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Homepage > Dokumentation > Naturwissenschaften > Elektrizität > Grundlagen > Stromkreise > Allgemeines

Allgemeines über elektrische Stromkreise

Autor:
Publikation: 26.6.2014
Herkunft: Sonnentaler

Viele Menschen haben Angst vor Elektrizität. Das ist zum Teil auch begründet. Geht man jedoch mit Elektrizität richtig um und verwendet die geeigneten Geräte, besteht kein Grund zur Sorge. Der folgende Text erklärt, welche Geräte Sie bedenkenlos verwenden dürfen. Außerdem werden einige Grundla­gen eingeführt, die für einen sicheren Umgang mit Elektrizität wichtig sind.

Welche Geräte sind für den Unterricht geeignet?

Spannungs- und Stromquellen

Grundsätzlich gilt: Im Unterricht dürfen elektrische Stromkreise auf keinen Fall an eine Steckdose angeschlossen werden. Die Spannung an der Steck­dose beträgt 230 Volt (bzw. 400 Volt an einer Drehstromsteckdose) und ist lebensgefährlich. Solche hohen Spannungen sind im Alltag erst durch ent­sprechende Schutzmaßnahmen ohne Gefahr nutzbar (siehe "Elektrische Anla­gen – Elektrik im Haus"). Wird im Unterricht eine elektrische Schaltung auf­gebaut, können diese Schutzmaßnahmen in der Regel nicht eingehalten wer­den, so dass auf geeignete Spannungsquellen zurückgegriffen werden muss.

Geeignet sind Spannungsquellen, die eine sogenannte Schutzkleinspannung mit sicherer Trennung zur Verfügung stellen. Für Schülerversuche darf eine Span­nung von 25 Volt Wechselspannung bzw. 60 Volt Gleichspannung [1] nicht überschritten werden.

Zu den geeigneten Spannungsquellen gehören Batterien oder Akkumulatoren (Akkus) mit Nennspannungen [2] von 1,5 V, 4,5 V oder 9 V. Batterien und Akkus sind auch deshalb sehr geeignet, weil sie einen Bezug zum Alltag der Schülerinnen und Schüler darstellen. Zu den geeigneten Spannungsquellen zählen auch Netzgeräte, die eine entsprechend niedrige Spannung ausgeben. Es empfiehlt sich auf das Angebot bekannter Lehrmittelhersteller zurückzugrei­fen. Der Vorteil ist, dass an diesen Geräten unterschiedliche Spannungen ein­gestellt werden können.

Lampen, Widerstände, ...

Lampen eignen sich gut, um einen einfachen Stromkreis aufzubauen. Mit Lam­pen kann man die Wirkung von Elektrizität sichtbar machen. Außerdem ist eine leuchtende (oder nicht leuchtende oder schwach/stark leuchtende) Lampe leicht zu zeichnen, wenn der Stromkreis ins Arbeitsheft oder auf ein Arbeitsblatt übertragen werden soll.

Foto einer kleinen Glühlampe

Abb. 1: Eine kleine Glühlampe (links); Glühlmape für die Verwendung in einem Steckbrett (rechts)

Achten Sie darauf, dass die Glühlampen, die Sie verwenden wollen, auch an die "richtige" Spannungsquelle angeschlossen werden. Eine Lampe, die für einen Betrieb bei 12 V gebaut wurde, leuchtet bei einer Spannung von 1,5 V nur sehr schwach oder gar nicht. Und eine Lampe, die für einen Betrieb bei 1,5 V bestimmt ist, geht sehr wahrscheinlich kaputt, wenn man sie "an 12 V" anschließt.

Widerstände (z. B. für Steckbretter, siehe Abb. 2) wandeln elektrische Energie in innere Energie (Wärme) um. Die Erkenntnisse bzw. die Erfahrung wird in die­sem Fall über die haptische Wahrnehmung im Gedächtnis verankert. Allerdings lässt sich ein "warmer Widerstand" nicht so leicht zeichnen.

Foto eines Steckwiderstandes

Abb. 2: Widerstand für die Verwendung in einem Steckbrett: links ohne und rechts mit Gehäuse

Da Widerstände – ähnlich wie Lampen – nur für eine bestimmte maximale Span­nung ausgelegt sind, muss auch hier darauf geachtet werden, dass diese Spannung nicht überschritten wird. Da auf den Widerständen meistens nicht die maximale Spannung sondern die maximale Leistung angegeben ist, muss die entsprechende maximale Spannung über eine kleine Rechnung bestimmt wer­den [3]. Sie können auch, anstatt zu rechnen, den Widerstand an eine regel­bare Spannungsquelle anschließen, die Spannung langsam erhöhen und fühlen, wie warm der Widerstand wird. Achtung: Der Widerstand darf sich dafür nicht in einem geschlossenen Gehäuse befinden.

