Allgemeines
Der elektrische Strom ist für viele Leute fast genauso mysteriös wie Magnete, denn man sieht und hört ihn nicht. Dabei ist das Phänomen Elektrizität relativ leicht erklärbar. Nachfolgend erfahren wir in einfachen Worten, was Strom ist, wie die Leitung von Strom funktioniert und wie Strom „hergestellt“ wird.
Was ist elektrischer Strom?
Wie sicherlich bekannt ist, hat Strom mit Elektronen zu tun. Elektronen selbst sind kleine Elementarteilchen, die alle die absolut gleiche negative Ladung besitzen. Von elektrischem Strom redet man dann, wenn Elektronen sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Genaugenommen reicht schon ein einzelnes Elektron. Nehmen wir einmal an, im luftleeren Raum bewegen sich einige Elektronen, z.B. wie in Abbildung 1 auf einer bestimmten Bahn, dann fließt entlang dieser Bahn elektrischer Strom.
Abb. 1 – Elektronenbewegung/Elektrischer Strom
Jetzt werden Sie sich vielleicht wundern: Stromfluß ohne elektrischen Leiter? Ja genau; der elektrische Strom ist nicht notwendigerweise z.B. an eine Kupferleitung gebunden, wie Ihnen in der Natur vorkommende Blitze bestätigen. In Fernsehgeräten werden Elektronen im Vakuum in Richtung Mattscheibe regelrecht geschossen. Es wäre zwar logisch, den Stromfluß so zu definieren, dass er in Richtung der sich bewegenden Elektronen erfolgt. Aufgrund historischer Irrtümer (man dachte vor langer Zeit, der Stromfluß basiere auf der Bewegung positiv geladener Teilchen, wurde der Stromfluß aber umgekehrt zur Bewegungsrichtung der Elektronen definiert und bis heute beibehalten. Strom fließt daher vom Pluspol einer Spannungsquelle zum Minuspol, während die den Strom verursachenden Elektronen vom Minus- zum Pluspol fließen. Strom ist daher genaugenommen etwas Virtuelles, während die Elektronen echte Teilchen sind.
Fazit: Unter elektrischem Strom versteht man sich in eine bestimmte Richtung bewegende Elektronen.
Stromfluß im elektrischen Leiter
Wenngleich ein Stromfluß problemlos auch im Vakuum möglich ist, verwendet man üblicherweise elektrische Leiter um Strom von einem Ort an einen anderen zu leiten. Sehr gut geeignet hierfür sind Metalle. Der Grund liegt darin, dass im festen Aggregatzustand der Metalle deren Atome eine sogenannte Metallbindung eingehen. Dies bedeutet, dass jedes Atom einige seiner Elektronen sozusagen in einen gemeinsamen Fonds abgibt. Diese Elektronen sind keinem Atom fest zugeordnet, sondern schwirren wie ein Gas zwischen diesen her. Die Atomreste ohne diese Elektronen sind positiv geladen. Man bezeichnet sie daher als Ionen. In Abb. 2 sind sie in grüner Farbe dargestellt. Eine wesentliche Eigenschaft der Metalle ist, dass deren Ionen regelmäßig angeordnet sind, d.h. ordentlich in Reih und Glied. Um diese Ionen herum schwirren die blau dargestellten freien Elektronen herum, die aufgrund ihrer negativen Ladung wie Klebstoff zwischen den positiv geladenen Metallionen wirken, so dass diese sich nicht abstoßen (gleiche Ladungen stoßen sich ja bekanntlich ab).
Abb. 2 – Freie Elektronen im Metallgitter
Durch diese Eigenschaft sind in Metallen sehr leicht bewegliche Elektronen vorhanden. Wenn man nun einen Draht nimmt und salopp gesprochen an einem Ende Elektronen hineindrückt, verdrängt man damit die dort vorhandenen Elektronen, da sich ja gleiche Ladungen abstoßen. Diese Elektronen verdrängen ihrerseits weiter hinten befindliche Elektronen usw., so dass die vorne hineingedrückten Elektronen sehr schnell dafür sorgen, dass am anderen Ende ein Elektronenüberschuss entsteht. Ein metallischer Draht wirkt also für Elektronen ungefähr so wie ein bereits mit Wasser gefülltes Rohr für Wassermoleküle: Wenn man vorne Wasser hineinfließen lässt, läuft es hinten sofort heraus. In einem Punkt hinkt jedoch der Vergleich: Aus einem Stück Draht laufen die Elektronen nicht heraus, wenn man es irgendwo hinlegt.
