische Geräte mit Wasser in engen Kontakt zu bringen! Setze dich z.B. nie in die Badewanne und stelle an den Rand der Wanne ein Radio, welches an das Haushaltsnetz angeschlossen ist. Fällt das Radio durch eine Unachtsamkeit ins Badewasser, so bekommst du einen gefährlichen Stromschlag!

Versuch 2 c) Untersuchung der Stromleitung von Wasser mit Energiequelle mit höherer Voltzahl

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".

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.

Versuchsaufbau
Abb.
1
Versuchsaufbau
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, kannst du den folgenden Versuch durchführen:
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 Stromkreis, eine links und eine rechts von L2.

Beobachtung

Es zeigt sich, dass alle drei Glühlämpchen gleich hell leuchten.

Versuchsauswertung

Würde nämlich L2 den Strom "verbrauchen" so müsste eines der beiden zusätzlichen Lämpchen weniger hell leuchten. Der durch eine Lampe fließende Strom wird durch diese nicht verbraucht.

Merke

Strom wird also nicht verbraucht!

Alternative

Versuchsaufbau mit Messgeräten
Abb.
2
Versuchsaufbau mit Messgeräten

Alternativ kann auch mithilfe von je einem vor und einem hinter die Lampe L2 geschalteten Messgerät gezeigt werden, dass Strom nicht verbraucht wird. Beide Versuche können Schüler gut selbst durchführen.

Hinweis: Tatsächlich muss man am Monatsende an das Elektrizitätswerk für einen "Verbrauch" bezahlen. Allerdings handelt es sich nicht um den "Verbrauch" an Strom, denn dieser wird ja, wie wir oben gesehen haben, nicht verbraucht. Bezahlen müssen wir dem Elektrizitätswerk die elektrische Energie, die mit dem Strom transportiert wird. Und diese elektrische Energie wird auch nicht wirklich "verbraucht", sondern nur in schlechter nutzbare Energie wie z.B. Wärmeenergie umgewandelt.

Ziel des Versuchs

  • Auswirkungen eines Kurzschlusses demonstrieren

Vorversuch

Abb. 1 Aufbau Vorversuch

An eine elektrische Energiequelle (Batterie oder Netzgerät) schließt du zwei zueinander parallel geschaltete Stromkreise an.

Wäre in jeden Teilzweig nur je eine Glühlampe vom gleichen Typ geschaltet, so würden diese gleichberechtigt gleich hell leuchten. Wie nebenstehend skizziert, schaltest du aber in jeden Teilzweig zusätzlich zur Glühlampe viel Leitungsdraht, der auf eine Rolle gewickelt ist. 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 Energiequelle (Batterie oder Netzgerät) werden zwei in Reihe geschaltete Glühlampen angeschlossen (siehe Abb. 2 links). Dabei wird die zweite Glühlampe nur aus technischen Gründen eingebaut (siehe untere Aufgabe). Nun überbrückst du die rechte Glühlampe mit einem Kabel. Dort liegt nun wieder eine Parallelschaltung vor, jetzt aber aus einer Glühlampe und einem sehr gut leitenden Kabel. Man sagt auch: Bei der linken Glühlampe besteht ein Kurzschluss.

Kurzschluss über einer Lampe
Abb.
2
Veränderung durch Bilden eines Kurzschlusses über einer Lampe
Aufgabe

Deute das in den Bildern dargestellte Versuchsergebnis.

Lösung

Zur rechten Glühlampe wird ein extrem gut leitender Parallelkreis (Kupferkabel) dazugeschaltet. In diesem Fall fließt durch den schlechter leitenden Lampenkreis fast kein Strom mehr. Der Kurzschluss über der Glühlampe sorgt also dafür, dass die Glühlampe verlischt.

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

Lösung

Wäre die linke Glühlampe nicht in den Kreis geschaltet, so würde im Falle des Kurzschlusses der rechten Lampe eine direkte, sehr gut leitende Verbindung zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Energiequelle bestehen. Bei einem Netzgerät könnte dieses zerstört oder dessen Sicherung ausgelöst werden. Eine Batterie würde sehr schnell warm und leer werden.

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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aufbau einer Glimmlampe
Abb.
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.

Schaltsymbol Glimmlampe
Abb.
2
Schaltsymbol Glimmlampe

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.

3 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des Versuchs zur Reihenschaltung zweier Glimmlampen
Funktionsweise von Glimmlampen

Die Animation in Abb. 3 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtung eines Versuchs zur Untersuchung der Funktionsweise von Glimmlampen.

Zwei Isolierstützen sind an die Pole einer elektrischen Quelle mit einer hohen Nennspannung angeschlossen. An jeder Isolierstütze ist eine Glimmlampe befestigt, die freien Enden der Glimmlampe berühren sich.

Aufgabe

a)Fertige eine Schaltskizze des Versuchs an. Benutze dabei das Schaltsymbol für die Glimmlampe.

b)Beschreibe die Beobachtung beim Einschalten der elektrischen Quelle.

Gehe insbesondere darauf ein, wie man mit Hilfe von Glimmlampen die Art der Pole einer Spannungsquelle feststellen kann.

Lösung
Abb. 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

5 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des Versuchs zur Parallelschaltung einer Glimmlampe und einer Glühlampe
Parallelschaltung von Glimmlampe und Glühlampe

Die Animation in Abb. 5 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtung des Versuchs, bei dem Glimmlampe und Glühlampe parallel an eine elektrische Quelle mit regelbarer Spannung angeschlossen sind.

Aufgabe

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

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

c)Stelle begründet eine Vermutung darüber auf, welche Lampe zuerst leuchtet, wenn man die Spannung ganz vorsichtig hoch regelt.

Lösung
Abb. 6 Schaltskizze der Parallelschaltung von Glühlampe und Glimmlampe

a) 

b)Die Glühlampe würde wie bei a) leuchten.

c)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.

7 Aufbau, Durchführung und Beobachtung des Versuchs zur Reihenschaltung einer Glimmlampe und einer Glühlampe
Reihenschaltung von Glimmlampe und Glühlampe

Die Animation in Abb. 7 zeigt den Aufbau, die Durchführung und die Beobachtung des Versuchs, bei dem Glimmlampe und Glühlampe in Reihe an eine elektrische Quelle mit regelbarer Spannung angeschlossen sind.

Aufgabe

a)Fertige eine Schaltskizze dieser Schaltung mit den Schaltsymbolen 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.

d)Stelle begründet eine Vermutung darüber auf, welche Lampe zuerst leuchtet, wenn man die Spannung ganz vorsichtig hoch regelt.

Lösung
Abb. 8 Schaltskizze der Reihenschaltung von Glühlampe und Glimmlampe

a) 

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.

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

Ergebnis

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

2 Aufbau, Durchführug und Beobachtung beim Anschluss einer Dreiecksglimmlampe an eine Wechselspannung

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.

Die Animation in Abb. 2 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.

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Heimversuche einfacher Stromkreis mit Schalter
Abb.
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Ein einfacher Stromkreis mit Schalter
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.

Achtung

Verwende für Schülerversuche nur Stromquellen bis 24 Volt. Bei Steckdosen und Netzgeräten, die höhere Spannungen erzeugen, besteht Lebensgefahr!

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