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Elektrizitätslehre: Stromkreis, Spannung und Strom
Die Elektrizitätslehre untersucht elektrische Ladungen, ihre Bewegung und ihre Wirkungen. In einem geschlossenen Stromkreis kann ein elektrischer Strom fließen. Spannung treibt den Vorgang an, während der Widerstand die Stromstärke mitbestimmt.
Auf dieser Seite lernst du die wichtigsten Zusammenhänge kennen und erhältst einen Überblick über weiterführende Gebiete wie Elektromagnetismus und Induktion.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wann fließt elektrischer Strom?
Eine Lampe leuchtet nur, wenn Spannungsquelle, Leitungen und Lampe einen geschlossenen Weg bilden. Eine Unterbrechung – etwa ein geöffneter Schalter – verhindert den Strom.
Elektrischer Stromkreis
Ein elektrischer Stromkreis ist ein geschlossener Weg, in dem sich elektrische Ladungen gerichtet bewegen können. Er enthält mindestens eine Spannungsquelle, Leitungen und einen Verbraucher.
Im Stromkreis wird Elektrizität nicht vor dem Verbraucher verbraucht. In einem unverzweigten Kreis ist die Stromstärke vor und hinter dem Verbraucher gleich. Der Verbraucher wandelt übertragene elektrische Energie beispielsweise in Licht, Wärme oder Bewegung um.
Eine Batterie, zwei Leitungen und eine Lampe bilden einen einfachen Stromkreis:
- Eine Leitung verbindet einen Batteriepol mit der Lampe.
- Die zweite Leitung verbindet die Lampe mit dem anderen Batteriepol.
- Jetzt ist der Weg geschlossen und die Lampe kann leuchten.
- Wird eine Verbindung gelöst, erlischt die Lampe.
Kurzschluss
Bei einem Kurzschluss entsteht eine Verbindung mit sehr geringem Widerstand, die den vorgesehenen Verbraucher weitgehend umgeht. Dadurch kann die Stromstärke stark ansteigen und die Schaltung beschädigen.
Strom fließt im einfachen Modell im geschlossenen Kreis. Er wird nicht auf dem Weg zum Verbraucher aufgebraucht.
Experimente gehören ausschließlich an geeignete, ungefährliche Unterrichtsschaltungen. Steckdosen und beschädigte elektrische Geräte sind keine Experimentiergeräte.
Wie unterscheiden sich Stromstärke, Spannung und Widerstand?
Die drei elektrischen Grundgrößen beantworten verschiedene Fragen:
- Stromstärke $I$: Wie viel elektrische Ladung fließt in einer bestimmten Zeit durch einen Leiterquerschnitt?
- Spannung $U$: Wie groß ist die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten?
- Widerstand $R$: Wie stark begrenzt ein Bauteil bei einer bestimmten Spannung die Stromstärke?
Stromstärke
Die Stromstärke $I$ gibt an, welche Ladungsmenge $Q$ in der Zeit $t$ durch einen Leiterquerschnitt fließt:
$$I=\frac{Q}{t}$$
Ihre Einheit ist Ampere: $1\,\mathrm{A}=1\,\mathrm{C/s}$.
Durch einen Leiterquerschnitt fließen in $3\,\mathrm{s}$ insgesamt $6\,\mathrm{C}$ Ladung.
$$I=\frac{Q}{t}=\frac{6\,\mathrm{C}}{3\,\mathrm{s}}=2\,\mathrm{A}$$
Die Stromstärke beträgt $2\,\mathrm{A}$.
Die Stromstärke wird so gemessen, dass der Strom durch das Messgerät fließt. Das Strommessgerät wird daher in den Stromweg eingefügt.
Elektrische Spannung
Die Spannung $U$ ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten. Sie wird in Volt ($\mathrm{V}$) angegeben. Eine Spannung gehört deshalb niemals nur zu einem einzelnen Punkt, sondern immer zu einem Punktepaar.
Eine Batterie hält zwischen ihren Polen eine Potenzialdifferenz aufrecht. Im einfachen Modell kannst du dir diese als elektrischen Antrieb vorstellen. Die Wasser-Druck-Analogie hilft bei dieser Vorstellung, bildet einen elektrischen Stromkreis aber nicht in allen Einzelheiten ab.
Elektrischer Widerstand
Der elektrische Widerstand ist definiert durch
$$R=\frac{U}{I}$$
Seine Einheit ist Ohm:
$$1\,\Omega=1\,\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{A}}$$
Für ein ohmsches Bauteil unter konstanten Bedingungen gilt das Ohmsche Gesetz:
$$U=R\cdot I$$
Dabei bleibt $R$ konstant. Nicht jedes Bauteil besitzt bei allen Betriebsbedingungen einen konstanten Widerstand.
An einem ohmschen Widerstand von $6\,\Omega$ liegen $12\,\mathrm{V}$ an. Gesucht ist die Stromstärke.
$$I=\frac{U}{R}=\frac{12\,\mathrm{V}}{6\,\Omega}=2\,\mathrm{A}$$
Einheitenkontrolle: $\mathrm{V}/\Omega=\mathrm{A}$. Das Ergebnis passt zur gesuchten Größe.