Leistung, Strom und Spannung
Wichtige Kenngrößen des elektrischen Stroms sind Strom (genaugenommen Stromstärke) und Spannung. Die Maßeinheit für die Stromstärke ist Ampere und wird mit „A“ abgekürzt, während die Spannung in Volt d.h. „V“ angegeben wird. Man kann sich diese Kenngrößen am einfachsten dadurch verdeutlichen, dass man einen Vergleich mit einem Wasserrohr zieht. Die Stromstärke beschreibt die Menge der durchfließenden Elektronen pro Zeiteinheit, im Vergleich also die durchfließende Wassermenge pro Zeiteinheit. Die Spannung beschreibt hingegen, um den Vergleich zu bemühen, unter welchem Druck das Wasser steht. Wie beim Wasser auch, kann eine hohe Spannung vorhanden sein (= hoher Wasserdruck), ohne dass ein Strom fließt (= Hahn zugedreht). Andererseits kann bei einem schon sehr geringen Druck eine sehr hohe Wassermenge pro Zeiteinheit fließen, wie es größere Flüsse demonstrieren. Beim elektrischen Strom ist das nicht anders.
Die elektrischen Messgrößen hängen auch mit den Größen anderer physikalischer Fachbereiche zusammen. So wird z.B. die Einheit der Leistung, das Watt (W), an mechanischen Vorgängen definiert. Wenn man einen Gegenstand von einem Kilogramm gegen die Schwerkraft der Erde in zehn Sekunden um einen Meter anhebt, dann benötigt man dazu eine Leistung von ca. einem Watt. Setzt man dazu einen Elektromotor ein, wird eine elektrische Leistung von einem Watt benötigt, oder etwas mehr, weil der Motor nebenbei auch Wärme erzeugt. Ein Motor mit der Leistung 100 Watt könnte entsprechend mehr in kürzerer Zeit heben.
Die tatsächliche Leistung eines elektrischen Geräts hängt von der elektrischen Stromstärke I und der elektrischen Spannung U ab. Eine größere Spannung bedeutet, dass bei gleichem Strom mehr Leistung umgesetzt wird. Man kann daher die Spannung als abgeleitete Größe definieren:
Umgekehrt lässt sich die elektrische Leistung berechnen, wenn Spannung und Stromstärke gemessen wurden. An einem Glühlämpchen wurde z.B. gemessen: U=6V, I=0,4A. Die Leistung beträgt dann:
Abb. 3 – Messung der Leistung
Diese Lampe mit der Leistung 2,4W wird im Scheinwerfer eines Fahrrads eingesetzt. Sie ist wesentlich heller als die Rücklichtlampe mit der Leistung 0,6W. Allgemein kann man sagen, dass mehr Leistung auch mehr Licht, mehr Wärme oder mehr Bewegung bedeutet. Viel Leistung kann durch eine hohe Spannung oder durch einen großen Strom erreicht werden.
Gleich- und Wechselstrom
Wenn die Elektronen nur in eine Richtung fließen, spricht man von Gleichstrom. In der Praxis dürften Ihnen als Gleichstromquellen Batterien und Akkumulatoren in verschiedenen Ausführungsformen geläufig sein, aber auch sogenannte Netzgeräte.
