Die Grundelemente des elektrischen Stromkreises
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Die Grundelemente des elektrischen Stromkreises sind:
- Stromquelle (z.B. Batterie, Netzgerät, …)
- elektrische Leiter (z.B. Kabel, Draht, Leiterbahnen, Fahrradrahmen, …)
- elektrisches Gerät (z.B. Lampe, Föhn, Kühlschrank, TV-Gerät, …
Stromquelle
Damit ein Strom fließen kann, muss er angetrieben werden. Die Autos im Autostrom benötigen Benzin, Diesel ►01 oder eine elektrische Batterie. Der Fluss benötigt ein Gefälle, um von der Mündung zur Quelle zu fließen ►02. Die Menschen beim Marathonlauf benötigen Nährstoffe ►03 in Form von Essen und Trinken.
Was treibt den elektrischen Strom an?
Der elektrische Strom wird von einer elektrischen Quelle angetrieben. Diese Quelle kann z.B. eine Batterie, ein Netzgerät oder ein Dynamo sein. Sie alle können den elektrischen Strom antreiben.
Verschiedene elektrische Quellen
Aus deinem Alltag kennst du viele verschiedene elektrische Quellen.
Batterie
Du hast schon verschiedene Batterien gesehen. ►07a-d zeigt einige Batterien, wie du sie vermutlich bei dir zu Hause findest.
Wie unterscheiden sich die Batterien?
- Die Batterien sind unterschiedlich groß und sind damit für verschiedene Einsätze zu gebrauchen. Die Batterie auf ►07d wirst du nicht in deine Armbanduhr einsetzen können und mit der Batterie von ►07c wirst du nicht den Akkubohrschrauber betreiben können. Die Batterien speichern unterschiedlich viel Energie.
- Auf den Batterien findest du Angaben wie 1,5 V, 3 V, 9 V und 12 V. Das „V“ steht für die physikalische Größe der Spannung 1 Volt. Die Spannung gibt an, wie stark der elektrische Strom angetrieben wird. Wenn du das mit dem Fluss vergleichst, dann kannst du dir die Spannung wie ein Gefälle vorstellen. Je steiler der Fluss abfällt, desto stärker wird das Wasser angetrieben.c
Batterien und Akkus
Batterien können unterschiedlich aufgebaut sein und verschiedene chemische Stoffe enthalten. Dadurch unterscheiden sie sich zum Beispiel in ihrer Lebensdauer, ihrer gespeicherten Energie und ihrem Einsatzgebiet. ►07a-d
Alkaline-Batterien sind besonders verbreitet. Im Inneren befindet sich Zink als negative Elektrode und Mangandioxid als positive Elektrode. Dazwischen befindet sich ein Elektrolyt. Beim Entladen findet eine chemische Reaktion statt. Wenn ein Elektrogerät angeschlossen ist, dann kann ein Strom fließen. Eine solche Batterie liefert eine Spannung von 1,5 V.
Zink-Kohle-Batterie bestehen aus einer äußeren Hülle und einem Stab in der Mitte. Die äußere Hülle besteht aus Zink, der Stab in der Mitte ist aus Kohle. Zwischen der Hülle und dem Stab befindet sich eine Chemikalie. Wenn ein Elektrogerät an die Batterie angeschlossen wird, dann kann ein Strom fließen. Dabei reagiert das Zink der Hülle mit den Chemikalien im Innenraum. Es wird quasi aufgebraucht. Auch diese Batterie liefert etwa 1,5 V. Zink-Kohle-Batterien sind günstiger als Alkaline-Batterien.
Lithium-Batterien enthalten Lithium als negative Elektrode. Als positive Elektrode können unterschiedliche Stoffe verwendet werden. Da Lithium sehr leicht ist, können mit Lithium-Batterien bei geringer Masse große Energiemengen gespeichert werden. Sie werden deshalb unter anderem in Kameras, Messgeräten und vielen kleinen elektronischen Geräten eingesetzt. Lithium-Batterien gibt es in verschiedenen Bauarten und mit unterschiedlichen Spannungen.
Akkus
Alle diese Batterien sind nur ein mal verwendbar. Eine Alternative stellen Akkus dar. Sie können nach der Verwendung wieder aufgeladen werden. Du kennst Akkus z.B. aus dem Smartphone, dem Akkubohrschrauber oder dem iPad.
Wer Akkus oder Batterien online kaufen möchte, sollte deshalb auf die richtige Baugröße, Spannung und Batterieart achten. Welche Batterie geeignet ist, hängt vom jeweiligen Elektrogerät und dessen Strombedarf ab.
