Fragen und mögliche Antworten zum elektrischen Stromkreis

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^© Horst Hübel Würzburg 2005 - 2014

Schülerfragen und mögliche Antworten zum elektrischen Stromkreis

Was ist passiert, wenn eine Batterie leer ist? Eine Stromquelle hat die Aufgabe, Ladungen durch einen Stromkreis zu pumpen und den Ladungen Energie mitzugeben, die bei "Stromverbrauchern" (eigentlich: Energie-Verbrauchern, besser: Energie-Umwandlern) nach außen abgeben wird. Sie liefert keine Ladungen; diese sind vielmehr im Stromkreis immer vorhanden.
Nach einer längeren Energieabgabe hat eine Batterie den größten Teil ihrer Energie verloren. Sie ist dann nicht mehr in der Lage, die Ladungen des Stromkreises weiterhin im Kreis herumzupumpen und ihnen weiterhin Energie mit zu geben. Wir bezeichnen sie dann als "leer" und meinen, dass sie einen großen Teil ihrer Energie verloren hat.
Dass eine Batterie einen großen Teil ihrer Energie verloren hat, äußert sich in einer sinkenden Spannung ("Pumpenstärke"). Eine Monozelle hat frisch eine Spannung von knapp über 1,5 V. Viele Geräte erhalten nicht mehr genug Energie von ihr, wenn die Spannung auf z.B. 1,3 V abgesunken ist. Dann stellen sie ihre Funktion ein.

Zwischen Punkten, die direkt durch einen sehr guten Leiter verbunden sind, kann keine Spannung bestehen. Man erkennt das ja daran, dass keine Arbeit W benötigt wird, um eine Ladung Q von dem einen zum anderen Punkt zu verschieben (U = W/Q = 0 ).
Wenn man die beiden Pole einer Stromquelle mit einem sehr guten Leiter verbindet, müsste dann doch die Spannung der Stromquelle auf 0 V abfallen?
In diesem Fall passiert etwas Fürchterliches: Wenn der Strom im Stromkreis durch keinen Widerstand begrenzt ist, wächst die Stromstärke gewaltig an. Dadurch wird in kurzer Zeit die gesamte Energie der Stromquelle als Wärme abgegeben und die Stromquelle wird zerstört.
Aber die Stromstärke wird auch nicht beliebig groß. Bei sehr hoher Stromstärke macht sich ein kleiner Innenwiderstand in der Stromquelle bemerkbar. An ihm kommt es zu einem Spannungsabfall, der schließlich gerade so groß wird, dass an ihm die ganze Batteriespannung abfällt. Dann bleibt für die Spannung zwischen den Klemmen der Batterie keine Spannung (also 0 V) mehr übrig. Du hast recht mit deiner Vermutung!

Wenn man zu einer Monozelle von 1,5 V eine Batterie von z.B. 3 V gleichgerichtet parallel schaltet, müsste das doch das gleiche sein, wie wenn man im Stromkreis nur eine 1,5 V Batterie hätte, weil diese ja schon den Strom durch den Stromkreis pumpt!?
Das kann aber wohl nicht sein, da ja dann auch das Parallelschalten einer 1,5V-Monozelle zu einer 3V-Batterie keinen Einfluss auf den dann höheren Strom haben dürfte, obwohl der Endzustand - parallelgeschaltete Batterien - in beiden Fällen identisch ist.
Schaltet man in einem Stromkreis mit einem Lämpchen und einer Monozelle eine zweite identische zur ersten gleichgerichtet parallel, dann fließt wirklich insgesamt derselbe Strom im Stromkreis. Jede der beiden Monozellen pumpt dann aber nur den halben Strom. (Sie benötigt dazu nur die halbe Energie und "hält" deshalb länger.)
Das gleiche passiert, wenn man zu einer 3 V-Batterie eine zweite gleichartige parallel schaltet. Die Stromstärke ist insgesamt die gleiche wie bei einer 3 V- Batterie, aber jede der Batterien pumpt nur die Hälfte des Stroms. (Insgesamt ist - bei unverändertem Widerstand - die Stromstärke aber größer als bei einer 1,5 V-Monozelle.)
Schaltet man jedoch zu einer 3 V-Batterie eine 1,5 V-Monozelle parallel (oder umgekehrt), werden die Verhältnisse sehr unübersichtlich. Dann spielen die sonst meist vernachlässigten Innenwiderstände der Monozellen eine Rolle. Abhängig von deren Größe kann es z.B. passieren, dass die Stromquelle mit der größeren Spannung die mit der kleineren durch eventuell riesige Ströme in deren Gegenrichtung "lädt", was beide Stromquellen schädigt.
Leider hast du nicht recht gehabt. Die Situation sollte man vermeiden.

