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Allgemeines über elektrische Stromkreise

Autor/inn/en:
Publikation:	1.1.2003
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Macht Ihnen Elektrizität Angst? Der folgende Text erklärt die in der Grundschule einzuführenden Begriffe sowie zu ergreifende Sicherheitsmaßnahmen.

Sicherheit

Wenn Sie nur handelsübliche 1,5 V, 4,5 V oder 9 V Batterien verwenden, besteht absolut keine Gefahr. Dagegen sollten Sie in der Schule nicht die Netzspannung (230 V) verwenden, ohne vorher Vorsichtsmaßnahmen ergriffen zu haben.

Die Schüler/innen sollten Sie vor den Gefahren warnen und Sie sollten ihnen grundlegende Sicherheitshinweise geben.

Was muss man über elektrische Stromkreise wissen?

a) Geschlossener Stromkreis

Ein Stromkreis besteht aus einer Reihe hintereinandergeschalteter Elemente, zum Beispiel einer Batterie (Spannungsquelle), elektrischen Leitungen, einem Schalter, Glühlampen und eventuell einem Motor. Diese untereinander verbundenen Gegenstände bilden mindestens eine geschlossene Schleife.

In einer geschlossenen Schleife ermöglicht die Batterie das Fließen der Elektrizität.

Elektrizität fließt, wenn:
- die Batterie in Ordnung ist,
- die Kontakte zwischen den verschiedenen Gegenständen in der Schleife in Ordnung sind,
- die Gegenstände ausreichend gute Leiter sind und so den Elektrizitätsfluss ermöglichen.

Wenn die Schleife unterbrochen wird, ist der Stromkreis offen, und die Batterie kann nicht mehr für den Stromfluss sorgen. Mit einem Schalter kann ein Stromkreis geschlossen oder geöffnet werden.

Es ist lehrreich, sich eine Glühlampe anzuschauen, deren Glaskolben zerbrochen ist, um herausfinden zu können, welchen Weg der Strom nimmt (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Glühlampe ohne Glaskolben. Die punktierten Linien entsprechen den Drähten innerhalb des Sockels.

Achtung, von den Kindern nicht verlangen, dass sie den Kolben von Glühlampen zerbrechen, das kann gefährlich sein.

b) Leiter und Nichtleiter

In der Grundschule werden aus Sicherheitsgründen nur Batterien verwendet. Der einfachste Stromanzeiger ist ein Glühlämpchen: Um herauszufinden, ob ein Gegenstand ein guter Leiter ist oder nicht, bringt man es in die Schleife eines Stromkreises und beobachtet, ob es leuchtet oder nicht. Das ist natürlich eine qualitative Anzeige, für die Grundschule jedoch völlig ausreichend. Den Kindern muss gesagt werden, dass sie zu Hause nicht dasselbe mit der Stromzufuhr aus der Steckdose machen dürfen. Man könnte zwar meinen, dass der menschliche Körper ein schlechter Leiter sei, da das Glühlämpchen nicht leuchtet, wenn man z.B. versucht, einen Draht im Stromkreis dadurch zu ersetzen, dass man die beiden Kontaktpunkte mit den Fingern berührt. Dennoch ist er kein Nichtleiter oder Isolator – der Körper ist einfach nur ein weniger guter Leiter als Kupfer, dagegen aber ein besserer Leiter als die meisten Kunststoffe. Er leitet auf jeden Fall genügend gut, so dass Stromunfälle passieren können.

Ausser bei speziell gesicherten Geräten, die für den Betrieb in feuchten Bereichen ausgelegt sind (z.B. Küchengeräte), darf ein elektrisches Gerät nicht benutzt werden, wenn Hände oder Füße mit Wasser in Berührung stehen oder auch nur feucht sind. Elektrische Geräte im Haushalt sind ebenso nützlich wie gefährlich. Bei modernen elektrischen Anlagen, die in einem guten Zustand sind und den aktuellen Sicherheitsnormen entsprechen, kann nichts passieren. Aber die Steckdosen sollten eine Kindersicherung haben, die verhindert, dass Kinder einen Metallgegenstand in die Steckdose einführen.

c) Reihenschaltung, Parallelschaltung

Bei einer Reihenschaltung besteht der Stromkreis aus einer einzigen Schleife (siehe Abb. 2).

