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Physik für Schülerinnen und Schüler

Der elektrische Stromkreis

© H. Hübel Würzburg 2013

Empfohlene Glossarthemen:

Feldbegriff

Feldlinien

elektromagnetisches Feld

Feldstärke

Glossar zur Physik für Schülerinnen und Schüler

Physik für Schülerinnen und Schüler

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NEU Physikalische Schülerversuche mit PC und Mikroprozessor, 2. Auflage, im Buchhandel erschienen

In Schulbüchern kannst Du zum Thema "Stromkreis" viele Fakten nachlesen. Hier wird hingegen versucht, dir ein Verständnis der Sachverhalte zu vermitteln.

Du hast verschiedene Bauteile zur Verfügung:

Baue mit diesen Bauteilen einen funktionierenden Stromkreis auf.

Du wirst schnell bemerken:

An die Stromquelle / Energiequelle müssen immer zwei Leitungen angeschlossen sein: Eine "Hinleitung" und eine "Rückleitung". Die "Hinleitung" führt zum Energiewandler hin, die "Rückleitung" vom Energiewandler weg zur Stromquelle zurück. Ein Strom kann nur fließen, wenn ein geschlossener Weg aus Leitern von der Stromquelle zum Energiewandler und zur Stromquelle zurück führt, eventuell über geschlossene Schalter. Das gilt auch für beliebige andere Bauteile in einer elektrischen Schaltung. Immer wird eine "Hinleitung" und eine "Wegleitung" benötigt. Deswegen sprach man schon früh von einem Strom"kreis". Dass ein Strom fließt, siehst du an seinen Wirkungen im Energiewandler. Ein Lämpchen leuchtet dann z.B. und gibt Licht und Wärme nach außen ab. Es wandelt elektrische Energie in Lichtenergie und Wärme um. Deshalb heißt ein Lämpchen, eine Heizplatte oder ein Elektromotor auch Energiewandler. Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Arbeit oder mechanische Energie um.

Oben kannst du schon mal mit dem Bleistift dein Experiment vorbereiten: Setze die roten Verbindungsleitungen so fort, dass ein geschlossener Stromkreis entsteht.

So sieht ein fertig aufgebauter Stromkreis schematisch aus (Schaltskizze).

Du hast genügend viel Fantasie um die einzelnen Bauteile (Stromquelle, Schalter, Leitungen, Lämpchen) zu identifizieren und zu beschriften.

Für den Pluspol gibt es eine einfache Regel:

Um ein + zu zeichnen brauchst du mehr Striche als für ein - . Das spiegelt sich auch in der Schaltskizze wider!

Anmerkung: "Hinleitung", "Rückleitung" und "Wegleitung" sind keine offiziellen Begriffe. Dein Lehrer wird sie vielleicht gar nicht schätzen. Aber sie erläutern den Sachverhalt meiner Ansicht nach sehr klar.

Der Strom fließt immer im Kreis herum
In einen geschlossenen Stromkreis mit einem Lämpchen baust du jetzt einen Strommesser an verschiedenen Stellen ein. Du wirst erst später erfahren, wie er funktioniert. Hier sollst du feststellen, ob in einem unverzweigten Stromkreis überall der gleiche Strom fließt.

In der Zeichnung ist die "Hinleitung" zum Lämpchen und auch die "Rückleitung" vom Lämpchen farbig markiert.

Vergleiche also die Größe der Ströme durch die "Hinleitung" (grün) und durch die "Rückleitung" (purpur)!

Überall im unverzweigten Stromkreis fließt der gleiche Strom, angezeigt durch Lämpchen oder Strommesser. Der Strom fließt also immer im Kreis herum, immer wieder. Sogar durch die Stromquelle fließt der gleiche Strom. Mit einem speziellen Strommesser, einem bestimmten Zangenstrommesser, kann man auch das nachweisen.

Tanz

Wenn du dir vorstellst, dass du das Fließen des Stroms durch Kreisen mit einem Arm veranschaulichst, wie müsstest du dann das ständige Fließen des Stroms im Kreis herum darstellen?

Richtungsvereinbarung

Vor mehr als 200 Jahren wurde entdeckt, dass eine Stromquelle zwei unterschiedliche Pole hat. Willkürlich wurde der eine Pol "Pluspol", der andere "Minuspol" genannt. Es war also naheliegend, zu klären, von welchem zu welchem Pol der Strom fließt. Hineinschauen kann man in einen Stromkreis nicht. Deswegen wurde eine Vereinbarung abgesprochen:

              Außerhalb der Stromquelle soll der Strom immer vom Pluspol zum Minuspol fließen.          

Dann muss er im Inneren weiterfließen vom Minus- zum Pluspol.

Wir müssen den damaligen Wissenschaftlern heute noch für diese Vereinbarung dankbar sein, obwohl sie willkürlich erscheint. Denn mit ihrer Hilfe lassen sich Erscheinungen in komplexeren Stromkreisen auch heute noch leichter verstehen, als wenn man bewegte elektrische Ladungen ins Spiel bringen würde. Von diesen wusste man damals noch gar nichts.

Elektrische Ladungen

Wenn du einen Luftballon, der an einem Seidenfaden aufgehängt ist, an deinem Pullover reibst, lädt er sich elektrisch auf. Du hörst das vielleicht sogar, wenn kleine Funken zwischen Luftballon und Pullover überspringen. Du bemerkst auch: Luftballon und Pullover ziehen sich gegenseitig an. Reibst du gleich zwei Luftballons an deinem Pullover, werden beide elektrisch geladen, aber sie stoßen sich untereinander ab.

