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SG146    Grundbegriffe des elektrischen Stromkreises

© H. Hübel Würzburg 2021

U macht I und I macht U

Spannung und Ringspannung

RC-Glied im Gleichstromkreis

Glossar 

Physik für Schülerinnen und Schüler


1. Fragestellung

Du hast schon eine ganze Menge Erfahrungen mit dem elektrischen "Strom". Du weißt oder glaubst zu wissen, dass er zuhause aus der Steckdose kommt, dass deine Eltern am Jahresende eine "Stromrechnung" erhalten, und dass sie dann für den "verbrauchten Strom" zahlen müssen; am Monatsende hatten sie schon eine Abschlagszahlung für den geschätzten "Verbrauch" leisten müssen. Du weißt, dass Batterien unterschieden werden nach der Spannung, z.B. 9V oder 1,5 V. Dieser Wert ist auf der Batterie aufgedruckt, also offenbar eine Eigenschaft der Batterie. Vielleicht nennst du sie, wie viele Menschen in der Umgangssprache, "Stromspannung", im Unterschied zur Saitenspannung bei der Gitarre oder der Spannung eines Krimis. Und du weißt auch, dass die Spannungen der Batterien völlig ungefährlich sind, aber auch, dass die Spannung von 230 V, die man im Zusammenhang mit der Steckdose nennt, lebensgefährlich sein kann. Deswegen darfst du mit Batterien gerne experimentieren, aber mit der Elektrizität aus der Steckdose nie ohne Aufsicht. Ich denke, deine Erfahrung sind weitgehend korrekt.

Aber: Du verwendest, wie viele Menschen, in der Umgangssprache Begriffe, die entstanden sind, als man die Elektrizität noch nicht richtig verstanden hatte. Du kennst vielleicht den noch älteren Spruch für kleine Kinder: Messer, Schere, Feuer, Licht ... . Er stammt vermutlich aus der Zeit, als es der Hauptzweck der Elektrizität noch war, Licht zu erzeugen. In der italienischen oder der portugiesischen Umgangssprache wird noch heute für Elektrizität "Licht" gesagt (it. luce, pt. luz). Es ist aber empfehlenswert, die umgangssprachlichen Begriffe in die heutige Fachsprache zu übersetzen. Mit der Fachsprache wirst du nicht missverstanden, kannst ganz präzise Aussagen machen,  und erweckst bei deinen Gesprächspartnern nicht den Eindruck, als verstündest du nichts von der Materie. In der folgenden Tabelle siehst du, wie du übersetzen musst:

Umgangssprache
Fachsprache
ggf. Einheit
Strom elektrische Energie, Elektrizität 1 Kilowattstunde (1 kWh)
Stromrechnung Energierechnung: Strom ist kostenlos und wertlos, aber nicht nutzlos.
Stromverbrauch Energie"verbrauch", aber der Begriff ist so leider auch nicht ganz korrekt 1 kWh
Stromspannung elektrische Spannung, kurz: Spannung 1 Volt (1V)
? elektrischer Strom / Stromstärke 1 Ampere (1 A)
Stromkreis (elektrischer) Stromkreis

Auch in der Fachsprache ist die Rede von einem (elektrischen) Strom. Dafür gibt es wahrscheinlich in der Umgangssprache kein Wort. Denn was dem Strom zugrunde liegt, wurde erst spät verstanden. Du wirst es erst bald kennenlernen. Statt "das E-Werk liefert Strom" heißt es in der Fachsprache "das E-Werk (oder der Energieversorger) liefert elektrische Energie". Deine Eltern müssen nicht "für den Strom bezahlen", je nach der "Stromrechnung", sondern "für die bezogene elektrische Energie". Und auf der Energie-Rechnung steht nicht "der Stromverbrauch", sondern der "Energieverbrauch". Den ganz klugen Fachleuten gefällt aber diese Formulierung auch nicht, weil Energie nicht verbraucht werden, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt werden kann, häufig in Wärme. Die bezogene Energie dient also vielfach und oft unbeabsichtigt zum Heizen unserer Umwelt. Sagen wir lieber neutral, dass auf der Rechnung "die vom Energieversorger bezogene Energie" steht. Und dass die vom E-Werk bezogene Energie aus der Steckdose strömt, ist auch nicht so ganz richtig, aber die Steckdose spielt die wesentliche Rolle dabei. Das wirst du später verstehen.

Also: Das Elektrizitätswerk (E-Werk), Solarzellen, Batterien, Akkumulatoren (Akkus), Powerbanks sind Quellen von elektrischer Energie, kurz Energiequellen. Das E-Werk erzeugt elektrische Energie durch Umwandlung aus anderen Energieformen, meistens aus mechanischer Energie. Auch Solarzellen erzeugen elektrische Energie durch Umwandlung aus Sonnenenergie (Licht). Die übrigen Energiequellen sind Speicher von Energie, die sie nach und nach als elektrische Energie abgeben können.