Batterien werden vor allem in Krankenhäuser, der Feuerwehr und dem Rettungsdienste benötigt. Batterien werden dort unter anderem für Notbeleuchtung, Rauchmelder, Messgeräte, Funkgeräte und Notstromsysteme eingesetzt. Sie sind besonders wichtig, wenn elektrische Geräte auch bei einem Stromausfall zuverlässig funktionieren müssen.
Netzgeräte
In der Schule hast du vermutlich schon mit einem Netzgerät gearbeitet. Wie bei den Batterien gibt es auch hier verschiedene Ausführungen.
Elektrogeräte
Elektrogeräte sind die Lampe, der Kühlschrank, der Fön, der Computer, …
Dabei benötigen die verschiedenen Elektrogeräte auch verschiedene elektrische Quellen. Auf den meisten Elektrogeräten findest du eine Spannungsangabe. ►09 An diese Angabe solltest du dich auch halten, da das Gerät sonst zerstört werden kann. ►10
Die Steckdosen in Europa, China, Indien und den meisten afrikanischen Ländern liefern eine Spannung von 230 V. In den USA, Kanada, Japan, Taiwan … liegen die Netzspannungen bei ca. 110 V. Hier findest du eine Übersicht über die Netzspannungen und die verschiedenen Stecker in den Ländern der Welt.
Der Fön aus Deutschland ist für eine größere Spannung konstruiert. Wenn du ihn an eine Steckdose mit 110 V anschließt, dann ist der Antrieb der elektrischen Quelle zu gering. Der Motor des Föns wird nur langsam laufen und die Heizung im Fön wird kaum warm.
Der Fön aus den USA ist für eine kleinere Spannung konstruiert. Wenn du ihn an eine Steckdose mit 230 V anschließt, dann ist der Antrieb der elektrischen Quelle zu groß. Der Motor des Föns wird in Sekunden zerstört. Die Kabel im Motor werden, wie der Glühdraht im Video ►Link schmelzen. Das Gerät ist dann zerstört. Vermutlich wird bei diesem Experiment auch die Sicherung des Stromkreises auslösen. Ansonsten besteht Brand und Verletzungsgefahr.
Die Spannungsangaben auf dem Gerät und der Quelle müssen also zusammenpassen.
Elektrische Leiter
Um die elektrische Quelle mit dem Elektrogerät zu verbinden, benötigen wir elektrische Leiter. Ein elektrischer Leiter leitet den elektrischen Strom.
Ströme benötigen Wege, auf denen sie sich bewegen können. Der Autostrom benötigt eine Straße und der Wasserstrom benötigt ein Flussbett. Der elektrische Strom benötigt elektrische Leiter.
Ein elektrischer Leiter ist z.B. ein Kabel ►11, wie du es aus dem Physikunterricht kennst. Aber auch andere Gegenstände können den elektrischen Strom leiten. Meistens sind diese Gegenstände aus Metall. Das Kabel ►11 hat einen Mantel aus Kunststoff. Das Kabel ist aus Kupfer.
Woraus bestehen elektrische Leiter
Die elektrischen Leiter sind für den Strom das, was die Straße für die Autos ist. Es gilt:
- Je besser die Straße, desto besser fließt der Verkehr.
- Je besser der elektrische Leiter, desto besser fließt der elektrische Strom.
Sehr gute elektrische Leiter sind Gold, Silber und Kupfer. Da aber Gold und Silber sehr teuer sind, wird für elektrische Leiter meistens Kupfer verwendet.
Beispiele für Leiter
Elektrische Leiter können sehr unterschiedlich aussehen. Das Kabel ►11 kennst du schon aus dem Physikunterricht. Von zu Hause kennst du sicher ein Verlängerungskabel ►12. Wenn du mal in ein elektrisches Modellauto geschaut hast, dann sind die Kabel dort viel dünner ►13.
In Fernsehapparaten oder Computern sind die Schaltungen deutlich komplizierter. Hier müssen die Schaltungen auf einem sehr kleinen Raum untergebracht werden. Dafür nutzt man Leiterplatten. Die Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen (Elektrogeräten) besteht aus sehr dünnen Kupferleitungen. ►14
Aber auch in den Bauteilen, wie den integrierten Schaltkreisen müssen elektrische Leiter sein ►14. Hier siehst du einen integrierten Schaltkreis, wie auf der Platine ►15a. Bild ►15 b zeigt einen geöffneten Schaltkreis. Auch hier kannst du die elektrischen Leiter erkennen. Die Leiterbahnen hier sind häufig aus Gold.
