Allgemeines über elektrische Stromkreise

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Publikation:	26.6.2014
Herkunft:	Sonnentaler

Viele Menschen haben Angst vor Elektrizität. Das ist zum Teil auch begründet. Geht man jedoch mit Elektrizität richtig um und verwendet die geeigneten Geräte, besteht kein Grund zur Sorge. Der folgende Text erklärt, welche Geräte Sie bedenkenlos verwenden dürfen. Außerdem werden einige Grundla­gen eingeführt, die für einen sicheren Umgang mit Elektrizität wichtig sind.

Welche Geräte sind für den Unterricht geeignet?

Spannungs- und Stromquellen

Grundsätzlich gilt: Im Unterricht dürfen elektrische Stromkreise auf keinen Fall an eine Steckdose angeschlossen werden. Die Spannung an der Steck­dose beträgt 230 Volt (bzw. 400 Volt an einer Drehstromsteckdose) und ist lebensgefährlich. Solche hohen Spannungen sind im Alltag erst durch ent­sprechende Schutzmaßnahmen ohne Gefahr nutzbar (siehe "Elektrische Anla­gen – Elektrik im Haus"). Wird im Unterricht eine elektrische Schaltung auf­gebaut, können diese Schutzmaßnahmen in der Regel nicht eingehalten wer­den, so dass auf geeignete Spannungsquellen zurückgegriffen werden muss.

Geeignet sind Spannungsquellen, die eine sogenannte Schutzkleinspannung mit sicherer Trennung zur Verfügung stellen. Für Schülerversuche darf eine Span­nung von 25 Volt Wechselspannung bzw. 60 Volt Gleichspannung [1] nicht überschritten werden.

Zu den geeigneten Spannungsquellen gehören Batterien oder Akkumulatoren (Akkus) mit Nennspannungen [2] von 1,5 V, 4,5 V oder 9 V. Batterien und Akkus sind auch deshalb sehr geeignet, weil sie einen Bezug zum Alltag der Schülerinnen und Schüler darstellen. Zu den geeigneten Spannungsquellen zählen auch Netzgeräte, die eine entsprechend niedrige Spannung ausgeben. Es empfiehlt sich auf das Angebot bekannter Lehrmittelhersteller zurückzugrei­fen. Der Vorteil ist, dass an diesen Geräten unterschiedliche Spannungen ein­gestellt werden können.

Lampen, Widerstände, ...

Lampen eignen sich gut, um einen einfachen Stromkreis aufzubauen. Mit Lam­pen kann man die Wirkung von Elektrizität sichtbar machen. Außerdem ist eine leuchtende (oder nicht leuchtende oder schwach/stark leuchtende) Lampe leicht zu zeichnen, wenn der Stromkreis ins Arbeitsheft oder auf ein Arbeitsblatt übertragen werden soll.

Abb. 1: Eine kleine Glühlampe (links); Glühlmape für die Verwendung in einem Steckbrett (rechts)

Achten Sie darauf, dass die Glühlampen, die Sie verwenden wollen, auch an die "richtige" Spannungsquelle angeschlossen werden. Eine Lampe, die für einen Betrieb bei 12 V gebaut wurde, leuchtet bei einer Spannung von 1,5 V nur sehr schwach oder gar nicht. Und eine Lampe, die für einen Betrieb bei 1,5 V bestimmt ist, geht sehr wahrscheinlich kaputt, wenn man sie "an 12 V" anschließt.

Widerstände (z. B. für Steckbretter, siehe Abb. 2) wandeln elektrische Energie in innere Energie (Wärme) um. Die Erkenntnisse bzw. die Erfahrung wird in die­sem Fall über die haptische Wahrnehmung im Gedächtnis verankert. Allerdings lässt sich ein "warmer Widerstand" nicht so leicht zeichnen.

Abb. 2: Widerstand für die Verwendung in einem Steckbrett: links ohne und rechts mit Gehäuse

Da Widerstände – ähnlich wie Lampen – nur für eine bestimmte maximale Span­nung ausgelegt sind, muss auch hier darauf geachtet werden, dass diese Spannung nicht überschritten wird. Da auf den Widerständen meistens nicht die maximale Spannung sondern die maximale Leistung angegeben ist, muss die entsprechende maximale Spannung über eine kleine Rechnung bestimmt wer­den [3]. Sie können auch, anstatt zu rechnen, den Widerstand an eine regel­bare Spannungsquelle anschließen, die Spannung langsam erhöhen und fühlen, wie warm der Widerstand wird. Achtung: Der Widerstand darf sich dafür nicht in einem geschlossenen Gehäuse befinden.