Lampen, Heizlüfter, Herde, Elektromotoren heißen oft Verbraucher von elektrischer Energie. Aber sie verbrauchen keine Energie, sondern wandeln nur elektrische Energie in eine andere Energieform um: in Licht, Wärme (bzw. "innere" Energie), mechanische Energie, ... . Deswegen wird dein Lehrer diesen Begriff nicht mögen.

Über noch etwas müssen wir reden: Du weißt, dass ein Akku (etwa eine Autobatterie oder der Akku deines Smartphones) "geladen" werden kann. Womit? Natürlich mit Energie! Der Begriff "Ladung" hat aber noch einen anderen Aspekt. Wenn du deine frisch gewaschenen und getrockneten Haare kämmst, werden sie "elektrisch geladen". Auf den Haaren sammeln sich z.B. negative Ladungen, auf dem Kamm positive (oder umgekehrt). Weil sich gleichnamige Ladungen gegenseitig abstoßen, stehen dir anschließend die Haare zu Berge. Weil sich unterschiedliche Ladungen gegenseitig anziehen, folgen die Haare dem Kamm, wenn du ihn ein Stück entfernst.

Positive und negative Ladungen spielen auch bei elektrischen Energiequellen eine große Rolle: Positive Ladungen sammeln sich am Pluspol, negative am Minuspol. In Metallen (man nennt sie auch elektrische Leiter) sind insgesamt immer gleich viele positive und negative Ladungen enthalten. Es kann allerdings sein, dass sie ungleich verteilt sind; am Pluspol überwiegen positive Ladungen, am Minuspol negative Ladungen. In Metallen sind nur die negativen Ladungen frei beweglich. Sie heißen Elektronen. Die positiven Ladungen (sie heißen Atomrümpfe) sind im Metall an feste Orte gebunden. Allgemein sind auch in Energiequellen immer gleich viele positive und negative Ladungen vorhanden. Energiequellen sind insgesamt elektrisch neutral. Wenn ein Energiespeicher, z.B. ein Akku, geladen wird, wird elektrische Energie zugeführt. An der Gesamtzahl der Ladungen in seinem Inneren ändert sich dabei nichts. Es werden beim Ladevorgang aber mehr und mehr positive und negative Ladungen getrennt; mehr und mehr positive Ladungen sammeln sich am Pluspol, zugleich sammeln sich mehr und mehr negative Ladungen am Minuspol. Auch während ein Energiespeicher sich entlädt, bleibt er insgesamt neutral, enthält er immer gleich viele positive wie negative Ladungen.

Bei Wechselstrom wechselt die Polarität der Anschlüsse ständig. Bei uns ist ein Anschluss 50 mal in einer Sekunde ein Pluspol und 50 mal ein Minuspol.

Schließen wir jetzt ein geeignetes Lämpchen mit Hilfe von metallischen Leitungen an eine Energiequelle an. Dass etwas geschieht, erkennst du am Leuchten des Lämpchens. Das Lämpchen wandelt elektrische Energie um in Licht und Wärme (besser: in Licht und innere Energie des Glühdrahts und seiner Umgebung). Die elektrische Energie bezieht das Lämpchen aus der Energiequelle. Elektrische Energie "fließt" irgendwie von der Energiequelle zum Lämpchen und wird dort in andere Energieformen umgewandelt. In jedem Volumenbereich der Leitungen und des Lämpchens sind unverändert viele Elektronen und Atomrümpfe immer vorhanden. Aber die frei beweglichen Ladungen bewegen sich bei angeschlossener Energiequelle schneller, sie fließen! Und für die Elektronen, die aus einem Volumen heraus fließen, kommen gleichzeitig ebenso viele auf der anderen Seite hinzu. Es bleiben immer gleich viele. Dieses Fließen von (elektrischen) Ladungen nennt man einen (elektrischen) Strom, ähnlich wie das Fließen von Autos auf der Autobahn einen (Auto-)Strom darstellt. Auch hier sind im Idealfall in jedem (nicht ganz so kleinen) Autobahnabschnitt gleich viele Autos vorhanden: Die Autos, die den Abschnitt verlassen, werden durch gleich viele andere hinzukommende ersetzt.

Das "Fließen" von im Stromkreis überall vorhandenen elektrischen Ladungen wird (elektrischer) Strom genannt.

Die Anzahl der Ladungen in einem bestimmten Abschnitt des Stromkreises ist dabei immer konstant.