Natürlich kann man außer bzw. anstatt Glühlampen und Widerständen noch weitere Verbraucher in Stromkreisen einsetzen: einen Summer etwa, oder einen kleinen motorbetriebenen Propeller usw.

Leitungen und Drähte

Grundsätzlich sind alle (Metall-)Drähte geeignet, um einfache Stromkreise aufzubauen. Lange dünne Drähte sollten jedoch vermieden werden. Drähte werden in den meisten Betrachtungen als ideal, also widerstandslos und leitend angenommen. Bei langen dünnen Drähten ist der Widerstand jedoch relativ groß. Die Folge ist, dass eine Lampe eventuell nicht leuchtet, weil ein zu großer Teil der Spannung am Drahtwiderstand abfällt.

Fotos: Zwei Kabel und zwei Brücken

Abb. 3: Kabel (links) und Brücken (rechst)

Vorgefertigte Laborleitungen für die Schule haben den Vorteil, dass die Stecker in die zugehörigen Steckbretter, Schalter oder Lampenfassungen passen.

Für die Steckbretter gibt es auch Brücken, mit denen die Drahtverbindungen auf den Steckbrettern "hergestellt" werden können. Der Vorteil dieser Bauteile ist, dass der Stromkreis dem zugrunde liegenden Schaltplan ähnlicher sieht. Drähte aus dem Baumarkt sind dafür preiswerter.

Schalter, Steckbretter, ...

Die Lehrmittelhersteller bieten verschiedene Materialbausätze an, deren Ele­mente – Schalter, Steckbretter mit Brücken usw. – zusammenpassen.

Foto eines Stromkreises auf einem Steckbrett

Abb. 4: Steckbrett mit Brücken und Glühlampe. Die Spannungsquelle ist über Laborleitungen angeschlossen.

Je nach Ziel des Unterrichts kann man aber auch auf andere Weise einen Stromkreis zusammenbauen, zum Beispiel indem man sich im Haushalt bedient. So können Stromkreise an den offenen Drahtenden mit Heftzwecken geschlos­sen werden. Wichtig ist nur, dass Sie ihren Schülern verständlich machen, dass dies nur im Versuch in der Schule bzw. nur mit Kleinspannungsquellen geschehen darf. Steckbretter haben den Vorteil, dass die Schaltung sehr stark einem Schlatplan (Stromlaufplan) ähnelt. Dies fördert die Vernetzung des abs­trakten Schaltplans mit dem Versuchsaufbau.

Foto eines Stromkreises

Abb. 5: Einfacher Stromkreis mit Batterie, Büroklammern, Kupferdrähten und einer Glühlampe

Wichtige Begriffe und Ausdrücke

Die korrekte Fachsprache verwenden

In der Elektrizitätslehre gibt es eine Fachsprache, die gewährleisten soll, dass fachliche Zusammenhänge präzise und möglichst unmissverständlich ausge­drückt werden. Wird die Fachsprache richtig verwendet, kann sie außerdem helfen, Fehlvorstellungen zu vermeiden oder auszuräumen.

Appell an Lehrende, die im Unterricht das Thema Elektrizität behandeln

  1. Versuchen Sie selbst eine korrekte Fachsprache zu verwenden. Sie dienen den Schülern als Vorbild und könnten durch eine falsche Fach­sprache für große Lernschwierigkeiten in der weiteren Schullaufbahn Ihrer Schüler sorgen.
  2. Führen Sie die wichtigsten Fachbegriffe in Ihrem Unterricht ein und üben Sie mit den Schülern die grundlegenden Ausdrucksweisen.

Die wichtigsten Begriffe und Ausdrucksweisen im Überblick

Strom

Spannung

Energie

Widerstand

Foto: Verschieden Widerstände

Abb. 6: Unterschiedliche Wiederstände

Parallelschaltung

Foto: Parallelschaltung auf einem Steckbrett

Abb. 7: Parallelschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett

Foto: Parallelschaltung mit Batterie, Leitungen und zwei Lampen

Abb. 7a: Parallelschaltung von zwei Lampen

Reihen- oder Serienschaltung

Foto: Reihenschaltung auf einem Steckbrett

Abb. 8: Reihenschaltung von zwei Lampen auf einem Steckbrett

Foto: Reihenschaltung mit Batterie, Leitungen und zwei Lampen

Abb. 8a: Reihenschaltung von zwei Lampen

Was leitet und was nicht?