Abb. 2: Reihenschaltung

Wenn sich innerhalb eines Stromkreises mit Reihenschaltung mehrere identische Glühlampen befinden, leuchten sie alle gleich hell, egal wo sie im Stromkreis eingebaut sind. Je mehr Glühlampen allerdings in Reihe geschaltet werden, desto schwächer leuchtet die einzelne Glühlampe. In bestimmten Weihnachtslichterketten sind alle Glühlämpchen in Reihe geschaltet; es braucht dann nur eine durchzubrennen, damit auch alle anderen erlöschen. Der Stromkreis ist dann offen.

Bei einer Parallelschaltung besteht der Stromkreis aus mehreren Schleifen (in Abb. 3 sind es zwei Schleifen).

Abb. 3: Parallelschaltung

Wenn mehrere Glühlampen parallel geschaltet sind, leuchtet jede einzelne genauso hell, wie eine einzige Glühlampe in einer Reihenschaltung (allerdings wird dann auch die Batterie umso schneller entladen).

d) Elektrische Stromstärke, Spannung, elektrische Energie

In der Grundschule wird man auf die Definition der Begriffe Spannung, elektrischer Strom, Stromstärke und elektrische Energie verzichten. Dennoch kann es für die/den Lehrenden nützlich sein, diese physikalischen Größen zu unterscheiden. In der geschlossenen Schleife eines elektrischen Stromkreises mit Reihenschaltung fließt Elektrizität. In der Grundschule ist es unwichtig zu untersuchen, in welcher Richtung sie fließt, man kann es auch nicht mit einem einfachen Versuch herausfinden. Dagegen ist es interessant den Weg zu suchen, den der Strom durchlaufen kann, ohne sich um seine Flussrichtung zu kümmern. Es ist wichtig zu wissen, dass die Elektrizität nur fließen kann, wenn der Stromkreis eine geschlossene Schleife bildet.

In einem Stromkreis, der eine Batterie und Glühlämpchen enthält, leuchten die Lampen gleich hell, unabhängig von der Anschlussrichtung der Batterie. In Stromkreisen mit komplizierteren Bauteilen ist die Anschlussrichtung der Batterie immer angegeben, sie ist in diesen Fällen also wichtig (Beispiele: Transistorradio, Wecker, Walkman).

Irgendetwas, das man Elektrizität nennt, fließt in diesem geschlossenen Stromkreis. Es fließt nichts, wenn der Stromkreis geöffnet ist. Die elektrische Stromstärke ist die Elektrizitätsmenge, die pro Zeiteinheit durch irgendeinen Punkt des Stromkreises fließt. Unabhängig davon, welcher Punkt in einem gegebenen Stromkreis mit einer Reihenschaltung betrachtet wird, hat der Strom überall denselben Wert.

Nehmen wir eine Analogie, die eines kleinen Zuges, eine für die Schüler/innen etwas komplizierte Analogie. Es wird davon abgeraten, das Folgende den Schüler/inne/n im Einzelnen vorzutragen.

Abb. 4: Analogie mit einem kleinen Zug

Untereinander verbundene Schienen bilden eine Schleife. Auf diesen Schienen sitzen Waggons, die miteinander verbunden sind, wobei das Ganze eine fortlaufende Kette von Waggons bildet. Das ist das Analogon zum elektrischen Stromkreis. Stellen wir uns jetzt vor, dass es Arbeiter gibt (die an einer Stelle des "Stromkreises" eingesetzt sind), die gemeinsam und stetig die Waggons schieben. Sie sind das Analogon zur elektrischen Batterie. Sobald die Arbeiter anfangen zu schieben, setzen sich alle Waggons gleichzeitig in Bewegung. Wenn man an verschiedenen Stellen des "Stromkreises" Beobachter einsetzt und jeder dieser Beobachter die Waggons zählt, die während derselben Zeit an ihm vorbeiziehen, wird jeder auf denselben Wert kommen: Das ist das Analogon zur Stärke des elektrischen Stromes. Die Energie dagegen entspricht der von den Arbeitern geleisteten Arbeit. Die Spannungsstärke der Batterie (also üblicherweise 1,5 V, 4,5 V oder 9 V) kann man mit der Kraft, die die Arbeiter aufwenden, vergleichen.

