Stromstärke und Spannung messen

Einstieg: 1,5 Volt, 230 Volt, 380 000 Volt

Auf einer Batterie steht 1,5 V, an der Steckdose liegen 230 V, und die grossen Leitungen über die Alpen führen bis zu 380 000 V. Auf dem Ladegerät deines Handys steht ausserdem „2 A“. Was bedeuten Volt und Ampere? Und wie misst man sie, ohne das Messgerät oder sich selbst zu gefährden?

Erklärung: Zwei Grundgrössen

Das Wassermodell

Den Strom in einem Draht siehst du nicht. Ein Modell hilft: Stell dir einen geschlossenen Wasserkreislauf vor.

Wasserkreislauf	Stromkreis
Pumpe	Stromquelle
Druckunterschied zwischen Ein- und Ausgang der Pumpe	Spannung
Wassermenge, die pro Sekunde durch ein Rohr fliesst	Stromstärke
Wasserrad, das angetrieben wird	Verbraucher, zum Beispiel Lampe
enges Rohr, das den Fluss bremst	Widerstand
Ventil	Schalter

Wie jedes Modell hat auch dieses Grenzen. Ein offener Wasserhahn lässt Wasser auslaufen, ein offener Schalter lässt keine Elektronen „auslaufen“.

Die Stromstärke

Die Stromstärke $I$ gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fliesst. Sie wird in Ampere (A) gemessen. Kleine Stromstärken gibt man in Milliampere an: $1\ \text{A} = 1000\ \text{mA}$.

Die Stromstärke misst man mit einem Amperemeter. Es wird in Serie in den Stromkreis eingebaut. Der Strom muss durch das Messgerät hindurchfliessen, so wie ein Wasserzähler in der Leitung sitzt.

Die Spannung

Die Spannung $U$ ist der Antrieb für den Strom. Sie gibt an, wie viel Energie jede Ladung zwischen zwei Punkten abgibt oder aufnimmt. Sie wird in Volt (V) gemessen.

Die Spannung misst man mit einem Voltmeter. Es wird parallel zum Bauteil angeschlossen, also an dessen beide Anschlüsse. Es vergleicht zwei Punkte, wie ein Druckmesser, der den Druck vor und nach einem Wasserrad vergleicht.

Mit dem Multimeter messen

Ein Multimeter misst Spannung und Stromstärke, je nach Einstellung.

1. Wähle zuerst die richtige Grösse: V für Spannung, A oder mA für Stromstärke. Bei Batterien und Netzgeräten den Gleichstrombereich wählen.
2. Beginne mit dem grössten Messbereich und schalte erst dann kleiner, wenn der Wert sehr klein ist.
3. Achte auf die Buchsen: Für Stromstärke werden die Kabel oft in andere Buchsen gesteckt als für Spannung.
4. Schliesse ein Amperemeter nie direkt an die Pole einer Stromquelle an. Es hat fast keinen Widerstand, und es entsteht ein Kurzschluss, der das Gerät oder seine Sicherung zerstört.

Beispiele

Beispiel 1: Typische Werte

Gerät oder Quelle	Spannung	Stromstärke ungefähr
Mignon-Batterie (AA)	1,5 V
Flachbatterie	4,5 V
USB-Anschluss	5 V
Leuchtdiode	etwa 2 V	20 mA
Lämpchen im Schülerversuch	3,5 V	0,2 A
Wasserkocher an der Steckdose	230 V	9 A
Höchstspannungsleitung in der Schweiz	380 000 V	mehrere hundert bis über tausend A

Beispiel 2: Eine Messung beschreiben Im Kreis aus Flachbatterie und Lämpchen zeigt das Amperemeter 0,25 A, das Voltmeter an der Lampe 4,3 V. Die Spannung an der Lampe ist etwas kleiner als die 4,5 V auf der Batterie, weil schon in den Kabeln und in der Batterie selbst ein kleiner Teil der Spannung abfällt.

Merksatz

Die Stromstärke $I$ (Einheit Ampere) gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde fliesst. Man misst sie mit dem Amperemeter in Serie. Die Spannung $U$ (Einheit Volt) ist der Antrieb des Stroms. Man misst sie mit dem Voltmeter parallel zum Bauteil. Beim Multimeter mit dem grössten Messbereich beginnen.

Übungen

Grundlagen

1. Ergänze: Die Stromstärke wird in … gemessen, die Spannung in …
2. Rechne um: 0,35 A in mA, 1200 mA in A, 0,02 A in mA.
3. Wie wird ein Voltmeter angeschlossen, wie ein Amperemeter?

Weiter

4. Ordne im Wassermodell zu: Batterie, Lampe, Schalter, Spannung, Stromstärke.
5. Ein Schüler schliesst das Amperemeter parallel zur Lampe an. Was passiert? Begründe.
6. Zeichne den Schaltplan für eine Messung von Stromstärke und Spannung an einem Motor.

Knobeln

7. Das Wassermodell sagt: „Je enger das Rohr, desto weniger Wasser fliesst.“ Übertrage die Aussage auf den Stromkreis.
8. Warum zeigt ein Voltmeter, das parallel zu einem geschlossenen Schalter angeschlossen ist, fast 0 V an, bei geöffnetem Schalter aber die volle Batteriespannung?

Lösungen

1. Die Stromstärke wird in Ampere (A) gemessen, die Spannung in Volt (V).
2. 0,35 A = 350 mA. 1200 mA = 1,2 A. 0,02 A = 20 mA.
3. Voltmeter: parallel zum Bauteil, an seine beiden Anschlüsse. Amperemeter: in Serie, der Stromkreis wird aufgetrennt und das Messgerät dazwischengeschaltet.
4. Batterie: Pumpe. Lampe: Wasserrad. Schalter: Ventil. Spannung: Druckunterschied. Stromstärke: Wassermenge pro Sekunde.
5. Das Amperemeter hat fast keinen Widerstand. Der Strom fliesst fast vollständig durch das Messgerät statt durch die Lampe. Die Lampe geht aus, und durch das Amperemeter fliesst ein sehr grosser Strom. Es entsteht praktisch ein Kurzschluss, die Sicherung des Messgeräts kann durchbrennen.
6. Rechteckiger Kreis mit Batterie, Motor (Kreis mit M) und Amperemeter (Kreis mit A) in Serie. Das Voltmeter (Kreis mit V) ist mit zwei zusätzlichen Leitungen an die beiden Anschlüsse des Motors angeschlossen.
7. Ein Bauteil mit grossem Widerstand lässt bei gleicher Spannung nur einen kleinen Strom fliessen.
8. Ein geschlossener Schalter hat fast keinen Widerstand. Zwischen seinen Anschlüssen gibt es keinen Unterschied, also auch fast keine Spannung. Ist der Schalter offen, fliesst kein Strom. Die Anschlüsse des Schalters sind dann über die Lampe mit den beiden Batteriepolen verbunden, und das Voltmeter misst die ganze Batteriespannung.