Reibe nun zwei aufeinander gelegte Folien vom Tageslichtprojektor auf einer Kunststoff-Tischplatte mit der Hand. Wenn du sie vom Tisch abhebst, hörst du wieder das Knistern der Funkenüberschläge. Aber auch, wenn du die beiden Folien voneinander trennst, hörst du das Knistern. Und du siehst, dass sich die beiden Folien gegenseitig anziehen. Mit einem Elektroskop oder noch besser, mit einem Ladungsanzeiger - wie in den Bildern links, kannst du nachweisen, dass beide Folien (A und B) elektrisch geladen sind. Der Ladungsanzeiger leuchtet rot auf, wenn du ihm die eine Folie (A) annäherst, und grün, wenn du die andere Folie (B) in seine Nähe bringst. (Vermeide bitte eine Berührung des Ladungsanzeigers mit einer der Folien.) Die unterschiedliche Anzeige-Farbe sagt: Es gibt zweierlei Arten von Ladungen, positive und negative.

Du hast bei diesen Versuchen auch gesehen:

Gleichnamige Ladungen (also zwei positive, oder zwei negative) stoßen sich gegenseitig ab, ungleichnamige Ladungen (also eine positive und eine negative) ziehen sich gegenseitig an.

Der Ladungsanzeiger zeigt eine positive (auf Folie A) und eine nega-
tive Ladung (Folie B) an, nachdem beide Folien aufeinander gerieben wurden.

Ein einfaches Leitermodell

Die Gestalt des Leiters wird durch positive Atomrümpfe bestimmt, die im Metall ortsfest sind und weitgehend regelmäßig angeordnet sind. Sie heißen Rümpfe, weil sie keine ganzen Atome sind: sie haben in der Regel eine negative Ladung verloren und sind deshalb positiv. Negative Ladungen in metallischen elektrischen Leitern sind in der Regel Elektronen. Diejenigen Elektronen, die den Strom transportieren, heißen Leitungselektronen. Sie bewegen sich frei im Metall zwischen den Atomrümpfen umher. Heute weiß man, dass die Atome eines Metalls zwar viele Elektronen haben, aber in der Regel ist nur ca. ein Elektron pro Atom ein Leitungselektron.

In der Regel ist jedes nicht zu kleine Leiterstück im Stromkreis elektrisch neutral, d.h. es sind in jedem Raumteil immer gleich viele positive wie negative Ladungen vorhanden.

Es gibt auch wichtige Leiter, in denen der Strom durch positive Ladungen transportiert wird.

 

unterschiedliche Pole bei einer unverbundenen Stromquelle

Pluspol und Minuspol

Der Pluspol einer Stromquelle ist derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem ein Elektronenmangel vorhanden ist. Der Minuspol einer Stromquelle ist entsprechend derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem ein Elektronenüberschuss herrscht.

Genauso könnte man sagen: Der Pluspol einer Stromquelle ist derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem ein Überschuss an positiven Ladungen vorhanden ist. Der Minuspol einer Stromquelle ist entsprechend derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem ein Mangel an positiven Ladungen herrscht.

Anschlüsse einer unverbundenen Stromquelle, an denen ein Elektronenmangel herrscht, werden häufig rot markiert (plus), Anschlüsse mit Elektronenüberschuss werden häufig blau markiert (minus).

Bei Wechselstrom ist jeder Anschluss in einer Steckdose in einer Sekunde 50mal Pluspol und 50mal Minuspol. Deshalb kann man die Pole der Steckdose nicht in dieser Weise farbig markieren.

Das Reden über Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss ist etwas problematisch. Hier kannst du mehr darüber erfahren.

Man hätte die Stromrichtung auch anders vereinbaren können. Das hätte in einigen Situationen einen Vorteil gehabt, aber die Nachteile hätten sich auf eine andere Situation verschoben, insgesamt wären Vorteile und Nachteile auch einer solchen Definition gleich geblieben. Es gibt Stromkreise, bei denen ein Stück weit der Strom durch negative Elektronen und das nächste Stück durch positive Ladungen transportiert wird. Wie müssen sich hier die jeweiligen Ladungen im Vergleich zur Stromrichtung bewegen? Weil es immer Vorteile und Nachteile gibt, belässt man es bei der geschickten historischen Definition.

Wozu soll das gut sein, dass der Strom immer unverändert im Kreis herum fließt?

Selbst, wenn sich der Strom durch einen Energiewandler hindurchzwängt; so fließt er unverändert wieder aus ihm heraus, so wie er in ihn hineinfloss. Der Strom wird durch Energiewandler nicht verändert. Für elektrischen Strom kann man auch nicht bezahlen, weil das E-Werk den Strom, so wie es ihn (auf der "Hinleitung") an den Haushalt geliefert hat, unverändert wieder (auf der "Rückleitung") abholt. Deswegen also zwei Leitungen vom E-Werk zum Haushalt, eine Leitung zum Liefern des Stroms, und die zweite zum Abholen des unveränderten Stroms. Dazu braucht man dann auch zwei Pole in der Steckdose oder Stromquelle. Elektrischer Strom hat offensichtlich keinen kommerziellen Wert; in diesem Sinn ist er wertlos.

