Einstieg: Warum leuchtet die Lampe nicht?
Du hast eine Flachbatterie, ein Lämpchen und ein Stück Draht. Du hältst den Draht an den Pluspol und das Lämpchen an den Draht. Nichts passiert. Erst wenn auch der zweite Anschluss des Lämpchens mit dem Minuspol verbunden ist, leuchtet es. Warum braucht es diesen zweiten Weg? Und warum leuchtet es nicht, wenn du einen Holzstab statt Draht verwendest?
Erklärung: Der geschlossene Stromkreis
Elektrischer Strom fliesst nur in einem geschlossenen Stromkreis. Er besteht mindestens aus:
- einer Stromquelle (Batterie, Netzgerät, Solarzelle) mit zwei Polen, Plus und Minus,
- einem Verbraucher (Lämpchen, Motor, Summer), der elektrische Energie umwandelt,
- Leitungen, die einen lückenlosen Weg von einem Pol über den Verbraucher zum anderen Pol bilden.
Mit einem Schalter kannst du den Kreis öffnen und schliessen. Ist er offen, ist der Weg unterbrochen, und es fliesst kein Strom.
Was fliesst da eigentlich?
In Metallen gibt es Elektronen, die sich frei bewegen können. Die Stromquelle treibt diese Elektronen wie eine Pumpe durch den ganzen Kreis. Sie werden dabei nicht verbraucht: Es kommen gleich viele zur Quelle zurück, wie sie verlassen. Verbraucht wird nur die Energie, die sie transportieren. Physikalisch genauer: Diese Energie wird im Verbraucher umgewandelt.
Die Elektronen bewegen sich vom Minuspol durch den Kreis zum Pluspol. Aus historischen Gründen zeichnet man die technische Stromrichtung trotzdem vom Plus- zum Minuspol. In Schaltplänen gilt diese Richtung.
Schaltzeichen
Damit alle einen Stromkreis gleich zeichnen, verwendet man Schaltzeichen und zeichnet Leitungen als gerade Linien mit rechten Winkeln.
| Bauteil | Schaltzeichen (in Worten) |
|---|---|
| Batterie, Zelle | ein langer dünner Strich (Plus) und ein kurzer dicker Strich (Minus) |
| Lampe | ein Kreis mit einem Kreuz |
| Schalter | eine unterbrochene Linie mit schräg gestelltem Strich |
| Motor | ein Kreis mit einem M |
| Widerstand | ein schmales Rechteck |
| Amperemeter, Voltmeter | ein Kreis mit A bzw. V |
| leitende Verbindung (Knoten) | ein ausgefüllter Punkt |
Leiter und Isolatoren
Leiter lassen Strom gut fliessen: alle Metalle, Grafit (Bleistiftmine), Salzwasser, der menschliche Körper. Isolatoren lassen praktisch keinen Strom durch: Kunststoff, Glas, Gummi, trockenes Holz, Luft. Kabel bestehen deshalb aus einem Kupferkern und einer Kunststoffhülle.
Wirkungen des Stroms
Fliesst Strom, kann er verschiedene Wirkungen haben:
| Wirkung | Beispiel |
|---|---|
| Wärmewirkung | Wasserkocher, Toaster, Glühdraht |
| Lichtwirkung | LED, Glühlampe, Leuchtstoffröhre |
| magnetische Wirkung | Elektromagnet, Elektromotor, Türklingel |
| chemische Wirkung | Akku laden, Vergolden durch Elektrolyse |
Sicherheit: Strom kann töten
- Die Steckdose liefert 230 V. Diese Spannung ist lebensgefährlich. Experimentiere nie mit der Steckdose oder mit geöffneten Geräten.
- In der Schule experimentierst du nur mit Batterien oder mit Netzgeräten, die eine ungefährliche Kleinspannung liefern. Die Lehrperson stellt die Spannung ein.
- Verbinde nie die beiden Pole einer Batterie direkt mit einem Draht. Bei diesem Kurzschluss wird der Draht sehr heiss. Lithium-Akkus von Handys oder E-Bikes können dabei sogar brennen.
- Baue um, wenn die Stromquelle ausgeschaltet ist.