Von Wechselstrom spricht man dann, wenn in einem vorgegebenen Takt die Elektronen für eine bestimmte Zeit in die eine, dann in die andere Richtung fließen. Bekanntestes Beispiel für eine Wechselstromquelle ist die Steckdose, die Teil einer 230-Volt-Installation (früher 220 Volt) ist. Auf den ersten Blick mag es schwachsinnig erscheinen, Strom mal in die eine und kurz darauf in die andere Richtung zu schicken. Dies ist aus technischer Sicht aber erforderlich, weil man nur bei Wechselstrom Spannungen einfach transformieren kann. Überlandleitungen arbeiten z.B. mit 380000 Volt (=380 kV), während Hauptverteilungsstränge in der Stadt mit 10000 oder 20000 Volt (=10 kV bzw. 20 kV) und das Ihnen bekannte „Lichtnetz“ mit 230 Volt betrieben werden. Diese Spannungen muss man ineinander umwandeln, was bei Wechselstrom leicht und fast verlustlos mit einem Transformator erfolgen kann, bei Gleichstrom in direkter Form aber überhaupt nicht möglich ist.
Während Batterien Gleichstrom liefern, verwendet man im Lichtnetz Wechselstrom. Die Polarität der Wechselspannung kehrt sich mit einer Frequenz f laufend um. An der Steckdose findet man eine Wechselspannung mit 230 V bei einer Frequenz von 50 Hertz (Hz), also mit 50 vollständigen Wechseln in einer Sekunde. Eine volle Periode dauert 20 Millisekunden. Die höchste Momentanspannung liegt bei ca. 325 V. Die Effektivspannung Ueff beträgt 230 V. Das bedeutet, dass an einem Ohm’schen Widerstand bei einer Gleichspannung von 230 V die gleiche mittlere Leistung umgesetzt wird. Mit einem Oszilloskop lässt sich der zeitliche Verlauf der sinusfömigen Wechselspannung sichtbar machen.
Abb. 4 – Das Oszillogramm einer Wechselspannung
Der wichtigste Grund Wechselstrom einzusetzen ist die Möglichkeit, mit Transformatoren die Spannung zu verändern. Ein Transformator enthält zwei Drahtspulen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Das Verhältnis der Windungszahlen entspricht dem Verhältnis der Spannungen. Ein Transformator verändert im umgekehrten Windungsverhältnis die Stromstärke, so dass die Leistung bis auf geringe Verluste unverändert bleibt.
Wechselspannungen spielen auch als Signalspannungen eine wichtige Rolle. So sind z.B. Tonfrequenzsignale auf einer Telefonleitung oder an einem Lautsprecher ebenfalls Wechselspannungen, wobei aber meist mehrere Frequenzen im Bereich 20 Hz bis 20 kHz (Niederfrequenz) zusammen auftreten. Man kann typische Niederfrequenzsignale z.B. mit einem Oszilloskop untersuchen.
Abb. 5 – Der Transformator
Der Stromkreis
Elektronen kann man nicht einfach aus dem Nichts heraus erzeugen, weshalb der weitverbreitete Begriff Stromquelle im eigentlichen Sinne des Wortes nicht richtig ist. Auch Wasser wird ja nicht erzeugt, sondern z.B. dem Grundwasser entnommen und durch eine Pumpe in das Wasserversorgungsnetz eingespeist. Das z.B. aus einem Hahn ausfließende Wasser fließt auf einem langen Weg ins Meer und dann via Wolkenbildung und Regen wieder zurück ins Grundwasser und damit zur Pumpe. Beim Strom ist es sehr ähnlich: Man kann lediglich die in einem Material vorhandenen Elektronen durch geeignete Maßnahmen (genaueres folgt gleich) dazu bewegen, in eine bestimmte Richtung zu fließen. Im Gegensatz zu Wasser gibt es kein dem Grundwasser entsprechendes Elektronenreservoir, dem man zuerst einmal Elektronen entnehmen kann und dass man zu einem späteren Zeitpunkt wieder auffüllt. Beim Strom muss man sofort nachfüllen. Dies erreicht man sehr leicht dadurch, dass man die Elektronen nicht wie das Wasser über verschiedene Umwege zurücklaufen lässt, sondern einen speziell dafür eingerichteten Rückkanal vorsieht, d.h. einen weiteren Draht. Zudem sollte der Strom keine undefinierten Rückwege einschlagen, da hohe Spannungen für Mensch und Tier gefährlich sein können.
