Electric Circuit Model — Current, Voltage, Resistance
PhysikKlasse 838 Aufgaben
ElektrizitätStromkreisGrundgrößen
Der Stromkreis wird durch drei Messgrößen beschrieben: Die Stromstärke I in Ampere gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde fließt, die Spannung U in Volt den Antrieb der Quelle, der Widerstand R in Ohm, wie stark ein Bauteil den Strom behindert. Ein Amperemeter misst in Reihe geschaltet, ein Voltmeter parallel. Das Wassermodell (Pumpe, Rohrverengung, Wasserstrom) veranschaulicht die drei Größen, stößt aber an Grenzen — Strom fließt nur im geschlossenen Kreis, ohne „Verbrauch" der Ladung. Netzstrom ist ab etwa 50 mA lebensgefährlich. Trägt das Ohm'sche Gesetz und die gesamte quantitative Elektrizitätslehre.
Ein Messgerät im Stromkreis zeigt 0,3 A an. Welche Größe hat es gemessen?
● Die Stromstärke
â—‹ Die Spannung
â—‹ Den Widerstand
Ampere (A) ist die Einheit der Stromstärke I — sie gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde fließt. Die Spannung wird in Volt gemessen, der Widerstand in Ohm.
Lampe und Drähte sind zu einem geschlossenen Kreis verbunden — aber ohne Batterie. Die Lampe leuchtet trotzdem, weil der Strom schon in den Drähten steckt.
âś“ Falsch
Ohne Spannungsquelle fließt kein Strom — die Spannung ist der Antrieb für den Strom. In den Drähten „lagert" kein Strom, der von selbst fließen könnte.
Welcher Gegenstand schlieĂźt die LĂĽcke im Stromkreis so, dass die Lampe leuchtet?
â—Ź Eine Bleistiftmine aus Graphit
â—‹ Ein Radiergummi
â—‹ Ein Trinkhalm aus Kunststoff
Graphit leitet den Strom, obwohl es kein Metall ist — Leiter haben frei bewegliche Ladungsträger. Radiergummi und Kunststoff sind Isolatoren und lassen praktisch keinen Strom fließen.
In einer batteriebetriebenen Taschenlampe wechselt der Strom viele Male pro Sekunde seine Richtung.
âś“ Falsch
Eine Batterie liefert Gleichstrom (DC) — die Ladungsträger fließen immer in dieselbe Richtung. Nur Wechselstrom (AC), z. B. aus der Steckdose, wechselt periodisch die Richtung.
â—Ź Ein Draht verbindet die beiden Pole der Batterie direkt, ohne Lampe dazwischen
â—‹ Die Lampe ist aus der Fassung geschraubt, der Stromkreis ist offen
â—‹ Zwei Lampen sind hintereinander an die Batterie angeschlossen
Ein Kurzschluss ist eine fast widerstandslose Verbindung der Pole: Der Draht ohne Lampe lässt einen sehr großen Strom fließen — gefährlich! Ein offener Kreis ist dagegen eine Unterbrechung, und zwei Lampen in Reihe erhöhen den Widerstand sogar.
Im Wassermodell des Stromkreises: Welcher Teil ĂĽbernimmt die Rolle der Batterie?
â—Ź Die Pumpe
â—‹ Das enge RohrstĂĽck
○ Das strömende Wasser
Die Pumpe erzeugt den Druckunterschied und entspricht der Spannungsquelle. Das enge Rohrstück entspricht dem Widerstand, der Wasserfluss der Stromstärke, der Wasserdruck der Spannung.
Im Schaltbild wird eine Batterie durch zwei Striche dargestellt: ein langer dĂĽnner Strich fĂĽr den ___-Pol und ein kurzer dicker Strich fĂĽr den Minuspol.
âś“ Antwort: Plus
In Schaltbildern wird der Pluspol einer Batterie als langer dĂĽnner Strich und der Minuspol als kurzer dicker Strich dargestellt.
Ein Schraubenschlüssel fällt in der Werkstatt quer über die beiden Pole einer Autobatterie. Obwohl keine Lampe und kein Gerät angeschlossen ist, fließt ein sehr großer Strom.
âś“ Wahr
Sobald der Kreis geschlossen ist und eine Spannungsquelle vorhanden ist, fließt Strom — ganz ohne eingebauten Widerstand sogar ein sehr großer. Genau darum sind solche Kurzschlüsse gefährlich, der Schlüssel kann glühend heiß werden.
â—Ź Mit einer Metall-BĂĽroklammer in die Steckdose (230 V) fassen
○ Eine 4,5-V-Flachbatterie mit beiden Händen an den Kontakten berühren
○ Einen eingeschalteten Föhn am Kunststoffgriff halten
Bei 230 V kann ein Strom durch den Körper fließen — schon ca. 50 mA können Herzkammerflimmern auslösen. Die 4,5-V-Batterie treibt durch die trockene Haut nur einen winzigen, harmlosen Strom, und der Kunststoffgriff isoliert.
Die festgelegte technische Stromrichtung zeigt vom ___-Pol zum Minuspol der Spannungsquelle.
âś“ Antwort: Plus
Die technische Stromrichtung verläuft per Definition vom Pluspol zum Minuspol im äußeren Stromkreis. Die tatsächliche Elektronenbewegung geht in die entgegengesetzte Richtung.
Welche Beobachtung kann das einfache Wassermodell NICHT anschaulich erklären?
â—Ź Ein dĂĽnner Draht wird heiĂź, wenn viel Strom durch ihn flieĂźt
○ Zwei Lampen hintereinander leuchten schwächer als eine einzelne Lampe
○ Wird der Kreis an einer Stelle unterbrochen, hört der Strom überall auf zu fließen
Die Erwärmung von Leitern hat im Wassermodell kein anschauliches Gegenstück. Die anderen Beobachtungen bildet es gut ab: mehr Engstellen bremsen den Fluss, und ein unterbrochenes Rohr stoppt die Strömung im ganzen Kreislauf. Modelle haben immer Grenzen.