Elektrischer Stromkreis: Elektronenmodell und Schaltzeichen

Einstieg

Eine Fahrradlampe, eine Taschenlampe, ein Spielzeugauto: Alle funktionieren nur, wenn ihr Stromkreis geschlossen ist. Ist ein Kabel lose oder die Batterie leer, passiert nichts. Wer eine Schaltung bauen oder reparieren will, muss wissen, wie ein Stromkreis aufgebaut ist und wie man ihn so zeichnet, dass ihn alle verstehen.

Erklärung

Der geschlossene Stromkreis

Ein einfacher Stromkreis besteht aus:

• einer elektrischen Quelle (Batterie, Akku, Netzgerät, Solarzelle),
• einem Verbraucher, besser gesagt einem Energiewandler (Lampe, Motor, Heizdraht),
• Leitungen, die beide zu einem geschlossenen Kreis verbinden,
• oft einem Schalter, der den Kreis öffnet und schließt.

Strom fließt nur, wenn der Kreis vom einen Pol der Quelle über die Bauteile zurück zum anderen Pol geschlossen ist.

Leiter und Isolatoren

• Leiter lassen elektrischen Strom gut durch: alle Metalle (Kupfer, Aluminium, Eisen), Graphit (Bleistiftmine), auch Leitungswasser und der menschliche Körper leiten.
• Isolatoren (Nichtleiter) lassen praktisch keinen Strom durch: Kunststoff, Glas, Gummi, trockenes Holz, Porzellan, Luft.

Kabel bestehen deshalb aus Kupferdraht (Leiter) mit einer Hülle aus Kunststoff (Isolator).

Was im Draht passiert: das Elektronenmodell

In Metallen gibt es viele Elektronen, die sich frei bewegen können. Die elektrische Quelle treibt sie an: Sie bewegen sich im ganzen Stromkreis gleichzeitig vom Minuspol durch Leitungen und Bauteile zum Pluspol. Diese gerichtete Bewegung von Elektronen ist der elektrische Strom.

Die Elektronen werden dabei nicht verbraucht. Es kommen genauso viele am Pluspol an, wie am Minuspol losgehen. Was die Lampe nutzt, ist die Energie, die mit dem Strom von der Quelle zur Lampe übertragen wird.

Ein Vergleich: Bei einer Fahrradkette bewegen sich alle Glieder gleichzeitig. Die Kette wird nicht verbraucht, sie überträgt nur Energie von den Pedalen zum Hinterrad.

Achtung, zwei Richtungen: Bevor man die Elektronen kannte, hat man festgelegt, dass der Strom vom Pluspol zum Minuspol fließt. Diese technische Stromrichtung wird in Schaltplänen bis heute verwendet. Die Elektronen bewegen sich genau entgegengesetzt.

Schaltzeichen und Schaltplan

Damit man Schaltungen schnell und eindeutig zeichnen kann, gibt es genormte Schaltzeichen (nach DIN EN 60617). In einem Schaltplan zeichnet man die Leitungen als gerade Linien mit rechten Winkeln.

Sicherheit beim Experimentieren

• Experimentiere nur mit Batterien, Akkus oder dem Netzgerät der Schule. Schülerinnen und Schüler experimentieren nur mit nicht berührungsgefährlicher Spannung: unter 25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung (RiSU).
• Die Steckdose (230 V) ist lebensgefährlich. Nie Drähte oder Bauteile hineinstecken.
• Verbinde nie die beiden Pole einer Quelle direkt mit einem Draht. Bei diesem Kurzschluss fließt ein sehr großer Strom, Drähte und Batterie werden heiß.
• Baue Schaltungen bei ausgeschalteter Quelle auf und zeige sie vor dem Einschalten der Lehrkraft.

Beispiele

Beispiel 1: Fehlersuche

Eine Lampe leuchtet nicht. Mögliche Ursachen: Batterie leer, Lampe kaputt (Glühdraht durchgebrannt), Kabel ohne Kontakt, Schalter offen, ein Isolator im Kreis (zum Beispiel ein Kabel an einer lackierten Stelle angeklemmt). Systematisch prüfst du, indem du jedes Bauteil einzeln gegen ein funktionierendes tauschst.