Abb. 6 – Der Stromkreis
Im Bild sehen Sie links eine Stromquelle, die die Spannung U1 zur Verfügung stellt. Der positive Pol der Stromquelle ist über einen Schalter an einen Verbraucher geführt und von dort zurück an den Minuspol der Stromquelle. Als elektrischen Verbraucher können Sie sich beispielsweise ein Heizelement oder eine Glühlampe vorstellen. In diesem stoßen die Elektronen auf leichten Widerstand und geben so Energie ab. Dadurch erhitzt sich das Material. Bei einer Glühlampe wird die Wärmeerzeugung derart auf die Spitze getrieben, dass das Material weißglühend wird und so Licht emittiert.
Ist der Schalter offen, fließt kein Strom I1. Denn die Elektronen stehen zwar sozusagen „unter Druck“, können aber die elektrischen Leitungen nicht verlassen. Damit können sie nirgendwohin fließen, wodurch auch kein Strom fließen kann. Der Schalter könnte auch in der unteren Leitung liegen, denn dessen Position ist egal. Wichtig ist nur, dass der Stromkreis an mindestens einer Stelle unterbrochen werden kann. Am Verbraucher liegt bei geöffnetem Schalter mangels Stromquelle die Spannung U2 = 0 V, wodurch auch kein Strom durch den Verbraucher fließen kann, d.h. I2 = 0 A.
Schließt man den Schalter, ändern sich schlagartig die Verhältnisse. Da die Leitungen (wenigstens im Idealfall) keine Spannung „verbrauchen“, ist die Spannung U2 am Verbraucher identisch mit U1. Und weil keine Elektronen aus der Leitung auf dem Weg zum Verbraucher verloren gehen (analog zu einer dichten Wasserleitung), ist der Strom I1 auch genauso groß wie I2. Was Sie vielleicht überraschen wird, ist die Tatsache, dass der Strom I3 ebenfalls so groß wie I1 bzw. I2 ist. Dies ist aber bei näherer Betrachtung ganz logisch: Auch elektrische Verbraucher verbrauchen d.h. vernichten selbstverständlich keine Elektronen. Vielmehr wandeln sie nur die Bewegungsenergie der Elektronen um, und zwar z.B. in Wärme bei einem Heizelement bzw. Wärme und Licht bei einer Glühlampe.
Dies hat zur Folge, dass hinten bei jedem Verbraucher genauso viele Elektronen herauskommen wie vorne reingesteckt werden. Und gleiche Elektronenmenge pro Zeiteinheit bedeutet gleiche Stromstärke. Damit ist auch die Forderung erfüllt, dass alle Elektronen zurück zur Stromquelle fließen müssen.
Reihenschaltung von Widerständen
Schaltet man zwei Verbraucher, also z.B. zwei Widerstände, in Reihe, dann fließt durch beide der gleiche Strom. Die Stromstärke hängt vom Gesamtwiderstand ab. Der Gesamtwiderstand ist die Summe aller Teilwiderstände.
Abb. 7 – Die Reihenschaltung
Die Spannung teilt sich in Reihenschaltung auf alle Verbraucher auf. Die Spannung (man spricht hier auch vom „Spannungsabfall“) an einem Widerstand kann leicht aus der Stromstärke bestimmt werden:
Bei gleichen Widerständen teilt sich die Spannung in gleiche Teile auf (Spannungsteiler). Oft findet man ungleiche Widerstände vor. Da praktisch jeder Draht Widerstand hat, gibt es auch im Draht Spannungsabfälle, die z.B. bemerkbar werden, wenn man sehr lange und zu dünne Kabel bei großer Stromstärke verwendet.