Elektrischer Strom ist wertlos (aber nicht nutzlos)! Er wird von der Stromquelle / Energiequelle geliefert und unverändert wieder zurück genommen. Strom kann nicht verbraucht werden!

Sprechweisen:

Ein Strom fließt durch den Stromkreis. / Geschlossener  -  offener Stromkreis / Stromquelle = Energiequelle / Ladungsmangel - Ladungsüberschuss

Was bedeutet Strom überhaupt?

Durch schlechte Leiter kann kein nennenswerter Strom fließen. Für Stromleitungen wird meistens das sehr gut leitende Metall Kupfer verwendet. Silber oder gar Gold sind noch bessere Leiter. Du kannst dir schon denken, weshalb man sie nur in Ausnahmefällen verwendet. Aluminium wäre auch brauchbar, aber es ist ein schlechterer Leiter als Kupfer.

Woran liegt das?

Könnte man in einen guten metallischen Leiter hineinschauen, würde man sehen, dass er aus positiven und negativen Ladungen aufgebaut ist. Das besagte schon unser einfaches Leitermodell.

In vielen Fällen besteht das Metall aus positiven Atomrümpfen und dazwischen frei beweglichen Leitungselektronen, also negativen Ladungen. In der Regel ist jedes  nicht zu kleine Leiterstück im Stromkreis elektrisch neutral, d.h. es sind immer gleich viele positive wie negative Ladungen vorhanden. Durch die Stromquelle werden die Leitungselektronen nun zwischen den Atomrümpfen hindurch gepumpt, vom Minus- zum Pluspol.

In schlechten Leitern dagegen sind nur wenige frei beweglichen Ladungen vorhanden, die einen Strom transportieren könnten, in Isolatoren (Nichtleitern) gar keine.

                     Ein Strom bedeutet "das Fließen" von elektrischen Ladungen.                

Man sagt: "Der Strom fließt außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol", so als wäre "der Strom" ein Gegenstand, etwas, das sich vom Plus- zum Minuspol bewegt.

In Wirklichkeit ist der Strom "das Fließen", also die Bewegung (!), von etwas, von elektrischen Ladungen. Diese fließen ein Stück in Richtung von einem Pol zum anderen. Da sich die Sprechweise "der Strom fließt" im Laufe der Jahrhunderte eingebürgert hat, behält man sie bei, obwohl sie irreführend ist. Manchmal sagt man auch: "Ein Strom wird durch bewegte elektrische Ladungen transportiert." Gemeint ist die Aussage des Kastens.

In guten metallischen Leitern fließen negative Leitungselektronen außerhalb der Stromquelle vom Minus- zum Pluspol. Das passt gut zu der Vorstellung, dass an der unverbundenen Stromquelle am Minuspol ein Überschuss an negativen Ladungen vorhanden war, also dann, wenn noch kein Strom floss. Durch den Strom wird der Überschuss von negativen Ladungen am Minuspol ausgeglichen, indem Ladungen den vorher am Pluspol vorhandenen Mangel an negativen Ladungen ausgleichen.

Dieser Ladungsausgleich geschieht in Bruchteilen einer Sekunde nach dem Schließen des Stromkreises und ist in der Regel dann beendet. Niemand braucht sich dann mehr um ihn kümmern. Die Stromquelle, die vorher für Ladungsmangel und Ladungsüberschuss am anderen Pol gesorgt hatte, pumpt jetzt die frei beweglichen Ladungen weiter, immer im Kreis herum, ohne dass irgendwo ein Mangel oder Überschuss an Ladungen noch eine Rolle spielt. Die frei beweglichen Ladungen stellen die guten Leiter zur Verfügung; sie sind im Stromkreis immer vorhanden.

Die Aufgabe der Stromquelle besteht also darin, im Stromkreis vorhandene elektrische Ladungen im Kreis herum durch den Stromkreis zu pumpen, immer im Kreis herum.

Das Wasserstrommodell

Aus einem Stück Plastikschlauch und einer Scheibenwascherpumpe ist hier das Modell eines Stromkreises aufgebaut.

Die Pumpe entspricht der Stromquelle, der Plastikschlauch den Leitungen, das im Schlauch enthaltene Wasser den in den Leitungen immer vorhandenen elektrischen Ladungen. Auf der einen Seite wird Wasser aus der Pumpe herausgepumpt, auf der anderen Seite wieder angesaugt und wieder durch die Pumpe hindurch gepumpt. So fließt das Wasser ständig im Kreis umher.

Um mittels der Pumpe Wasser durch den Stromkreis zu pumpen wird Energie benötigt. Sie wird elektrisch zugeführt (unter der Pumpe sind die farbigen Anschlüsse sichtbar). Auch um durch den elektrischen Stromkreis elektrische Ladungen zu pumpen wird Energie benötigt. Sie wird häufig - wie bei der Batterie - durch chemische Vorgänge in der Stromquelle (Batterie) gewonnen.

Ein ähnlicher Wasserstromkreis liegt bei einer Warmwasserheizung vor. Die Pumpe befindet sich hier im Heizungskeller. Sie transportiert heißes Wasser in die Heizkörper der Wohnung. Der Wasserstrom wird von der Pumpe ständig im Kreis herum gepumpt.

Stromrichtung und Bewegungsrichtung von Ladungen

Wird der Strom durch negative Ladungen (Elektronen) transportiert, dann fließen die negativen Ladungen entgegengesetzt zum Strom I.