Man erkennt sofort, dass die Stärke des elektrischen Stroms und die Energie miteinander verknüpft sind. Wenn nämlich die Arbeiter weniger stark schieben, ist die Anzahl der Waggons kleiner, die pro Zeiteinheit an einem Punkt vorbeifahren. Wenn die Arbeiter müde sind (die Batterie verbraucht ist), schieben sie die Waggons mit sehr viel weniger Energie, wodurch sie langsamer fahren: So verringert sich die Anzahl der Waggons, die pro Zeiteinheit an einem Punkt vorbeifahren (der Wert der Stromstärke verringert sich). Das geschieht auch, wenn man in einem gegebenen Stromkreis eine 4,5 V Batterie durch eine 1,5 V Batterie ersetzt.

Wenn übrigens die Bremsen eines Waggons angezogen sind, besteht ein größerer Widerstand gegen die Bewegung, und bei gleichem Kraftaufwand wie bei nicht angezogener Bremse bewegen sich die Waggons langsamer: Der Wert der Stromstärke ist geringer.

Gedankengänge der Schüler/innen

Wenn man eine/n Schüler/in bittet, ein Glühlämpchen mit einer Batterie zum Leuchten zu bringen, bringt er/sie manchmal das Glühlämpchen mit nur einem Anschluss der Batterie (Flachbatterie) in Kontakt und stellt fest, dass das Lämpchen nicht angeht. Zufällig oder durch Herantasten bringt er/sie es schließlich zum Leuchten. Das bedeutet jedoch noch nicht, dass der/die Schüler/in die Tatsache erfasst hat, dass ein geschlossener Stromkreis hergestellt werden muss.

Wenn der/die Schüler/in dann einen geschlossenen Stromkreis herstellen kann und man ihn/sie bittet zu erklären, was die Elektrizität macht (oder warum das Glühlämpchen leuchtet), passiert meist Folgendes:

a) Die Kinder beginnen oft (falsch) über „gegenläufige“ Ströme nachzudenken:
Aus beiden Anschlüssen der Batterie tritt Elektrizität aus, die sich im Glühlämpchen trifft (und genau dieses Zusammentreffen erklärt für einige Schüler/innen das Leuchten des Glühlämpchens). Einige Lehrende meinen, dass das Einführen eines Motors den Kindern bewusst macht, dass dem nicht so ist. Das gelingt jedoch häufig nicht; viele Kinder denken weiter in gegenläufigen Strömen: Im Falle des Motors erklären sie, dass das, was aus einem der Anschlüsse kommt, stärker ist als das, was aus dem anderen kommt; daher die Drehrichtung des Motors.

Es ist schwierig, in der Lernstufe 2 (1. bis 3. Klasse) gegen diese Erklärung anzukommen. Den von der Elektrizität durchlaufenen Weg zeichnen zu lassen (wobei dieser Weg eine geschlossene Schleife bildet), ist ein erster Schritt, reicht aber bei Weitem nicht aus. Dann kann man versuchen, die Kinder physikalische Experimente nachmachen zu lassen, die man fast unmöglich mit gegenläufigen Strömen erklären kann, wie zum Beispiel eine Reihenschaltung mit drei identischen Glühlämpchen. Ein wirksames Mittel wäre es, den von Ørsted im Jahr 1820 verwirklichten Versuch durchzuführen, der zur Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus führte, und in dem ein Kompass als Stromrichtungsanzeiger verwendet wird. Dieses Experiment wird nicht für die Grundschule empfohlen, denn es ist zu heikel: Man benötigt eine ausreichend hohe Stromstärke und muss die Kompasse sehr nah an den Stromkreis bringen, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen können.

b) Die Kinder begreifen schließlich, dass die Elektrizität von einem Anschluss der Batterie zum anderen fließt, glauben jedoch, dass hinter dem Glühlämpchen weniger Elektrizität vorhanden ist, denn dieses verbraucht Energie. Man kann die Kinder dann auffordern, eine Reihenschaltung mit mehreren identischen Glühlämpchen aufzubauen und lässt sie feststellen, dass alle Glühlämpchen gleich hell leuchten. Die Kinder werden schnell einsehen, dass eine Erklärung mit einem Strom, der sich nach dem Durchgang durch eine Glühlampe verringert, nicht mit dem beobachteten Ergebnis übereinstimmt.