Parallelschaltung von Widerständen
Bei der Parallelschaltung mehrerer Verbraucher addieren sich die Ströme, während die Spannung an jedem Verbraucher die gleiche ist. Für den Gesamtstrom gilt: I = I1 + I2 + …
Abb. 8 – Die Parallelschaltung
In der Beispielschaltung findet man zwei Teilströme mit jeweils 6 mA. Beide Widerstände mit jeweils 1000 Ohm könnten durch einen Widerstand mit 500 Ohm ersetzt werden (Ersatzwiderstand), um den gleichen Gesamtstrom von 12 mA zu erreichen. Zwei gleiche Widerstände in Parallelschaltung ersetzen also einen halb so großen Widerstand. Oft möchte man einen Widerstand durch mehrere Widerstände ersetzen, z.B. um die erlaubte Verlustleistung zu erhöhen. Zehn Widerstände mit 1Ohm/0,25W in Parallelschaltung ersetzen einen Leistungswidersand mit 0,1Ohm/2,5W.
Abb. 9 – Widerstände
Kondensatoren und Kapazität
Kondensatoren sind ebenso wie Widerstände Bauteile mit zwei Anschlussdrähten. Schaltet man sie in Reihe zu einem Verbraucher, dann ist der Stromkreis unterbrochen. Allenfalls beim ersten Einschalten fließt ein kurzer Stromstoß. Verwendet man dagegen Wechselspannung, dann fließt ein Strom, und der Kondensator verhält sich ähnlich wie ein Widerstand.
Abb. 10 – Auf- und Entladen eines Kondensators
Der Kondensator besteht aus zwei Metallfolien, die gegeneinander isoliert sind. Bei Anschluss einer Spannung werden die Folien (Kondensatorplatten) aufgeladen, bis die Spannung gleich der Batteriespannung ist. Die Ladung bleibt gespeichert und kann beim Anschluss eines Widerstands in kurzer Zeit abfließen, wobei die Spannung abnimmt. Grundsätzlich fließt nur Strom, solange die Spannung sich ändert. Die Größe des Stroms hängt von der Plattengröße, von ihrem Abstand und vom verwendeten Isoliermaterial (Dielektrikum) ab. Man ordnet dem Kondensator als messbare Größe die Kapazität C in Farad (F) zu. Meist kommen Werte im Bereich Mikrofarad (µF, millionstel Farad), Nanofarad (nF=1/1000 µF) und Pikofarad (pF=1/1000 nF) vor.
Die Kapazität kann gemessen werden, wenn man den Spannungsanstieg Delta-U bei einem Strom I in einer gewissen Zeit Delta-t bestimmt.
Beim Anlegen einer Wechselspannung ändert sich die momentane Spannung zu jedem Zeitpunkt. Der Kondensator wird also dauernd aufgeladen und wieder entladen. Insgesamt beobachtet einen Wechselstrom, der von der Spannung, der Frequenz und der Kapazität des Kondensators abhängt. Der Kondensator verhält sich ähnlich wie ein Widerstand und besitzt einen „kapazitiven Widerstand“ Rc.
Abb. 11 – Der Kondensator im Wechselstromkreis
Für einen Kondensator mit C=100µF bestimmt man bei einer Frequenz von 50 Hz einen kapazitiven Widerstand von Rc=31,8 Ohm.
Abb. 12 – Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom
Im Wechselstromkreis mit einem Kondensator ist zu beachten, dass es eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom gibt, d.h. der höchste Strom tritt nicht zum Zeitpunkt der höchsten Spannung auf, sondern früher. Aus diesem Grunde lassen sich auch nicht die Gesetze der Reihenschaltung einfach auf einen Kondensator und einen Widerstand anwenden. Trotzdem können Kondensatoren wie Vorwiderstände eingesetzt werden. Allerdings sind größere Kapazitäten meist nur bei Elektrolytkondensatoren erhältlich, die eine Polung aufweisen und nicht an Wechselspannung betrieben werden dürfen.
Kondensatoren als Vorwiderstände setzt man in Lautsprecher-frequenzweichen ein, weil der kapazitive Widerstand mit der Frequenz sinkt. Ein Kondensator in Reihe zum Hochtonlautsprecher verkleinert den Strom vor allem bei tiefen Frequenzen. Man bezeichnet diese Schaltung auch als Hochpassfilter.