Wo ist schließlich bei der gezeichneten Stromrichtung der Pluspol, wo der Minuspol? Wir können uns vorstellen, als würden die negativen Elektronen außerhalb der Stromquelle vom negativen Pol abgestoßen und vom positiven Pol angezogen.

(Für den Strom wird meist ein Symbol eingeführt: I. Damit ist in den Zeichnungen der violette Pfeil gekennzeichnet, der die Richtung des Stroms angibt.)

Würde der Strom durch positive Ladungen transportiert (und auch solche Leiter spielen in deiner Umgebung eine große Rolle; in jedem Fernseher, PC oder MP3-Player gibt es tausende von solchen Situationen), dann würde ein - vor dem Schließen des Stromkreises - vorhandener Überschuss an positiven Ladungen am Pluspol den Mangel an positiven Ladungen am Minuspol dadurch ausgleichen, dass nach Schließen des Stromkreises positive Ladungen vom Pluspol zum Minuspol abgestoßen würden.

Wird der Strom durch positive Ladungen transportiert, dann fließen die positiven Ladungen gleich gerichtet zum Strom I.

Denn du weißt ja, dass sich (außerhalb der Stromquelle) positive Ladungen zum Minuspol bewegen, aber auch der Strom vom Plus- zum Minuspol fließt.

Es gibt Bauteile und Leiter, bei denen abschnittsweise der Strom durch positive und durch negative Ladungen transportiert wird. Das ist z.B. bei einer Leuchtdiode (LED) der Fall. Du kannst die Verhältnisse leicht verstehen.

Aber du wirst zugeben: Die Diskussion mit Hilfe der positiven oder negativen Ladungsträger erscheint recht kompliziert. Zum Glück verzichtet man  häufig auf sie und spricht viel einfacher eben nur vom fließenden Strom. So kann man sich das Leben leicht machen!

Der elektrische Strom fließt im unverzweigten Stromkreis überall ungeschwächt immer im Kreis herum, außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol. Die Stromquelle hat die Aufgabe, diesen Strom im Kreis herum zu pumpen.

In einer Aufgabe könntest du das noch besser verstehen lernen.

Die Rolle eines Widerstands im elektrischen Stromkreis:

Stell' dir vor, du sollst mit einem Gartenschlauch den Rasen wässern. Das geht anfangs ganz gut, aber dann auf einmal wird der Wasserstrahl schwächer und schließlich versiegt er fast ganz. Du ahnst natürlich sofort, was deine Geschwister angestellt haben: Erst hat sich dein kleiner Bruder auf den Gartenschlauch gestellt und dann auch noch deine Schwester. Sie haben den Gartenschlauch zusammengedrückt. Dadurch konnte der Wasserdruck in der Leitung das Wasser nicht mehr so leicht durch den Gartenschlauch pumpen. Deine auf dem Gartenschlauch stehenden Geschwister haben den "Widerstand" vergrößert, indem sie den Gartenschlauch zusammengedrückt haben, also seinen Querschnitt verkleinert haben, erst ein bißchen, dann sehr stark. Je deutlicher die Engstelle, desto größer ist der "Widerstand", auch, wenn mehrere Engstellen hintereinander vom Wasserstrom durchflossen werden müssen.

Ähnlich ist es auch bei einem elektrischen Stromkreis. Als "Engstellen" wirken dort eingebaute Stücke aus sehr dünnem Draht, oder bestimmte Leitermaterialien, die schlechter leiten, oder bestimmte Bauteile, die auch Widerstände heißen. Ein Widerstand im Stromkreis hat also eine doppelte Funktion: Erstens wie ein Leiter einen Strom hindurch zu lassen, und zweitens den Strom zu begrenzen. Genauso war es bei einem Stück zusammengepressten Gartenschlauchs.

Wenn du einen Stromkreis schließt, der einen Widerstand enthält, dauert es nur Bruchteile einer Sekunde, bis sich ein größenmäßig begrenzter Strom eingestellt hat. Von da ab fließt überall im unverzweigten Stromkreis der gleiche Strom. Insbesondere ist der "Hinstrom" zu einem Bauteil der gleiche wie der "Rückstrom" zur Stromquelle. Ersetzt du unter sonst gleichen Bedingungen den Widerstand durch einen kleineren, dann wird in Bruchteilen einer Sekunde ein Strom eingestellt, der weniger stark begrenzt ist. Es fließt danach also ein stärkerer Strom. So schnell du auch schauen kannst: du wirst nur den begrenzten, jetzt stärkeren Strom bemerken, der überall im unverzweigten Stromkreis der gleiche ist.

Ist also ein Widerstand schädlich, weil er einen eventuell nur kleinen Strom durch lässt?

Stell' dir aber vor, was wäre, wenn kein Widerstand im Stromkreis den Strom begrenzen würde. Ohne Begrenzung würde ein riesiger Strom fließen, der die Leitungen und die Stromquelle stark erhitzen würde, sie vielleicht zum Schmelzen oder zur Explosion bringen könnte. Es könnten sogar Brände entstehen! Das könnte z.B. passieren, wenn die beiden Pole der Stromquelle direkt mit einem Leiter (rot in der Zeichnung links) auf kürzestem Wege verbunden würden, wenn die beiden Pole "kurzgeschlossen" würden.