Beispiel 2: Leiter testen

Du baust einen Stromkreis aus Batterie, Lampe und zwei Kabeln mit Krokodilklemmen. Zwischen die freien Klemmen hältst du verschiedene Gegenstände. Leuchtet die Lampe, ist der Gegenstand ein Leiter. Bei Büroklammer, Alufolie und Bleistiftmine leuchtet sie, bei Radiergummi, Holz und Glas nicht.

Beispiel 3: Schaltplan einer Taschenlampe

Die Taschenlampe enthält zwei Batterien hintereinander, einen Schalter und eine Lampe. Im Schaltplan zeichnest du: zwei Zellen-Zeichen hintereinander (langer Strich an kurzen Strich), dann den Schalter, dann die Lampe, und eine Leitung zurück zur ersten Zelle.

Merksatz

Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis aus Quelle, Leitungen und Energiewandler. Elektrischer Strom in Metallen ist die gerichtete Bewegung von Elektronen vom Minus- zum Pluspol. Die Elektronen werden nicht verbraucht, sie übertragen Energie. Schaltpläne verwenden genormte Schaltzeichen.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne die Bauteile eines einfachen Stromkreises und ihre Aufgabe.
2. Ordne zu, Leiter oder Isolator: Kupfer, Glas, Graphit, Gummi, Aluminium, trockenes Holz.
3. Zeichne den Schaltplan: eine Batterie, ein Schalter, eine Lampe.

Weiter

4. Erkläre mit dem Elektronenmodell, warum eine Lampe sofort nach dem Einschalten leuchtet, obwohl sich die Elektronen nur sehr langsam bewegen.
5. Lea sagt: „Der Strom wird in der Lampe verbraucht. Deshalb kommt am Pluspol weniger an.“ Nimm Stellung.
6. Begründe, warum Kabel aus einem Leiter und einem Isolator bestehen.

Knobeln

7. Eine Treppenhausbeleuchtung soll mit zwei Schaltern (oben und unten) ein- und ausgeschaltet werden können. Recherchiere den Namen dieser Schaltung und beschreibe, was die Schalter anders machen als ein einfacher Schalter.
8. Ein Vogel sitzt auf einer Hochspannungsleitung und bekommt keinen Schlag. Ein Mensch, der vom Boden aus die Leitung berührt, wäre sofort tot. Erkläre mit dem Begriff des geschlossenen Stromkreises.

Lösungen

1. Quelle (stellt Energie bereit und treibt die Elektronen an), Leitungen (verbinden die Bauteile zu einem Kreis), Energiewandler wie Lampe oder Motor (wandelt die übertragene Energie um), Schalter (öffnet und schließt den Kreis).
2. Leiter: Kupfer, Graphit, Aluminium. Isolatoren: Glas, Gummi, trockenes Holz.
3. Rechteckiger Kreis mit Zellen-Zeichen, Schalter-Zeichen und Lampen-Zeichen (Kreis mit Kreuz), durch Linien verbunden.
4. Die Leitungen sind von Anfang an voller beweglicher Elektronen. Beim Schließen des Schalters beginnen alle Elektronen im ganzen Kreis gleichzeitig, sich zu bewegen, auch die in der Lampe. Wie bei einer Fahrradkette setzt sich alles auf einmal in Bewegung.
5. Die Aussage ist falsch. Elektronen werden nicht verbraucht. Durch jeden Querschnitt im unverzweigten Kreis fließen gleich viele Elektronen pro Sekunde. In der Lampe wird Energie umgewandelt, nicht Strom verbraucht.
6. Der Kupferdraht leitet den Strom zum Gerät. Die Kunststoffhülle verhindert, dass der Strom über einen anderen Weg fließt, zum Beispiel über den Körper eines Menschen oder über einen anderen Draht (Kurzschluss).
7. Es ist die Wechselschaltung. Statt einfacher Ein-Aus-Schalter verwendet man Wechselschalter, die zwischen zwei Leitungen umschalten. Jeder Schalter kann den Kreis schließen oder öffnen, egal in welcher Stellung der andere steht.
8. Der Vogel berührt nur eine Leitung. Zwischen seinen Füßen liegt kaum Spannung, es entsteht kein Stromkreis durch seinen Körper. Ein Mensch auf dem Boden schließt einen Stromkreis von der Leitung durch seinen Körper zur Erde. Dabei fließt ein tödlicher Strom.