Wie kann man verstehen, dass an einem stromdurchflossenen Widerstand ein Spannungsabfall entsteht?
Hier bewirkt offenbar die Ursache "Strom durch den Widerstand" eine Spannung am Widerstand.
1. Schauen wir uns erst die Definition der Spannung U an: Wenn beim Transport der Ladung Q von einem Ende des Widerstands (A) zum anderen (B) eine Arbeit W nötig ist, dann soll nach der Definition zwischen diesen beiden Punkten die Spannung U = W/Q herrschen (Arbeit pro Ladungseinheit).
Da der Widerstand sich erwärmt, wird selbstverständlich Wärme nach außen abgegeben werden. Diese Energie muss durch den Strom herantransportiert werden. Deshalb wird also wirklich eine Arbeit W >0 beim Transport der Ladung verrichtet, es herrscht wirklich eine Spannung zwischen den beiden Enden A und B.
2. Im Wasserstrom-Modell ist das auch plausibel: Vor und nach einer Engstelle entsteht bei einem fließenden Wasserstrom ein Druckunterschied (natürlich ist vor der Engstelle der Druck größer als nachher: das Wasser wird von einer Stelle höheren Drucks zu einer Stelle niederen Drucks gepumpt).
3. Man kann auch verstehen, warum ein Spannungsmesser (Voltmeter) diesen Spannungsabfall anzeigt: Der Spannungsmesser besteht ja aus einem großen Widerstand R_iund einem Anzeigegerät (ursprünglich für die Stromstärke). Verbindet man diesen Stromkreis mit den Punkten A und B des Widerstands R , fließt zusätzlich zum Strom durch den Widerstand R ein Strom durch den Widerstand R_ivon A nach B, der vom Anzeigegerät angezeigt wird: der Spannungsmesser schlägt aus, genauso wie wenn die gleiche Spannung an einer Stromquelle gemessen werden würde.

Wenn man in einem Stromkreis die Spannung U erhöht, wird auch die Stromstärke I größer. Beide verhalten sich etwa gleich. Warum muss man trotzdem zwischen beiden Größen unterscheiden? Vorsicht: Nur in einem geschlossenen Stromkreis hat eine größere Spannung eine größere Stromstärke zur Folge.
Die Stromquelle ist aber sicher die gleiche und hat damit die gleiche "Pumpenstärke", wenn der Stromkreis geschlossen ist, oder wenn er offen ist, also wenn die Stromstärke 0 ist^*).
Wenn eine Stromquelle eine Spannung U hat, dann kann ein Strom I fließen (nämlich in einem geschlossenen Stromkreis). Es muss aber kein Strom fließen. Kein Strom fließt nämlich, wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist.
Die Spannung U ist eine Eigenschaft einer Stromquelle allein. Die Stromstärke I ist eine Eigenschaft des ganzen geschlossenen Stromkreises. Sie hängt ab von der Spannung der Stromquelle, aber auch von den Widerständen im Stromkreis.
Es gibt auch "Widerstände", bei denen Stromstärke und Spannung nicht proportional zueinander sind, z.B. eine Leuchtdiode.
^*) Vom Innenwiderstand der Stromquelle wird hier abgesehen. Die Spannung bzw. "Pumpenstärke" ist eine Eigenschaft der Stromquelle.