Du verstehst jetzt, weshalb man von einem Kurzschluss spricht, wenn zwei Pole (A und B), zwischen denen ein Strom begrenzender Widerstand sein müsste, durch einen gut leitenden Draht direkt miteinander verbunden würden. Die Punkte A und B sind dann "kurzgeschlossen".

Kurzschlüsse müssen unbedingt vermieden werden, weil ohne Strombegrenzung durch einen Widerstand der Strom auf riesige Werte ansteigen würde, die den Stromkreis und noch mehr zerstören könnten.

Zum Glück gibt es Widerstände zur Strombegrenzung!

Du hast auch verstanden: Die durch einen Widerstand begrenzte Stromstärke stellt sich in Bruchteilen einer Sekunde nach dem Schließen des Stromkreises ein, danach fließt im Stromkreis ein zwar größenmäßig begrenzter, aber im unverzweigten Stromkreis überall gleicher Strom, auch vor und nach dem Widerstand. Normalerweise wird nur der endgültig begrenzte Strom betrachtet; wie sich dieser einstellt, interessiert  in der Regel niemanden.

Das Wort "Widerstand" hat leider ganz verschiedene Bedeutungen:

1. Eine Engstelle im Stromkreis setzt dem Strom einen "Widerstand entgegen" und begrenzt so den Strom.

2. Das Bauteil, das dies bewirkt, heißt vielfach auch "Widerstand". Wenn das hier gemeint ist, ist immer vom "Bauteil Widerstand" die Rede.

3. Es gibt auch eine Maßgröße eines Bauteils Widerstand, die beschreibt, in welchem Maße eine Strombegrenzung stattfindet. Auch sie heißt "Widerstand". Meist wird an ihrer Stelle der Buchstabe R verwendet.

In vielen Sprachen, wie in der englischen, ist das einfacher: Das Bauteil Widerstand heißt dort "resistor" und die Maßgröße "resistance".

Strom und Energietransport

Auch wenn ein Strom wertlos ist, muss er doch wohl einen erheblichen Nutzen bringen: Mit Hilfe eines Stroms lässt sich Energie transportieren.

Baue mit verschiedenen Energiewandlern (Leuchtdiode, Lämpchen, sich erwärmender Widerstand, Elektromotor, Peltierelement, ... ) Stromkreise auf und verfolge gedanklich den Weg der Energie.
Der elektrische Strom fließt im geschlossenen Stromkreis immer unverändert im Kreis herum.
Aber unabhängig von der Stromrichtung wird Energie immer von der Stromquelle / Energiequelle zum Energiewandler, z.B. ein Lämpchen, transportiert.

Modell: Rollbare Magnetwalzen sind so auf eine Schiene gesetzt, dass sich immer S- und S-Pole (grün) oder aber N- und N-Pole (rot) gegenüberstehen. Sie stoßen sich auf beiden Seiten voneinander ab. Wird eine Magnetwalze an einem Ende in Bewegung gesetzt, gerät kurz darauf auch die Magnetwalze am anderen Ende in Bewegung ohne dass die Magnetwalzen nennenswert ihren Platz verlassen.

Die Bewegung wird durch Kräfte in der Umgebung der Magnete weitergegeben. Das geschieht viel schneller als die Bewegung der Magnete.

Man weiß es seit mehr als 100 Jahren: Energie ist in der Regel nicht in den Ladungen konzentriert, sondern durch die Kräfte zwischen den Ladungen im Raum um die Ladungen herum oder "im elektromagnetischen Feld" verteilt, das den fließenden Strom begleitet. Während der Strom von der Stromquelle geliefert und unverändert wieder abgeholt wird, fließt Energie eindeutig von der Stromquelle in einen Energieumwandler, z.B. einen Widerstand.

Wir sehen das daran, dass der Energieumwandler nach der Aufnahme von elektromagnetischer Energie erneut Energie abgibt, z.B. in Form von Licht oder Wärme oder durch Antrieb eines Elektromotors.

Bezahlen muss man für die Energie, die der Strom in den Energieumwandler heran transportiert hat. Manchmal spricht man auch von Stromarbeit, für die bezahlt werden muss. Sie wird mit dem "Stromzähler" gemessen, nicht der Strom.

Du kannst Dir leicht selbst erschließen, weshalb in den Strom transportierenden Ladungen keine nennenswerte Energie konzentriert sein kann. Hier findest du eine Hilfe dazu.

Wie du dir vorstellen kannst, wie ein Strom Energie transportiert. Das soll eine Analogie veranschaulichen:

Irlands Küste wurde im Mittelalter durch eine Kette von Wachttürmen gegen angreifende Wikinger oder Seeräuber geschützt. Bemerkte die Mannschaft des vordersten Wachtturms sich nähernde feindliche Boote, wurde mit einem Feuer ein Leuchtsignal oder ein Rauchsignal an den Nachbarturm gegeben; der machte das gleiche, und so wurde in kurzer Zeit eine Warnbotschaft in die Stadt oder das Kloster im Landesinneren geschickt, Stadttore konnten rechtzeitig geschlossen werden und Verteidiger sich positionieren. Die Wachttürme waren nötig zum Transport der Nachricht, aber sie haben überhaupt nicht ihren Ort verändert. Sie dienten dazu, die Nachricht von Wachtturm zu Wachtturm weiter zu leiten. Sie dienten als Vehikel für den Nachrichtentransport.