Im Grundschulunterricht bietet es sich an, die Schülerinnen und Schüler kleine Experimente machen zu lassen, um selbstständig herauszufinden, was leitet und was nicht. Am einfachsten geht es, wenn man einen kleinen Stromkreis aufbaut, bestehend aus einer Batterie und einer Lampe. Öffnet man diesen Stromkreis an einer Stelle und fügt den jeweiligen Gegenstand ein, kann man überprüfen, ob es sich um einen Leiter handelt oder nicht. Im Folgenden sind zahlreiche Gegenstände angegeben, die sich für diese Experimente eignen.

Metalle

Kunststoffe

Foto: Isolatoren an Hochspannungsleitungen
Abb. 9: Isolatoren aus Glas an Hochspannungsleitungen
(Quelle: Kreuzschnabel,
Wikimedia Commons, artlibre)

Keramik und Glas

Holz

Der elektrische Stromkreis

Ein elektrischer Stromkreis besteht immer aus einer Strom- bzw. Spannungs­quelle und unterschiedlichen Elementen, die so miteinander verbunden werden, dass ein leitender "Kreis" entsteht; man spricht daher von einem geschlosse­nen Stromkreis.

Der einfachste Stromkreis besteht aus einer Batterie (Spannungsquelle) und einem Draht, der die beiden Pole der Batterie miteinander verbindet. Ein sol­cher Stromkreis stellt allerdings einen Kurzschluss dar. Da der Widerstand des Drahtes sehr klein ist, wird bei einem Kurzschluss der Strom sehr groß [4]; der Draht wird heiß.

In einem Stromkreis sollte aus diesem Grund ein Verbraucher (z. B. eine Lampe oder ein Motor) eingebaut sein. Ein Verbraucher hat einen größeren Wider­stand und begrenzt dadurch den Strom. Der einfachste ("sinnvolle") Stromkreis besteht demnach aus:

Foto eines einfachen Stromkreises

Abb. 10: Ein einfacher Stromkreis

Dieser einfache Stromkreis kann durch weitere Verbraucher, aber auch durch zusätzliche Spannungs- und Stromquellen oder Schalter erweitert werden. Diese müssen dann in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Fotos weiterer Stromkreise

Abb. 11: Beispiele für weitere Stromkreise (zum Vergrößern auf das Bild klicken)
a) Reihenschaltung mit zwei Batterien – die Lampen leuchten heller als in der ein­fachen Reihenschaltung von Abb. 8a (die Spannung und die Stromstärke sind hier doppelt so groß).
b) Reihenschaltung mit drei Batterien – die Lampen leuchten noch heller (die Span­nung und die Stromstärke sind hier dreimal so groß wie in der einfachen Reihen­schaltung von Abb. 8a).
c) Reihenschaltung mit drei Batterien, von denen sich zwei "aufheben", weil zwei Minuspole bzw. zwei Pluspole miteinander verbunden sind. Die Lampen leuchten genauso hell wie in der einfachen Reihenschaltung von Abb. 8a (die Spannung und die Stromstärke sind in beiden Fällen gleich groß).
d) Reihenschaltung mit zwei Batterien, deren Minuspole miteinander verbunden sind. Die Lampen leuchten gar nicht (Spannung und Stromstärke sind gleich null).
e) Stromkreis mit zwei parallel verbundenen Batterien – die Lampe leuchtet genauso hell wie in dem einfachen Stromkreis mit nur einer Batterie (Abb. 10). Spannung und Stromstärke sind in beiden Fällen gleich groß.


Fußnoten

1: Für Gleichspannung und Wechselspannung werden häufig die englischen Kürzel DC und AC verwendet. Sie stehen für direct current (= Gleichstrom) und alternating current (= Wechselstrom).

2: Die Nennspannung ist der vom Hersteller angegebene Spannungswert, den die Batterie oder der Akku im Normalbetrieb bereitstellt.

3: Über die Beziehungen "Leistung ist gleich Spannung mal Strom" (P = U I) und "Spannung ist gleich Widerstand mal Strom" (U = R I), folgt für die Span­nung: U = √(P R) (Spannung ist gleich Wurzel aus Leistung mal Widerstand).

4: Da die Spannung der Batterie konstant ist, ergibt sich aus der Formel U = R I, dass bei kleinem Widerstand der Strom groß ist.

Letzte Aktualisierung: 18.10.2017

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