Abb. 13 – Der Kondensator in der Frequenzweiche
Abb. 14 – Beispiele für Kondensatoren als Bauteile
Kondensatoren erhält man in verschiedenen Bauformen, die sich hauptsächlich in der verwendeten Isolationsschicht (Dielektrikum) unterscheiden. Keramische Kondensatoren werden mit Kapazitäten von ca. 1 pF bis 0,1 µF hergestellt. Folienkondensatoren bis ca. 10 µF verwenden Kunststofffolien und halten Spannungen von ca. 60 V bis zu einigen kV aus.
Die größten Kapazitäten von 1000 µF und mehr erreicht man mit Elektrolytkondensatoren. Sie dürfen nur mit einer bestimmten Polung angeschlossen werden und eignen sich nicht für Wechselstrom. Grundsätzlich muss bei jedem Kondensator die höchste erlaubte Spannung beachtet werden, damit es nicht zu inneren Überschlägen und Kurzschlüssen kommt.
Abb. 15 – Drehkondensatoren
Drehkondensatoren und Kondensator-Trimmer können in ihrer Kapazität verändert werden. Durch Drehen der Achse verändert man die Fläche der sich gegenüberstehenden Kondensatorplatten.
Spulen und Induktivität
Ein weiteres wichtiges Bauelement der Elektronik sind Spulen, die mit einem Eisenkern auch als Drosseln bezeichnet werden. An einer Spule treten zwei wichtige physikalische Phänomene auf. Zum einen führt ein Strom durch die Spule zu einem Magnetfeld im Inneren der Spule. Zum anderen erzeugt jede Änderung des Magnetfels in der Spule eine Spannung zwischen ihren Drahtenden (Induktion).
Ändert man den Strom durch die Spule, dann tritt die sog. Selbstinduktion auf. Da sich gleichzeitig das Magnetfeld ändert, wird auch eine Spannung induziert. Für eine ideale Spule ohne Ohm’schen Widerstand gilt also: Die Spannung ist Null, solange der Strom konstant ist, und sie ist umso größer, je schneller sich der Strom ändert. Die charakteristische Größe der Spule ist die Induktivität L in Henry (H):
Abb. 16 – Messung der Induktionsspannung bei Stromänderung
Im Wechselstromkreis ändert sich der Strom laufend, so dass auch laufend eine Wechselspannung induziert wird. Der Strom eilt der Spannung in der Phase nach.
Abb. 17 – Die Spule im Wechselstromkreis
Abb. 18 – Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom
Man kann der Spule einen induktiven Widerstand RL zuordnen:
Auch Spulen oder Drosseln lassen sich als Vorwiderstände einsetzen. Dass der induktive Widerstand frequenzabhängig ist, nutzt man in Frequenzweichen für Lautsprechersysteme aus. Der Tieftöner erhält eine Drossel als Vorwiderstand, so dass hohe Frequenzen nur abgeschwächt übertragen werden (Tiefpassfilter).
Abb. 19 – Die Drossel in der Frequenzweiche
Viele Bauteile, die Spulen enthalten, also z.B. Relais, Transformatoren, Lautsprecher und Motoren, besitzen ebenfalls eine Induktivität, was man in der Elektronik oft beachten muss. Typisch ist z.B. ein Spannungsstoß beim Ausschalten eines Stroms. Da hierbei die Stromänderung sehr schnell erfolgt, entsteht eine hohe Induktionsspannung bis zu einigen hundert Volt. Sie kann zu spürbaren elektrischen Schlägen führen oder Bauteile wie z.B. Transistoren zerstören, wenn man keine Vorsichtsmaßnahmen ergreift.
Abb. 20 – Beispiel einer Spule
Abb. 21 – Induktion beim Ausschalten eines Stroms
Schaltet man eine Spule und einen Kondensator zusammen, dann entsteht ein Schwingkreis. Elektrische Energie kann wie in einem Pendel zwischen Spule und Kondensator hin- und herschwingen, wobei eine definierte Resonanzfrequenz f auftritt:
Abb. 22 – Die Spule im Schwingkreis
Schwingkreise werden z.B. in der Rundfunktechnik eingesetzt, um Frequenzen verschiedener Sender zu trennen.