Ähnlich dient der elektrische Strom bzw. die Strom transportierenden Ladungen dazu, einen Energietransport von der Stromquelle / Energiequelle zum Energiewandler hin zu  ermöglichen, sogar unabhängig von der Stromrichtung. Der Strom entspricht also den Wachttürmen und der Tätigkeit der Wachmannschaften. Der Energietransport entspricht der Ausbreitung des Nachrichtensignals. Die Weitergabe  von Energie im elektrischen Stromkreis geht extrem schnell. Während sich Leitungselektronen nur mit 1 mm/s bewegen, breitet sich die Energie mit quasi Lichtgeschwindigkeit (also mit c = 300 000 km/s) aus. Deshalb also leuchtet die LED sofort nach Schließen des Stromkreises auf, weil die Energie mit Lichtgeschwindigkeit zu ihr transportiert wurde.

Rüttelt man im Modell der Magnetwalzen an einem Magneten am Ende der Kette, überträgt sich die Bewegung schnell bis ans andere Ende der Kette, ohne dass sich die einzelnen Magnete nennenswert von ihrem Platz entfernen. Auch hier wird die Energie quasi mit Lichtgeschwindigkeit transportiert.

Die Warmwasserheizung als Modell für den elektrischen Stromkreis ( zurück )

Pumpe und Brenner zusammen entsprechen der Stromquelle im elektrischen Stromkreis, der Heizkörper dem Energiewandler, der Absperrhahn einem Schalter, und die Rohrleitungen den elektrischen Leitungen.

Die Pumpe sorgt für den Wasserstrom. Der Brenner sorgt dafür, dass das Wasser erwärmt wird. Er stellt Energie zur Verfügung, die mittels des Wassers in die Wohnungen transportiert wird. Im Heizkörper wird Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.

Ganz entsprechend sorgt die Stromquelle einerseits für den elektrischen Strom, stellt aber auch elektrische Energie zur  Verfügung. Diese wird mit dem Strom als Vehikel zum Energiewandler transportiert, wo sie an die Umgebung abgegeben wird.

So wie niemand eine Heizung ohne Brenner und Heizkörper installieren würde (bei der es also nur einen Wasserstrom gäbe), erhält ein elektrischer Stromkreis in der Regel nur einen Nutzen, wenn der elektrische Strom mit einem Energietransport verbunden ist.

( Das Drosselventil ist ein Gerät zur Regelung der Stromstärke. )

Zurück zum  elektrischen Stromkreis: Leitungselektronen oder andere stromtransportierende Ladungen sind also nur ein Vehikel für den Energietransport, so wie die Kette von Wachttürmen nur das Vehikel war, mit dem Nachrichtensignale zur gefährdeten Stadt geschickt wurden. Oder so, wie die Magneten nur das Vehikel waren, mit dem Energie durch die Kette von Magneten transportiert wurde. (Das Magnetfeld zwischen den Magneten spielt hier die entscheidende Rolle.)

Stromkreis

Wachtturm-Modell

Warmwasserheizung als Modell
Leiter mit Ladungen Wachttürme mit Mannschaften besetzt wassergefüllte Rohrleitungen
Strom fließt Wachmannschaften sind aktiv    /  erzeugen Feuer- oder Rauchsignal Wasser fließt
Energie Nachrichtensignal Energie
Energie wird mit dem Strom zum Energiewandler transportiert Nachrichtensignal wird durch die Tätigkeit der Wachmannschaften zur Stadt geleitet Energie wird mit dem Wasser zum Energiewandler transportiert

Damit verstehst du, dass das E-Werk Ladungen liefert, sie aber unverändert wieder abholt. Nicht einmal Energie verlieren die Ladungen im Energieumwandler, weil in ihnen ja keine Energie konzentriert ist, und weil die Energie zwischen den Ladungen, in der Umgebung des Stroms, transportiert wird, zum Energieumwandler hin .

Damit hast du die wichtigste Wirkung eines elektrischen Stromes kennengelernt:

     Ein elektrischer Strom ist ein Vehikel für den Transport von elektromagnetischer Energie aus der Stromquelle in einen Energieumwandler.  

Die Aufgabe der Stromquelle besteht also darin, im Stromkreis vorhandene elektrische Ladungen im Kreis herum durch den Stromkreis zu pumpen, immer im Kreis herum. (Außerhalb der Stromquelle fließt der Strom immer vom Plus- zum Minuspol.)

Als Energiequelle hat sie auch die Aufgabe, Energie an den Energieumwandler (Lampe, Elektromotor, ... ) zu liefern.

Noch einmal zum Wasserstromkreis:

Erst, wenn in den Plastikschlauch ein Energieumwandler (z.B. ein Wasserrad) eingebaut würde, könntest du erkennen, dass durch das Wasser auch Energie von der Pumpe weg zum Energieumwandler transportiert wird. Das wäre die wichtigste Wirkung  des Wasserstroms.

Eine potenzielle Energie des Wassers im Schlauch spielt nirgendwo eine Rolle. (Man könnte den Schlauch auch bis zum Mond hinauf und zurück führen. Dann würde auf dem Weg zum Mond die potenzielle Energie/Lageenergie des Wassers zunehmen, auf dem Rückweg wieder abnehmen, so als hätte sie sich insgesamt gar nicht verändert.)  Genauso spielt im elektrischen Stromkreis eine potenzielle Energie in der Regel keine Rolle. (In der Regel haben die stromtransportierenden Ladungen nicht einmal eine potenzielle Energie.)

