Was sind elektrische Ladung und Stromstärke?
Alle Stoffe enthalten winzige geladene Teilchen. In einem Metalldraht können sich einige Elektronen frei bewegen. Wenn sie in eine Richtung wandern, fließt Ladung. Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde an einer Stelle vorbeikommt:
I = Q / t
Die Ladung Q wird in Coulomb (C) gemessen, die Zeit t in Sekunden und die Stromstärke I in Ampere (A). 1 Ampere bedeutet also: Jede Sekunde fließt 1 Coulomb Ladung vorbei. Ein Coulomb ist die Ladung von etwa 6.25 × 1018 Elektronen, und ein Elektron trägt 1.6 × 10−19 C. Kleine Stromstärken schreibt man in Milliampere (1 mA = 10−3 A) oder Mikroampere (1 µA = 10−6 A).
Die Richtung des elektrischen Stroms
Die Forscher legten die Stromrichtung fest, bevor man Elektronen entdeckt hatte. Sie wählten die Richtung, in die sich positive Ladung bewegen würde: außerhalb der Zelle vom Pluspol zum Minuspol. Das ist die technische Stromrichtung. Elektronen sind negativ, deshalb wandern sie in Wirklichkeit in die andere Richtung, von − nach +. In allen Schaltplänen zeichnen wir die technische Stromrichtung.
Stromkreis und Amperemeter
Ein elektrischer Stromkreis ist ein geschlossener, ununterbrochener Weg für die Ladung. Ist der Schalter (Steckschlüssel) offen oder ein Draht gerissen, ist der Stromkreis offen und nirgendwo in ihm fließt Strom.
Die Stromstärke misst man mit einem Amperemeter. Es wird immer in Reihe geschaltet, damit derselbe Strom hindurchfließt. Ein Amperemeter hat einen sehr kleinen Widerstand, deshalb verändert es den gemessenen Strom kaum. Sein Pluspol zeigt zur Plusseite der Zelle.
Was ist die elektrische Spannung?
Ladung fließt nicht von allein. Sie braucht einen Antrieb, so wie Wasser einen Höhenunterschied braucht, um durch ein Rohr nach unten zu fließen. Eine Zelle leistet chemische Arbeit, damit ein Pol ein höheres elektrisches Potenzial hat als der andere. Die Spannung (Potenzialdifferenz) zwischen zwei Punkten ist die Arbeit, die nötig ist, um eine Ladungseinheit von einem Punkt zum anderen zu bewegen:
V = W / Q
Ihre SI-Einheit ist das Volt (V): 1 Volt = 1 Joule pro Coulomb. Wenn also 1 J Arbeit 1 C Ladung zwischen zwei Punkten bewegt, beträgt die Spannung 1 V. Die Spannung misst man mit einem Voltmeter, das parallel (quer) zum Bauteil geschaltet wird. Ein Voltmeter hat einen sehr großen Widerstand, deshalb nimmt es fast keinen Strom auf.
Schaltzeichen im Schaltplan
Echte Batterien und Lampen zu zeichnen dauert lange, darum nutzen wir genormte Symbole:
- Zelle: eine lange dünne Linie (+) und eine kurze dicke Linie (−).
- Batterie: zwei oder mehr verbundene Zellen.
- Steckschlüssel oder Schalter: offen (aus) oder geschlossen (ein).
- Leitungsverbindung: ein Punkt, wo Drähte verbunden sind; Drähte, die sich ohne Punkt kreuzen, sind nicht verbunden.
- Glühlampe: ein Kreis mit einem Kreuz oder einer Schleife darin.
- Widerstand: ein kleines Rechteck oder eine Zickzacklinie.
- Regelbarer Widerstand (Rheostat): ein Widerstand mit einem Pfeil darüber.
- Amperemeter: ein Kreis mit A, Voltmeter: ein Kreis mit V.
In Prüfungen sollst du oft einen Stromkreis zeichnen mit Zelle, Schalter, Widerstand, Amperemeter in Reihe und Voltmeter über dem Widerstand. Übe, ihn sauber mit geraden Linien zu zeichnen.
Wichtige Formeln und Definitionen
- I = Q / t (Stromstärke = Ladung ÷ Zeit)
- Q = n × e, wobei e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (Spannung = Arbeit ÷ Ladung)
- 1 A = 1 C/s; 1 V = 1 J/C; 1 mA = 10⁻³ A; 1 µA = 10⁻⁶ A
Gelöste Beispiele
1. Eine Ladung von 30 C fließt in 1 Minute durch eine Lampe. Berechne die Stromstärke.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. Ein Strom von 2 A fließt 5 Minuten lang. Wie viel Ladung fließt?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. Wie viel Arbeit wird verrichtet, um 4 C Ladung über eine Spannung von 12 V zu bewegen?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. Aus wie vielen Elektronen besteht eine Ladung von 1 C?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸ Elektronen.
5. In einem Draht fließt ein Strom von 0.4 A. Wie viele Elektronen passieren eine Stelle in 2 Sekunden?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸ Elektronen.
6. Eine Batterie leistet 360 J Arbeit, um 2 Minuten lang Ladung durch einen Stromkreis mit 3 V Spannung zu treiben. Berechne die Ladung und die Stromstärke.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s, also I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
Häufige Fehler
- Minuten nicht in Sekunden umrechnen, bevor man I = Q / t benutzt.
- Das Voltmeter in Reihe oder das Amperemeter parallel schalten. Amperemeter: in Reihe. Voltmeter: parallel.
- Sagen, der Strom fließe im Schaltplan von − nach +. Die technische Stromrichtung zeigt von + nach −; nur die Elektronen wandern von − nach +.
- Denken, die Lampe "verbrauche" den Strom. Derselbe Strom fließt in die Lampe hinein und wieder hinaus; die Lampe verbraucht Energie.