Was ist passiert, wenn eine Batterie leer ist?	Eine Stromquelle hat die Aufgabe, Ladungen durch einen Stromkreis zu pumpen und den Ladungen Energie mitzugeben, die bei "Stromverbrauchern" (eigentlich: Energie-Verbrauchern, besser: Energie-Umwandlern) nach außen abgeben wird. Sie liefert keine Ladungen; diese sind vielmehr im Stromkreis immer vorhanden. Nach einer längeren Energieabgabe hat eine Batterie den größten Teil ihrer Energie verloren. Sie ist dann nicht mehr in der Lage, die Ladungen des Stromkreises weiterhin im Kreis herumzupumpen und ihnen weiterhin Energie mit zu geben. Wir bezeichnen sie dann als "leer" und meinen, dass sie einen großen Teil ihrer Energie verloren hat. Dass eine Batterie einen großen Teil ihrer Energie verloren hat, äußert sich in einer sinkenden Spannung ("Pumpenstärke"). Eine Monozelle hat frisch eine Spannung von knapp über 1,5 V. Viele Geräte erhalten nicht mehr genug Energie von ihr, wenn die Spannung auf z.B. 1,3 V abgesunken ist. Dann stellen sie ihre Funktion ein.
Zwischen Punkten, die direkt durch einen sehr guten Leiter verbunden sind, kann keine Spannung bestehen. Man erkennt das ja daran, dass keine Arbeit W benötigt wird, um eine Ladung Q von dem einen zum anderen Punkt zu verschieben (U = W/Q = 0 ). Wenn man die beiden Pole einer Stromquelle mit einem sehr guten Leiter verbindet, müsste dann doch die Spannung der Stromquelle auf 0 V abfallen?	In diesem Fall passiert etwas Fürchterliches: Wenn der Strom im Stromkreis durch keinen Widerstand begrenzt ist, wächst die Stromstärke gewaltig an. Dadurch wird in kurzer Zeit die gesamte Energie der Stromquelle als Wärme abgegeben und die Stromquelle wird zerstört. Aber die Stromstärke wird auch nicht beliebig groß. Bei sehr hoher Stromstärke macht sich ein kleiner Innenwiderstand in der Stromquelle bemerkbar. An ihm kommt es zu einem Spannungsabfall, der schließlich gerade so groß wird, dass an ihm die ganze Batteriespannung abfällt. Dann bleibt für die Spannung zwischen den Klemmen der Batterie keine Spannung (also 0 V) mehr übrig. Du hast recht mit deiner Vermutung!
Wenn man zu einer Monozelle von 1,5 V eine Batterie von z.B. 3 V gleichgerichtet parallel schaltet, müsste das doch das gleiche sein, wie wenn man im Stromkreis nur eine 1,5 V Batterie hätte, weil diese ja schon den Strom durch den Stromkreis pumpt!? Das kann aber wohl nicht sein, da ja dann auch das Parallelschalten einer 1,5V-Monozelle zu einer 3V-Batterie keinen Einfluss auf den dann höheren Strom haben dürfte, obwohl der Endzustand - parallelgeschaltete Batterien - in beiden Fällen identisch ist.	Schaltet man in einem Stromkreis mit einem Lämpchen und einer Monozelle eine zweite identische zur ersten gleichgerichtet parallel, dann fließt wirklich insgesamt derselbe Strom im Stromkreis. Jede der beiden Monozellen pumpt dann aber nur den halben Strom. (Sie benötigt dazu nur die halbe Energie und "hält" deshalb länger.) Das gleiche passiert, wenn man zu einer 3 V-Batterie eine zweite gleichartige parallel schaltet. Die Stromstärke ist insgesamt die gleiche wie bei einer 3 V- Batterie, aber jede der Batterien pumpt nur die Hälfte des Stroms. (Insgesamt ist - bei unverändertem Widerstand - die Stromstärke aber größer als bei einer 1,5 V-Monozelle.) Schaltet man jedoch zu einer 3 V-Batterie eine 1,5 V-Monozelle parallel (oder umgekehrt), werden die Verhältnisse sehr unübersichtlich. Dann spielen die sonst meist vernachlässigten Innenwiderstände der Monozellen eine Rolle. Abhängig von deren Größe kann es z.B. passieren, dass die Stromquelle mit der größeren Spannung die mit der kleineren durch eventuell riesige Ströme in deren Gegenrichtung "lädt", was beide Stromquellen schädigt. Leider hast du nicht recht gehabt. Die Situation sollte man vermeiden.