Einen ähnlichen Wasserstromkreis hast du bei einer Warmwasserheizung kennengelernt. Pumpe und Energiequelle befinden sich hier im Heizungskeller, sind aber getrennte Geräte. Als Energiequelle dient der Brenner, der das Wasser mittels Öl oder Gas aufheizt (mit Energie belädt). Mittels der Pumpe wird die Energie mit dem Wasser in die Heizkörper der Wohnung transportiert, wo Energie als Wärme an die Raumluft abgegeben wird. Der Wasserstrom wird von der Pumpe ständig im Kreis herum gepumpt.

Nur bei einem fließenden elektrischen Strom findet ein Energietransport statt. Während der Energietransport  mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, erfolgt die Bewegung der transportierenden Ladungen aber im Schneckentempo.

Es gibt noch andere wichtige Wirkungen des elektrischen Stroms, für die die Größe des Stroms eine Rolle spielt. Deshalb genügt es nicht, bei einem Stromkreis nur über die transportierte Energie zu reden.

Man sagt üblicherweise:

und meint:

Ein Strom fließt ... Positive und/oder negative elektrische Ladungen fließen ...
Ein Strom fließt außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol. Positive Ladungen fließen außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol bzw. negative Ladungen fließen außerhalb der Stromquelle vom Minus- zum Pluspol.
Das E-Werk liefert Strom. Das E-Werk liefert elektromagnetische Energie / Das E-Werk verrichtet Stromarbeit.
Stromzähler Energiemesser
Stromrechnung Energierechnung  (Elektrischer Strom  kostet nichts. Er ist wertlos, aber nicht nutzlos.)
Strompreis Energiepreis. Der beträgt z.B. 13 ct/kWh (13 cent pro Kilowattstunde). Für die Energie 1 kWh müssen also 13 ct gezahlt werden.
Meine Eltern müssen die Stromrechnung bezahlen. Meine Eltern müssen die Energierechnung bezahlen.
Solarstrom Mit Solarzellen (Photovoltaik-Anlagen) aus Sonnenenergie erzeugte elektrische Energie.


Herrscht in deinem Körper ein Mangel oder ein Überschuss an Elektronen? Das ist eine ziemlich sinnlose Frage. Du kannst davon ausgehen, dass du im Normalfall elektrisch neutral bist. Stell' dir einen Versuch vor: Zwei Metallkugeln werden geladen, indem eine jede mit je einem Pol einer Influenzmaschine verbunden wird. Die eine Metallkugel hat dann im Vergleich zu der anderen einen Elektronenmangel, sie ist dann also positiv im Vergleich zu der anderen. Und du? Näherst du deine Hand der positiven Kugel erhältst du einen harmlosen elektrischen Schlag. Warum? Weil auf deiner Hand im Vergleich zur positiven Kugel ein Elektronenüberschuss herrschte. Indem ein Funke zur positiven Kugel übersprang, wurde der Überschuss ausgeglichen. Hättest du deine Hand statt der positiven Kugel aber der negativen Kugel genähert, hättest du genauso einen harmlosen Schlag erhalten. Du kannst schon erklären warum: Im Vergleich zur negativen Kugel herrschte bei dir ein Elektronenmangel. Er wurde ausgeglichen, indem ein Funke von der negativen Kugel zu deiner Hand übersprang. Obwohl deine Hand elektrisch neutral ist, haben wir einmal von Elektronenüberschuss, das andere Mal von Elektronenmangel geredet. Der entscheidende Punkt ist immer: im Vergleich zu was?

(Obwohl die Funkenüberschläge ungefährlich sind, sind sie unangenehm. Ich würde den Versuch nicht so durchführen.)

Wenn  man von Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss redet, sollte man immer dazusagen, im Vergleich zu welchem anderen Körper. Genauer müssten wir also sagen:

Der Pluspol einer Stromquelle ist derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem im Vergleich zum anderen Pol ein Elektronenmangel vorhanden ist. Der Minuspol einer Stromquelle ist entsprechend derjenige Pol einer unverbundenen Stromquelle, bei dem im Vergleich zum anderen Pol ein Elektronenüberschuss herrscht. Wenn im Vergleich zum anderen Pol ein Überschuss von Elektronen herrscht, ist es selbstverständlich, dass zugleich im Vergleich zum anderen Pol ein Mangel an positiven Ladungen herrscht.

Pol der unverbundenen Stromquelle

Überschuss

Mangel

Pluspol mehr positive Ladungen als am Minuspol im Vergleich zum Minuspol: Überschuss an positiven Ladungen weniger negative Ladungen als am Minuspol im Vergleich zum Minuspol: Mangel an negativen Ladungen
Minuspol mehr negative Ladungen als am Pluspol im Vergleich zum Pluspol: Überschuss an negativen Ladungen weniger positive Ladungen als am Pluspol im Vergleich zum Pluspol: Mangel an positiven Ladungen

Es ist also egal, ob man von einem Mangel an Elektronen oder Überschuss an positiven Ladungen spricht oder aber Überschuss an Elektronen oder Mangel an negativen Ladungen. Das ist egal, aber jeweils nur im Vergleich zum anderen Pol.