Was gilt in Reihen- und Parallelschaltungen?
Bei einer Reihenschaltung liegen die Bauteile hintereinander in einem unverzweigten Stromweg. Deshalb fließt durch alle Bauteile dieselbe Stromstärke:
$$I=I_1=I_2=\dots$$
Die Teilspannungen addieren sich zur Spannung der Quelle:
$$U=U_1+U_2+\dots$$
An zwei in Reihe geschalteten Lampen werden $U_1=4\,\mathrm{V}$ und $U_2=8\,\mathrm{V}$ gemessen.
$$U=U_1+U_2=4\,\mathrm{V}+8\,\mathrm{V}=12\,\mathrm{V}$$
Die Quelle stellt insgesamt $12\,\mathrm{V}$ bereit.
Bei einer Parallelschaltung sind mehrere Zweige an dieselben beiden Verzweigungspunkte angeschlossen. Deshalb liegt an allen Zweigen dieselbe Spannung:
$$U=U_1=U_2=\dots$$
Am Knoten teilt sich der Strom auf. Der Gesamtstrom ist die Summe der Teilströme:
$$I=I_1+I_2+\dots$$
Durch zwei parallele Zweige fließen $I_1=0{,}3\,\mathrm{A}$ und $I_2=0{,}5\,\mathrm{A}$.
$$I=I_1+I_2=0{,}3\,\mathrm{A}+0{,}5\,\mathrm{A}=0{,}8\,\mathrm{A}$$
Vor der Verzweigung und nach dem Zusammenfluss beträgt die Gesamtstromstärke $0{,}8\,\mathrm{A}$.
Reihe: Stromstärke gleich, Spannungen addieren. Parallel: Spannung gleich, Stromstärken addieren.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
In einer fließt durch alle Bauteile dieselbe Stromstärke. In einer liegt an allen Zweigen dieselbe Spannung an. An einem Knoten ist der Gesamtstrom die der Teilströme. In einer Reihe ergibt die Summe der Teilspannungen die .
Wie hängen Leistung und Energie zusammen?
Die elektrische Leistung beschreibt, wie viel Energie pro Zeit übertragen oder umgewandelt wird:
$$P=U\cdot I$$
Die Einheit der Leistung ist Watt ($\mathrm{W}$). Es gilt außerdem $P=E/t$.
Die während einer Betriebszeit $t$ umgesetzte elektrische Energie ist
$$E=P\cdot t=U\cdot I\cdot t$$
Ein Gerät wird mit $12\,\mathrm{V}$ betrieben. Es fließen $2\,\mathrm{A}$.
Zuerst berechnest du die Leistung:
$$P=U\cdot I=12\,\mathrm{V}\cdot2\,\mathrm{A}=24\,\mathrm{W}$$
Das Gerät läuft eine halbe Stunde, also $0{,}5\,\mathrm{h}$:
$$E=P\cdot t=24\,\mathrm{W}\cdot0{,}5\,\mathrm{h}=12\,\mathrm{Wh}$$
Das Gerät setzt in dieser Zeit $12\,\mathrm{Wh}$ Energie um.
Leistung und Energie sind nicht dasselbe: Watt beschreibt die momentane Umsetzungsrate, Wattstunden beschreiben eine Energiemenge.
Welche Wirkungen eröffnet der elektrische Strom?
Elektrischer Strom ist nicht direkt mit einem menschlichen Sinn wahrnehmbar. Er lässt sich an seinen Wirkungen erkennen. Dazu gehören beispielsweise Licht, Wärme, Bewegung und magnetische Wirkungen.
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Bei einer Spule lässt sich diese Wirkung technisch nutzen. Darauf beruhen unter anderem steuerbare Elektromagnete und wichtige Grundlagen des Elektromotors.
Die umgekehrte Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität führt zur elektromagnetischen Induktion: Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife oder Spule, kann eine Spannung entstehen. Generatoren und Transformatoren nutzen diesen Zusammenhang.
Die Elektrizitätslehre reicht weit über Gleichstromkreise hinaus. Zu ihren weiteren Gebieten gehören elektrische Felder, Kondensatoren, Wechselstrom, elektromagnetische Schwingungen und elektromagnetische Wellen. Diese Themen bauen auf den Grundideen von Ladung, Spannung, Stromstärke, Energie und Feldern auf.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektrizitätslehre
- Stromkreis: geschlossener Weg für elektrischen Strom
- Stromstärke: Ladungsmenge pro Zeit, $I=Q/t$
- Spannung: Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten
- Widerstand: Verhältnis von Spannung und Stromstärke, $R=U/I$
- Reihenschaltung: gleiche Stromstärke, Teilspannungen addieren sich
- Parallelschaltung: gleiche Spannung, Teilströme addieren sich
- Energieübertragung: $P=U\cdot I$ und $E=P\cdot t$
- Elektromagnetismus: Strom erzeugt ein Magnetfeld
- Induktion: Flussänderung kann Spannung erzeugen