Man sagt, dass Metalle einen elektrischen Strom "leiten". Das heißt eigentlich: dieses Fließen von elektrischen Ladungen in Metallen ist möglich; Metalle lassen einen Strom durch. Metalle heißen deshalb elektrische Leiter. Verbindungsleitungen in der Schule bestehen aus einem metallischen Kern, dem Leiter (meistens aus Kupfer), und einer nichtleitenden Hülle, einem Isolator, meistens aus Kunststoff. Ein Isolator oder Nichtleiter lässt kein Zu- und Abfließen von Ladungen zu.

Man spricht auch von einem "fließenden Strom", obwohl das eigentlich ein sinnloser Sprachgebrauch ist. Entweder fließt Strom, oder er ist nicht vorhanden. Man definierte eine Richtung für diesen Strom:

Außerhalb einer Energiequelle soll der Strom immer vom Pluspol zum Minuspol fließen.

Diese Richtungsdefinition gilt für die so genannte "technische Stromrichtung"*) . Eine andere gibt es in der Physik nicht, und man sollte m.E. auch nicht versuchen, eine andere zu definieren. Wenn der Strom durch die negativen Ladungen transportiert werden würde, würden diese dabei außerhalb der Energiequelle vom Minuspol zum Pluspol fließen. Würde er durch positive Ladungen transportiert werden, würden diese - außerhalb der Energiequelle - vom Pluspol zum Minuspol fließen.

Ein Strom bei bewegten Elektronen fließt entgegengesetzt zur Elektronenbewegung.
Ein Strom bei bewegten positiven Ladungen ist gleichgerichtet zur Ladungsbewegung

Wenn der Strom am negativen Pol plötzlich aufhören würde, würden sich an den Polen immer mehr Ladungen sammeln, was offenbar nicht der Fall ist. Daraus schließt man, dass der Strom im Inneren der Energiequelle vom negativen zum positiven Pol weiterfließt. Man kann den Strom durch die Energiequelle mit einem Zangen-Amperemeter sogar nachweisen.

Ein Strom fließt im unverzweigten geschlossenen Stromkreis immer im Kreis herum.

Er fließt aus dem Pluspol der Energiequelle heraus, zu den Energie"verbrauchern", durch sie hindurch, ungeschwächt zum Minuspol der Energiequelle zurück, durch die Energiequelle hindurch und wieder aus dem Pluspol heraus. Du weißt, der Strom ist nicht ein Gegenstand, der einmal an dem Ort ist, dann an einem anderen, sondern der Strom ist "die Bewegung", "das Fließen", meistens von elektrischen Ladungen. Der Strom wird von der Energiequelle geliefert und unverbraucht wieder von ihr zurückgenommen. Strom kann nicht verbraucht werden. Strom kann auch nicht bezahlt werden. Strom ist kostenlos, wertlos, aber nicht nutzlos! Strom ist das Vehikel, mit dem elektrische Energie von der Energiequelle zum Energie"verbraucher" transportiert wird.

Normalerweise sind die Ladungen in Metallen bereits ohne Stromfluss in schneller Bewegung. Im Mittel bewegen sich gleich viele in jede Richtung und entgegengesetzt dazu.

Wie kommt es jetzt, dass in den Leitern vorhandene Ladungen beim Schließen eines Stromkreises plötzlich schneller fließen, um den Strom transportieren zu können? Dafür gibt es in der Energiequelle eine Ursache, die ein kluger Mensch "Spannung" genannt hat.

Durch die Spannung einer Energiequelle werden im Stromkreis überall vorhandene elektrische Ladungen zum Fließen gebracht; es entsteht ein elektrischer Strom.

In guten Metallen fließen Elektronen, in anderen Leitern können auch positive Ladungen fließen. Für den Stromkreis ist es egal, ob positive oder negative Ladungen fließen.

Diese Tatsache fasse ich zusammen mit dem Schlagwort: "Spannung erzeugt Strom" (Strom im physikalischen Sinn!).

Aber der  Strom hat auch Spannungen zur Folge. Das sieht man am einfachsten bei einer Reihenschaltung aus Ohm'schem Widerstand und Kondensator (einem RC-Glied): Wenn der Strom zu fließen beginnt, bildet sich unmerklich schnell eine Spannung UR am Ohm'schen Widerstand aus. Während der Kondensator durch die Energiequelle geladen wird,  entsteht auch am Kondensator allmählich eine Spannung, UC. Während sie bis zu ihrem Maximalwert,  der Batteriespannung U, wächst, sinkt die Spannung UR am Ohm'schen Widerstand allmählich auf 0 ab. Neuerdings sieht man das Entstehen dieser Spannungen wieder als eine Folge von Oberflächenladungen, die schon vor ca. 100 Jahren ausdiskutiert waren.

Es gilt also auch "Strom erzeugt Spannung" (beides im physikalischen Sinn!).

Spannungsdefinition

An eine Batterie werden nach und nach mehrere parallel geschaltete gleiche Lampen angeschlossen.