Spulen lassen sich als Luftspulen auf einen isolierenden Gegenstand wickeln. Durch einen Eisenkern oder Ferritkern erhöht man die Induktivität. Ferritkerne gibt es als Schraubkerne, als Stäbe oder als geschlossene Kerne für innenliegende Spulen. Üblich sind auch Transformatorkerne und Ringkerne. Außer der Induktivität muss der maximale Strom und der geeignete Frequenzbereich beachtet werden. Oft wird auch der Ohm’sche Widerstand der Spule mit angegeben.
Abb. 23 – Beispiel für Spulen
Vorwiderstände und Innenwiderstand
Will man die Spannung an einem Verbraucher verkleinern, dann kann man einen Widerstand in Reihe als „Vorwiderstand“ einsetzen. Der Spannungsabfall am Vorwiderstand verkleinert die Spannung am Verbraucher. Soll z.B. eine Glühlampe mit 6V/0,1A an 9 V betrieben werden, dann muss der Vorwiderstand einen Spannungsabfall von 3 V aufnehmen. Der Strom durch den Vorwiderstand ist wegen der Reihenschaltung ebenfalls 0,1 A. Der passende Widerstand kann also leicht berechnet werden:
Abb. 24 – Schaltkreis mit Vorwiderstand
Für LEDs müssen prinzipiell Vorwiderstände eingesetzt werden, weil sie nicht bei einer bestimmten Spannung, sondern mit einem definierten Strom von max. 20 mA betrieben werden sollen. Die Anschlussspannung beträgt dabei je nach Typ zwischen 1,5 V und 2 V. Für eine rote LED kann man z.B. von 1,5 V ausgehen. Der Vorwiderstand muss die restliche Spannung aufnehmen, also z.B. 4,5 V an einer Batteriespannung von 6 V. Man berechnet in diesem Fall einen Widerstand von 225 Ohm.
Abb. 25 – Vorwiderstand für eine LED
Jede Batterie und die meisten Netzteile zeigen einen deutlichen Spannungsabfall, wenn ein Verbraucher eingeschaltet wird. So kann z.B. die Spannung einer Flachbatterie beim Anschluss einer Glühlampe mit 0,3 A von 4,5 V um 0,6 V auf 3,9 V abfallen.
Man kann sich die Batterie als eine Reihenschaltung aus einer idealen, also sehr konstanten Spannungsquelle mit 4,5 V und einem Widerstand vorstellen. Dieser gedachte Vorwiderstand hat in diesem Fall 2 Ohm.
Abb. 26 – Innenwiderstand einer Batterie
Allgemein kann man den Innenwiderstand Ri einer Stromquelle bestimmen, indem man die Spannung bei zwei unterschiedlichen Stromstärken misst. Der Spannungsunterschied Delta-U bei einem Stromstärkenunterschied Delta-I erlaubt die Berechnung des Innenwiderstands Ri.
Praktisch alle Spannungsquellen wie Batterien, Transformatoren, Mikrofone, Antennen und Verstärker haben einen bestimmten Innenwiderstand. Man muss seinen Wert kennen, um den richtigen Verbraucher anzuschließen. Für eine Batterie gilt: Der Widerstand des Verbrauchers sollte sehr viel größer als der Innenwiderstand sein, damit geringe Verluste auftreten. Für Signalquellen wie Mikrofone oder Antennen sollte der Innenwiderstand mit dem Anschlusswiderstand übereinstimmen, weil dann die maximale Leistung abgegeben wird.
Dynamo / Generator
Als Stromlieferanten kennen wir sicherlich die Generatoren in den Kraftwerken, die eine meist durch Turbinen erzeugte Drehbewegung dazu benutzen, Elektronen in die richtige Richtung abzulenken. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich Elektronen im Magnetfeld ablenken d.h. in eine Richtung dirigieren lassen, wenn man einen Stromleiter in ein Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegt. Vom Prinzip her funktioniert ein Generator im Kraftwerk wie ein einfacher Fahrraddynamo. Der grundsätzliche Aufbau eines Gleichstrom-generators ist in der nächsten Abbildung dargestellt.