Natürlich kann man außer bzw. anstatt Glühlampen und Widerständen noch weitere Verbraucher in Stromkreisen einsetzen: einen Summer etwa, oder einen kleinen motorbetriebenen Propeller usw.

Leitungen und Drähte

Grundsätzlich sind alle (Metall-)Drähte geeignet, um einfache Stromkreise aufzubauen. Lange dünne Drähte sollten jedoch vermieden werden. Drähte werden in den meisten Betrachtungen als ideal, also widerstandslos und leitend angenommen. Bei langen dünnen Drähten ist der Widerstand jedoch relativ groß. Die Folge ist, dass eine Lampe eventuell nicht leuchtet, weil ein zu großer Teil der Spannung am Drahtwiderstand abfällt.

Abb. 3: Kabel (links) und Brücken (rechst)

Vorgefertigte Laborleitungen für die Schule haben den Vorteil, dass die Stecker in die zugehörigen Steckbretter, Schalter oder Lampenfassungen passen.

Für die Steckbretter gibt es auch Brücken, mit denen die Drahtverbindungen auf den Steckbrettern "hergestellt" werden können. Der Vorteil dieser Bauteile ist, dass der Stromkreis dem zugrunde liegenden Schaltplan ähnlicher sieht. Drähte aus dem Baumarkt sind dafür preiswerter.

Schalter, Steckbretter, ...

Die Lehrmittelhersteller bieten verschiedene Materialbausätze an, deren Ele­mente – Schalter, Steckbretter mit Brücken usw. – zusammenpassen.

Abb. 4: Steckbrett mit Brücken und Glühlampe. Die Spannungsquelle ist über Laborleitungen angeschlossen.

Je nach Ziel des Unterrichts kann man aber auch auf andere Weise einen Stromkreis zusammenbauen, zum Beispiel indem man sich im Haushalt bedient. So können Stromkreise an den offenen Drahtenden mit Heftzwecken geschlos­sen werden. Wichtig ist nur, dass Sie ihren Schülern verständlich machen, dass dies nur im Versuch in der Schule bzw. nur mit Kleinspannungsquellen geschehen darf. Steckbretter haben den Vorteil, dass die Schaltung sehr stark einem Schlatplan (Stromlaufplan) ähnelt. Dies fördert die Vernetzung des abs­trakten Schaltplans mit dem Versuchsaufbau.

Abb. 5: Einfacher Stromkreis mit Batterie, Büroklammern, Kupferdrähten und einer Glühlampe

Wichtige Begriffe und Ausdrücke

Die korrekte Fachsprache verwenden

In der Elektrizitätslehre gibt es eine Fachsprache, die gewährleisten soll, dass fachliche Zusammenhänge präzise und möglichst unmissverständlich ausge­drückt werden. Wird die Fachsprache richtig verwendet, kann sie außerdem helfen, Fehlvorstellungen zu vermeiden oder auszuräumen.

Die wichtigsten Begriffe und Ausdrucksweisen im Überblick

Strom

• Ausdruck: Ein Strom fließt.
• Ein Strom ist die Auszählung von Ladungen, die den Messpunkt innerhalb einer bestimmten Zeit passieren. Bildlich kann man sich den Zieleinlauf bei einem Marathon vorstellen, bei dem man über einen bestimmten Zeitraum zählt, wie viele Läufer die Ziellinie überqueren. An dieser Stelle gewinnt man keine Aussage über die Geschwindigkeit – um diese zu messen, bräuchte man mindestens zwei Messpunkte. Die Aussage, die man an dieser Stelle machen kann, ist: Je mehr Läufer die Ziellinie in einem be­stimmten Zeitraum überqueren, desto größer ist der "Läuferstrom". Analog gilt für den elektrischen Strom: Je mehr Ladungen den Messpunkt passie­ren, desto größer ist der Strom (die Stromstärke).

Spannung

• Ausdruck: Eine Spannung liegt an etwas (z. B. an Punkten, an Leitern oder an Widerständen).
• Eine Spannung kann als eine Art Ausgleichbestreben von Ladungen ver­standen werden. Liegt an einem Punkt ein nicht ausgeglichenes Verhältnis von Ladungen vor – also ein Überschuss an positiven oder negativen La­dungen – und an einem anderen Punkt nicht, so besteht ein Bestreben, einen Ausgleich der Ladungen herzustellen. Die Spannung ist das, was die Ladungsbewegung zum Ausgleich in Gang bringt; siehe die Wassersäulen-Analogie.