Eine Lampe nimmt pro Sekunde eine bestimmte Energie auf; eine bestimmte Menge von Ladungen fließt durch die Lampe.

Zwei Lampen nehmen pro Sekunde die doppelte Energie auf, auch die doppelte Menge von Ladungen fließt durch die Lampe.

Drei Lampen nehmen pro Sekunde die dreifache Energie auf, auch die dreifache Menge von Ladungen fließt durch die Lampe.

...

Offenbar ist die von den Lampen aufgenommene Energie W proportional zur Ladungsmenge Q, die dabei durch die Lampen fließt.

Die Energie pro Einheit der Ladungsmenge ist offenbar unabhängig von der Zahl der Lampen und eine Eigenart der Energiequelle.

Sie wird Spannung der Energiequelle genannt und ist definiert durch

U = W/Q

Bei einer höheren Spannung leuchten die Lampen heller; sie nehmen pro Sekunde mehr Energie auf als bei niederer Spannung.

Unabhängig, ob die Energiequelle mit einem Stromkreis verbunden ist oder nicht, hat sie die Eigenschaft "Spannung". Deshalb ist bei Batterien die Spannung, z.B. 9 V, aufgedruckt.

Ein Strom fließt dagegen nur in einem geschlossenen Stromkreis. Dann hängt der Strom ab vom Stromkreis (von Zahl und Eigenschaften seiner Bauteile) und von der Spannung der Energiequelle.

Wie wird die Spannung einer Energiequelle gemessen? Ein Spannungsmesser oder Voltmeter wird mit zwei Verbindungsleitungen mit den beiden Anschlüssen der Energiequelle verbunden. Wie ein solches Gerät funktioniert, wirst du später kennenlernen. Immer werden zwei Anschlüsse benötigt, denn die Spannung gibt es nur zwischen 2 Punkten. Würdest du die beiden Anschlüsse des Voltmeters mit demselben Punkt verbinden, würde das Voltmeter 0 V anzeigen: An einem Punkt gibt es keine Spannung!

Auch der Spannungsabfall an einem Ohm'schen Widerstand, UR, oder eine Gegenspannung, die sich an ihm bei Stromfluss aufbaut, existiert nur zwischen 2 Punkten, in der Regel zwischen Anfang und Ende des Widerstands. Auch zwischen den beiden Platten eines geladenen Kondensators wird eine Spannung gemessen, UC.


*) Mit dieser Richtungsdefinition haben manche Menschen Schwierigkeiten, weil Stromrichtung und Bewegungsrichtung negativer Ladungen nicht übereinstimmen.  Diese Richtungsdefinition ist aber nicht "falsch" oder "ungeeignet" und beruht auch nicht auf einem "Irrtum". Es gibt auch keine Möglichkeit, Probleme dieser Richtungsdefinition zu verbessern, denn es gibt nun einmal Stromkreise, bei denen negative, positive oder sogar beide Sorten von Ladungen gleichzeitig den Strom transportieren. Am häufigsten sind allerdings Stromkreise mit negativen Ladungsträgern: Elektronen.

Oberflächenladungen auf Leitern und auf den Grenzflächen zwischen verschiedenartigen Leitern haben die wichtige Aufgabe, dafür zu sorgen, dass im Inneren der Leiter ein elektrisches Feld herrscht, das dem Verlauf der Leiter folgt und in jedem Punkt eines Leiterquerschnitts den gleichen Betrag hat. Auch das Laden eines Kondensators im Stromkreis kann als Entstehung von Oberflächenladungen durch einen Strom gesehen werden. Ist diese Anpassung erfolgt, und das elektrische Feld im Leiterinneren aufgebaut, nehmen Oberflächenladungen direkt nicht weiter am Stromfluss teil. Als statische Ladungen können sie auch nicht die Energie liefern, die z.B. an Widerstände abgegeben wird.

Du darfst dir aber nicht vorstellen, dass die bewegten Ladungsträger die Energie mit sich herumtragen, wie das das Rucksackmodell oder das Bienen-Nektar-Modell behauptet. Ladungen, die durch eine leuchtende Lampe fließen, waren in der Regel während der Einschaltdauer nie in der Nähe der Energiequelle, wo sie Energie hätten abholen können. Besonders auffällig wird das bei Wechselstrom, wo Elektronen im Leiter nur wenige Atomdurchmesser weit hin und her wackeln. Der Strom bewegter Ladungen ist Voraussetzung für den Energietransport von der Energiequelle zur Lampe. Es sind aber nicht die Ladungen, die die Energie transportieren, sondern das elektromagnetische Feld im Raum.

Eine Ausnahme gibt es, wenn die beiden Anschlüsse des Voltmeters einen sich zeitlich ändernden magnetischen Fluss einschließen. Dann wird eine Induktionsspannung gemessen, die eine Ringspannung ist.


( Februar 2021 )