Abb. 27 – Aufbau eines Gleichstromgenerators
Ein Gleichstromgenerator besteht aus einem U-förmigem Permanentmagneten (rot-blau), zwischen dessen Enden im Magnetfeld sich eine Spule befindet, die um die Längsachse drehbar gelagert ist.
Auf der Drehachse befindet sich ein Kommutator (orange/grün), der mit 2 feststehenden Schleifern (violett) abgetastet wird. Der Kommutator ist auf der linken Seite zusätzlich in Frontansicht dargestellt. Es handelt sich um eine dicke Metallscheibe, deren beiden Hälften durch einen grün dargestellten Isolator voneinander getrennt sind.
Die beiden Spulenenden sind mit je einer Scheibenhälfte verbunden. Der Kommutator dreht sich zwischen den feststehenden Schleifern, an die die Stromleitungen angeschlossen sind, welche an die Kontakte 1 und 2 geführt sind. An diese wird dann der elektrische Verbraucher wie z.B. eine Glühlampe angeschlossen.
Wenn Sie verstanden haben, was Magnetfelder, Elektronen und Bewegung miteinander zu tun haben, ist die Funktionsweise eines Generators schnell erklärt: Das Innenleben des Generators, d.h. die Spule incl. Kommutator werden zur Stromerzeugung in Drehung versetzt. Die Spule dreht sich in einem konstanten Magnetfeld, welches vom Permanentmagneten erzeugt wird. Durch die Drehung ändert sich das effektiv durch die Spule fließende Magnetfeld, weil sich die wirksame Fläche der Spule ändert, wie in Abbildung 28 dargestellt.
Abb. 28 – Wirksame Fläche der Spule im Magnetfeld
Wegen dieser Änderung des effektiven Magnetfelds im Verlaufe einer Drehung werden in der Spule die Elektronen in eine Richtung abgelenkt und damit ein Strom induziert. Dadurch ergibt sich in der Spule ein Strom mit dem in Bild 6 oben dargestellten Verlauf. Nun kommt der Kommutator ins Spiel: Nach einer halben Umdrehung vertauscht er die Spulenanschlüsse zu den Anschlusskontakten 1 und 2. Damit wird alle halbe Umdrehung der Strom umgepolt. Als Ergebnis erhält man daher an den Anschlusskontakten den in Bild 6 unten dargestellten Stromverlauf, d.h. einen pulsierenden Gleichstrom. Lässt man hingegen den Kommutator weg und schließt die beiden Spulenenden an zwei getrennte Schleifringe an, erhält man Wechselstrom. Größere Generatoren mit optimierter Auslegung besitzen einen hohen Wirkungsgrad, der in großen Kraftwerken nur ganz geringfügig unter 100% liegt.
Abb. 29 – Stromverlauf
Andere bekannte Stromquellen sind beispielsweise Batterien, bei denen auf chemischem Wege ein Stromfluss erzeugt wird und die nach Gebrauch weggeworfen werden müssen, und , die man im Gegensatz zu Batterien wieder aufladen kann. Beide sind daher eher als Stromspeicher zu sehen. Auf den ersten Blick eine echte Stromquelle ist hingegen die Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff und Sauerstoff auf „kaltem“ Wege zu Wasser reagieren und die freiwerdende Energie nicht wie bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt, sondern als kinetische Energie den Elektronen zugeführt wird, so dass ein Stromfluss entsteht. Freier Wasserstoff kommt in der Natur kaum vor, sondern muss durch elektrische Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse) erzeugt werden, so dass die Brennstoffzelle als saubere Lösung zur großwirtschaftlichen Energieerzeugung nicht in Frage kommt.
Weiterhin bekannt sind Solarzellen (das sind großflächige Fotodioden), bei denen das eintreffende Licht teilweise seine Energie an die Elektronen abgibt, so dass auch hier ein Stromfluss zustande kommt. Leider ist der Wirkungsgrad sehr gering. Aus diesen Gründen werden zur Stromerzeugung fast ausnahmslos Generatoren verwendet.