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Dass die Energie nicht in den Strom transportierenden Ladungen selbst konzentriert sein und in ihnen transportiert werden kann, kannst du leicht erschließen:

1. Obwohl sich Leitungselektronen im Schnitt nur mit der Geschwindigkeit 1 mm/s (die so genannte "Driftgeschwindigkeit") bewegen, leuchtet eine LED sofort auf, wenn der Stromkreis geschlossen wird. Wäre die Stromquelle nur 1 m von der LED entfernt, würde es 1000 s = ca. 17 min dauern, bis ein Elektron aus der Stromquelle die LED erreichen könnte. Würde man sich vorstellen, dass elektrische Ladungen Energie vom E-Werk abholen müssen, dann könnte man nicht erklären, dass die LED sofort aufleuchtet, obwohl die "energiegeladenen" Elektronen sie noch längst nicht erreicht haben.

2. Bei Wechselstrom gar ist jeder der Anschlüsse der Netzsteckdose abwechselnd einmal positiv oder negativ. Dementsprechend wechselt der Strom ständig seine Richtung. Beim europäischen Elektrizitätsnetz fließt der Strom 50 mal in einer Sekunde in die eine Richtung und 50 mal in einer Sekunde in die entgegengesetzte Richtung. Es fließen auch die Leitungselektronen hin und her, mal zu dem einen Pluspol, dann zu dem geänderten neuen Pluspol, usw. Zwischen zwei Wechseln (Periode) haben sie aber so wenig Zeit, dass sie sich nur eine Strecke vergleichbar mit dem Atomdurchmesser bewegen können. Kein Elektron, das durch die Glühbirne fließt, war jemals in der Stromquelle, hat jemals von ihr Energie abholen können. Kein Elektron, das die Stromquelle verlässt, wird je die Glühbirne (den Energiewandler) erreichen. Dennoch wird bei beiden Stromrichtungen sehr schnell elektromagnetische Energie in die Glühlampe transportiert.

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Beispiel LED: Stromrichtung und Bewegungsrichtung der stromtransportierenden Ladungen bei einer Leuchtdiode. Im linken Abschnitt wird der Strom durch negative Elektronen transportiert. Man nennt ihn n-Leiter. Im rechten Abschnitt wird der Strom durch positive "Löcher" transportiert. Man nennt ihn p-Leiter. Es gibt zwei richtige Aussagen dazu:

Erst die einfachere Aussage:

Außerhalb der Stromquelle fließt der Strom auch durch die LED vom Plus- zum Minuspol (durch + und - angedeutet).

Dann die schwierigere Aussage.

In der LED haben die Ladungsträger abschnittsweise unterschiedliche Bewegungsrichtung, nämlich ... .

Was geschieht wohl  mit den Ladungen in der Zone, wo die beiden Bereiche aneinander angrenzen?

Auf jeden Fall entsteht in dieser Grenzzone bei der LED das erwünschte Licht.

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Aufgaben:

1. Durch die Stromquelle fließt der gleiche Strom wie im unverzweigten Stromkreis außerhalb von ihr, also außerhalb der Stromquelle vom Plus- zum Minuspol und innerhalb der Stromquelle vom Minus- zum Pluspol weiter. Mit einem Zangenstrommesser, das die Stromquelle umfasst, kann man das nachweisen. Aber im Inneren einer Batterie als Stromquelle wird der Strom von positiven Ionen transportiert. Wie bewegen sich diese? Welchen Vorteil hat es deiner Ansicht nach, dass wir in der Regel nur mit dem Strom argumentieren und nicht mit der Bewegungsrichtung der Ladungen?

2. Durch leitende Flüssigkeiten wird der Strom durch positive und negative Ionen transportiert, die aneinander vorbei in Gegenrichtung fließen. Die Bewegung beider Ladungssorten zusammen machen den Strom I aus. Welchen Vorteil hat es, dass wir in der Regel nur mit dem Strom argumentieren?

3. In einem Teil einer Leuchtdiode LED, dem n-Leiter, wird der Strom durch negative Ladungen (Elektronen) transportiert, daran grenzt ein Teil an, der p-Leiter, in dem der Strom durch positive Löcher transportiert wird. Stelle die 4 Bereiche: Leiter, n-Leiter, p-Leiter, Leiter bildlich dar und zwar einmal mit der Bewegung der jeweiligen Ladungen (Pfeile für die Bewegungsrichtungen der Ladungen) und dann mit der jeweiligen Stromrichtung. Welchen Vorteil hat es also deiner Ansicht nach, dass man in der Regel mit der Stromrichtung argumentiert und nicht mit der Bewegungsrichtung der Ladungen?

4. Was stimmt in der unteren Zeichnung nicht? Argumentiere mit "Hin- und Rückleitung"!

oben: Strom und Ladungsbewegung durch eine leitende Flüssigkeit

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Energie

Energie ist der "Stoff", der für alle Vorgänge in der Natur und alles Leben nötig ist. Du brauchst Energie um deinen Stoffwechsel in Gang zu halten, zum Wachsen, zur Bewegung. Du führst dir die meiste Energie mit der Nahrung zu. Und du weißt auch: Je mehr Sport du treibst, desto höher ist dein Energiebedarf und dein Appetit. Ein PKW braucht Energie zum Beschleunigen und Fahren; sie wird vom Benzin geliefert. Damit du es in deinem Zimmer schön warm hast, musst du Energie aus dem Elektrizitätsnetz, der Gasleitung oder aus dem Öltank beziehen. Ein Fußball erreicht höchstens dann das gegnerische Tor, wenn der Torschütze ihm mit dem Fuß genügend Energie mitgegeben hat.

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