Wie kann man verstehen, dass an einem stromdurchflossenen Widerstand ein Spannungsabfall entsteht? Hier bewirkt offenbar die Ursache "Strom durch den Widerstand" eine Spannung am Widerstand.	1. Schauen wir uns erst die Definition der Spannung U an: Wenn beim Transport der Ladung Q von einem Ende des Widerstands (A) zum anderen (B) eine Arbeit W nötig ist, dann soll nach der Definition zwischen diesen beiden Punkten die Spannung U = W/Q herrschen (Arbeit pro Ladungseinheit). Da der Widerstand sich erwärmt, wird selbstverständlich Wärme nach außen abgegeben werden. Diese Energie muss durch den Strom herantransportiert werden. Deshalb wird also wirklich eine Arbeit W >0 beim Transport der Ladung verrichtet, es herrscht wirklich eine Spannung zwischen den beiden Enden A und B. 2. Im Wasserstrom-Modell ist das auch plausibel: Vor und nach einer Engstelle entsteht bei einem fließenden Wasserstrom ein Druckunterschied (natürlich ist vor der Engstelle der Druck größer als nachher: das Wasser wird von einer Stelle höheren Drucks zu einer Stelle niederen Drucks gepumpt). 3. Man kann auch verstehen, warum ein Spannungsmesser (Voltmeter) diesen Spannungsabfall anzeigt: Der Spannungsmesser besteht ja aus einem großen Widerstand R_iund einem Anzeigegerät (ursprünglich für die Stromstärke). Verbindet man diesen Stromkreis mit den Punkten A und B des Widerstands R , fließt zusätzlich zum Strom durch den Widerstand R ein Strom durch den Widerstand R_ivon A nach B, der vom Anzeigegerät angezeigt wird: der Spannungsmesser schlägt aus, genauso wie wenn die gleiche Spannung an einer Stromquelle gemessen werden würde.
Wenn man in einem Stromkreis die Spannung U erhöht, wird auch die Stromstärke I größer. Beide verhalten sich etwa gleich. Warum muss man trotzdem zwischen beiden Größen unterscheiden?	Vorsicht: Nur in einem geschlossenen Stromkreis hat eine größere Spannung eine größere Stromstärke zur Folge. Die Stromquelle ist aber sicher die gleiche und hat damit die gleiche "Pumpenstärke", wenn der Stromkreis geschlossen ist, oder wenn er offen ist, also wenn die Stromstärke 0 ist^). Wenn eine Stromquelle eine Spannung U hat, dann kann* ein Strom I fließen (nämlich in einem geschlossenen Stromkreis). Es muss aber kein Strom fließen. Kein Strom fließt nämlich, wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist. Die Spannung U ist eine Eigenschaft einer Stromquelle allein. Die Stromstärke I ist eine Eigenschaft des ganzen geschlossenen Stromkreises. Sie hängt ab von der Spannung der Stromquelle, aber auch von den Widerständen im Stromkreis. Es gibt auch "Widerstände", bei denen Stromstärke und Spannung nicht proportional zueinander sind, z.B. eine Leuchtdiode. ^*) Vom Innenwiderstand der Stromquelle wird hier abgesehen. Die Spannung bzw. "Pumpenstärke" ist eine Eigenschaft der Stromquelle.