Energie

• Ausdruck: Energie wird übertragen (transportiert), umgewandelt oder entwertet.
• In elektrischen Stromkreisen wird Energie von der Quelle (Spannungsquelle im Versuchsaufbau) über die elektrischen Leitungen zum Verbraucher übertragen oder transportiert. Dort wird sie in andere Energieformen um­gewandelt (z. B. in innere Energie [Erwärmung der Umgebung], Licht oder Bewegungsenergie). Da der umgekehrte Vorgang, zum Beispiel die Um­wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie, nicht von selbst stattfindet (das geht nur, wenn man wiederum Energie aufwendet), spricht man bei dem Prozess auch von einer Energieentwertung.

Widerstand

• Ein Widerstand ist ein abstraktes Konstrukt. Ein Widerstand ist die Größe, die bei einer festgelegten Spannung den Strom begrenzt. Je größer der Widerstand (also das, was den Strom begrenzt), desto kleiner ist der Strom.
• Ein Bauteil, das nur diesen Zweck erfüllt (den Strom zu begrenzen), wird ebenfalls Widerstand genannt. In diesem Fall ist der Begriff nicht abstrakt, sondern bezeichnet das Bauteil.

Abb. 6: Unterschiedliche Wiederstände

Parallelschaltung

• Ausdruck: Bauteile (z. B. Widerstände, Lampen oder Schalter) kön­nen zueinander parallel geschaltet werden. Man spricht von einer Parallelschaltung zweier Bauteile.
• Ordnet man zwei Bauteile parallel zueinander an und verbindet ihre seiten­gleichen Enden bzw. Anschlüsse elektrisch miteinander, so spricht man von einer Parallelschaltung. Diese Parallelschaltung kann in einen Strom­kreis integriert werden (siehe Abb. 7).
• Beispiel: Die Verbraucher im Haushalt (Lampen, Küchengeräte, Fernseher, Fön, ...) sind alle parallel zueinander geschaltet. Das hat den einfachen Grund, dass nur so gewährleistet werden kann, dass allen eine Spannung von 230 V zur Verfügung steht. Wären mehrere Geräte in Reihe geschal­tet, so müssten sich diese die 230-Volt-Spannung teilen; jedem Gerät stünde also nur eine kleinere Spannung zur Verfügung.

Abb. 7: Parallelschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett

Abb. 7a: Parallelschaltung von zwei Lampen

Reihen- oder Serienschaltung

• Ausdruck: Bauteile (z. B. Widerstände, Lampen oder Schalter) kön­nen zueinander in Reihe geschaltet werden. Man spricht von einer Reihenschaltung zweier Bauteile.
  Synonym zu Reihenschaltung wird der Begriff Serienschaltung verwendet, "Reihe" ist allerdings der anschaulichere und heute gebräuchlichere Begriff.
• Beispiel: Lichterketten bestehen aus vielen Lampen, die eine viel kleinere Spannung als 230 V benötigen. Bei Lichterketten ohne Vorschaltgerät (z. B. einem Transformator) werden die Lampen in Reihe geschaltet, damit sich die Spannung unter ihnen aufteilt. So würde bei 23 Lampen in Reihe an jeder Lampe eine Spannung von 10 V anliegen.

Abb. 8: Reihenschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett

Abb. 8a: Reihenschaltung von zwei Lampen

Was leitet und was nicht?

Im Grundschulunterricht bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler kleine Experimente machen zu lassen, um selbstständig herauszufinden, was leitet und was nicht. Am einfachsten geht es, wenn man einen kleinen Stromkreis aufbaut, bestehend aus einer Batterie und einer Lampe. Öffnet man diesen Stromkreis an einer Stelle und fügt den jeweiligen Gegenstand ein, kann man überprüfen, ob es sich um einen Leiter handelt oder nicht. Im Folgenden sind zahlreiche Gegenstände angegeben, die sich für diese Experimente eignen.

Metalle

• Metalle sind grundsätzlich gute Leiter. Es gibt zwar bessere und schlechtere metallische Leiter, was mit dem hier vorgestellten Aufbau jedoch nicht nachweisbar ist.
• Beispiele zum Ausprobieren:
  • Büroklammer
  • Nagel
  • Stecknadel
  • sonstige Metalloberflächen (Tacker, Heftklammern usw.)
• Einschränkungen in der (Unterrichts-)Praxis:
  • Manche Drähte sind mit einer dünnen, oft transparenten Lackschicht überzogen. Wenn Sie solche Drähte als Leiter verwenden wollen, muss die Lackschicht an den Enden entfernt werden, da diese isolie­rend wirkt.
  • Metalle können oxidieren. Die dabei entstehende Oxidschicht sollte ähnlich wie der Lack der Drähte entfernt werden.