Beispiele
Beispiel 1: Fehlersuche Eine Lampe leuchtet nicht. Du prüfst Schritt für Schritt: Ist der Schalter geschlossen? Sind alle Klemmen fest? Ist die Batterie leer? Ist die Lampe defekt? Ersetze ein Bauteil nach dem anderen durch ein funktionierendes, bis du den Fehler gefunden hast.
Beispiel 2: Leiter oder Isolator? Du baust einen Prüfstromkreis: Batterie, Lampe und zwei Krokodilklemmen, zwischen denen eine Lücke ist. Klemmst du eine Büroklammer dazwischen, leuchtet die Lampe: Stahl leitet. Bei einem Radiergummi bleibt sie dunkel: Gummi isoliert. Bei einer Bleistiftmine leuchtet die Lampe schwach. Grafit leitet, aber schlechter als Metall.
Merksatz
Strom fliesst nur in einem geschlossenen Stromkreis aus Stromquelle, Leitungen und Verbraucher. Die Elektronen werden nicht verbraucht, sie transportieren Energie zum Verbraucher. Metalle und Grafit leiten, Kunststoff, Glas und Luft isolieren. Strom hat Wärme-, Licht-, magnetische und chemische Wirkung. Die Steckdose ist lebensgefährlich.
Übungen
Grundlagen
- Nenne die Bauteile, die ein einfacher Stromkreis mindestens braucht.
- Ordne als Leiter oder Isolator: Alufolie, Plastiklineal, Münze, Glasstab, Bleistiftmine, Gummiband.
- Welche Wirkung des Stroms wird genutzt? Föhn, Velolicht, Lautsprecher, Handy laden.
Weiter
- Zeichne den Schaltplan eines Stromkreises aus Batterie, Schalter und Lampe mit Schaltzeichen.
- Erkläre, warum ein Kabel aus Kupfer und Kunststoff besteht.
- Warum sind Kurzschlüsse gefährlich, obwohl kein Verbraucher im Kreis ist?
Knobeln
- Ein Vogel sitzt auf einer Hochspannungsleitung und wird nicht verletzt. Ein Mensch, der vom Boden aus die Leitung berührt, wäre sofort tot. Erkläre mit dem Begriff geschlossener Stromkreis.
- Eine Schülerin sagt: „In der Lampe wird der Strom verbraucht, deshalb kommt beim Minuspol weniger an.“ Wie könntest du ihre Vermutung mit einem Versuch prüfen? Was wirst du beobachten?
Lösungen
- Stromquelle, Verbraucher, zwei Leitungen. Ein Schalter ist praktisch, aber nicht nötig.
- Leiter: Alufolie, Münze, Bleistiftmine. Isolatoren: Plastiklineal, Glasstab, Gummiband.
- Föhn: Wärmewirkung und magnetische Wirkung (Motor des Gebläses). Velolicht: Lichtwirkung. Lautsprecher: magnetische Wirkung. Handy laden: chemische Wirkung.
- Ein Rechteck aus Leitungen. Darin das Batteriezeichen (langer dünner und kurzer dicker Strich), das Schalterzeichen und ein Kreis mit Kreuz für die Lampe.
- Kupfer leitet sehr gut und leitet den Strom zum Gerät. Die Kunststoffhülle isoliert. Sie verhindert, dass man den Strom beim Anfassen abbekommt, und dass sich zwei Leitungen berühren und einen Kurzschluss verursachen.
- Ohne Verbraucher ist der Widerstand im Kreis sehr klein, und es fliesst ein sehr grosser Strom. Die Leitungen und die Batterie werden heiss, Isolationen können schmelzen, und es kann ein Brand entstehen.
- Der Vogel berührt nur eine einzige Leitung. Es gibt keinen Weg zu einer anderen Leitung oder zum Boden, der Kreis ist nicht geschlossen. Der Mensch am Boden schliesst dagegen über seinen Körper einen Stromkreis zwischen Leitung und Erde. Dann fliesst ein tödlicher Strom durch ihn hindurch.
- Man misst die Stromstärke mit einem Amperemeter einmal vor und einmal nach der Lampe. Beide Messungen ergeben denselben Wert. Der Strom wird also nicht verbraucht. Was abnimmt, ist die Energie, die im Lämpchen in Licht und Wärme umgewandelt wird.