Kunststoffe

• Die meisten Kunststoffe sind gute Isolatoren. Sie leiten nahezu keinen Strom.
• Beispiele zum Ausprobieren:
  • Knopf
  • Filzstift
  • Plastikgehäuse
  • PET-Flasche

Abb. 9: Isolatoren aus Glas an Hochspannungsleitungen
(Quelle: Kreuzschnabel,
Wikimedia Commons, artlibre)

Keramik und Glas

• Keramik wird ebenfalls oft als Isolator eingesetzt. Ein Alltagsbeispiel sind die Isolatoren an Hochspannungsleitungen.
• Beispiele zum Ausprobieren:
  • Tasse oder Teller
  • Blumentopf
  • Trinkglas
  • Glasflasche

Holz

• Trockenes Holz leitet sehr schlecht (fast gar nicht)
• Wird Holz feucht, steigt seine Leitfähigkeit
• Beispiele zum Ausprobieren:
  • Zahnstocher
  • Schaschlikspieß
  • Ast
  • Holzlineal
  • Buntstifte

Der elektrische Stromkreis

Ein elektrischer Stromkreis besteht immer aus einer Strom- bzw. Spannungs­quelle und unterschiedlichen Elementen, die so miteinander verbunden werden, dass ein leitender "Kreis" entsteht; man spricht daher von einem geschlosse­nen Stromkreis.

Der einfachste Stromkreis besteht aus einer Batterie (Spannungsquelle) und einem Draht, der die beiden Pole der Batterie miteinander verbindet. Ein sol­cher Stromkreis stellt allerdings einen Kurzschluss dar. Da der Widerstand des Drahtes sehr klein ist, wird bei einem Kurzschluss der Strom sehr groß [4]; der Draht wird heiß.

In einem Stromkreis sollte aus diesem Grund ein Verbraucher (z. B. eine Lampe oder ein Motor) eingebaut sein. Ein Verbraucher hat einen größeren Wider­stand und begrenzt dadurch den Strom. Der einfachste ("sinnvolle") Stromkreis besteht demnach aus:

• einer Batterie,
• Verbrauchern,
• zwei Drähten, die je einen Pol der Batterie mit einem Anschluss des Ver­brauchers verbinden.

Abb. 10: Ein einfacher Stromkreis

Dieser einfache Stromkreis kann durch weitere Verbraucher, aber auch durch zusätzliche Spannungs- und Stromquellen oder Schalter erweitert werden. Diese müssen dann in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Abb. 11: Beispiele für weitere Stromkreise (zum Vergrößern auf das Bild klicken)
a) Reihenschaltung mit zwei Batterien – die Lampen leuchten heller als in der ein­fachen Reihenschaltung von Abb. 8a (die Spannung und die Stromstärke sind hier doppelt so groß).
b) Reihenschaltung mit drei Batterien – die Lampen leuchten noch heller (die Span­nung und die Stromstärke sind hier dreimal so groß wie in der einfachen Reihen­schaltung von Abb. 8a).
c) Reihenschaltung mit drei Batterien, von denen sich zwei "aufheben", weil zwei Minuspole bzw. zwei Pluspole miteinander verbunden sind. Die Lampen leuchten genauso hell wie in der einfachen Reihenschaltung von Abb. 8a (die Spannung und die Stromstärke sind in beiden Fällen gleich groß).
d) Reihenschaltung mit zwei Batterien, deren Minuspole miteinander verbunden sind. Die Lampen leuchten gar nicht (Spannung und Stromstärke sind gleich null).
e) Stromkreis mit zwei parallel verbundenen Batterien – die Lampe leuchtet genauso hell wie in dem einfachen Stromkreis mit nur einer Batterie (Abb. 10). Spannung und Stromstärke sind in beiden Fällen gleich groß.

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Fußnoten

1: Für Gleichspannung und Wechselspannung werden häufig die englischen Kürzel DC und AC verwendet. Sie stehen für direct current (= Gleichstrom) und alternating current (= Wechselstrom).

2: Die Nennspannung ist der vom Hersteller angegebene Spannungswert, den die Batterie oder der Akku im Normalbetrieb bereitstellt.

3: Über die Beziehungen "Leistung ist gleich Spannung mal Strom" (P = U I) und "Spannung ist gleich Widerstand mal Strom" (U = R I), folgt für die Span­nung: U = √(P R) (Spannung ist gleich Wurzel aus Leistung mal Widerstand).

4: Da die Spannung der Batterie konstant ist, ergibt sich aus der Formel U = R I, dass bei kleinem Widerstand der Strom groß ist.

Letzte Aktualisierung: 29.11.2023