Von Robert Hazen, Ph.D., George Mason University
Stromkreise sind wichtige Konzepte, die praktische Anwendungen in unserem täglichen Leben haben. Es ist ein sehr einfaches Konzept, das drei verschiedene Komponenten enthält – eine Quelle elektrischer Energie, ein Gerät und einen geschlossenen Kreislauf aus leitendem Material.
Quelle elektrischer Energie
Die erste Komponente in einem Stromkreis ist die Quelle elektrischer Energie, die es Elektronen ermöglicht, sich zu bewegen. Diese Quelle könnte eine Batterie, eine Solarzelle oder ein Wasserkraftwerk sein — ein Ort, an dem es einen positiven und einen negativen Anschluss gibt und von wo aus Ladung von einem zum anderen fließen kann. Diese Art von elektrischer Ladung wird Spannung genannt, deren Potential in Volt gemessen wird.
Gerät im Stromkreis
Die zweite Komponente ist das Gerät. Es reagiert auf den Strom, der durch es fließt. Heutzutage kann ein Gerät an eine Steckdose angeschlossen und mit Strom versorgt werden. Die Schleife wird im Allgemeinen mit einem Stück leitendem Material geschlossen. Es ist normalerweise ein Draht, aber es gibt auch andere Arten von Materialien, die die Schleife schließen können. Beispielsweise befinden sich im Inneren des Fernsehgeräts verschiedene Metallstreifen, die auf einer Kunststoffoberfläche abgeschieden wurden, die das leitende Material oder in einigen Fällen sogar das Gehäuse eines Geräts sein kann, das Teil des geschlossenen Kreislaufs wird.
Widerstand des Stromkreises
Die dritte Komponente ist der Widerstand; jede Schaltung hat einen gewissen Widerstand gegen den Elektronenfluss. Elektronen kollidieren mit anderen Elektronen und Atomen, aus denen der Draht besteht, und wandeln so einen Teil ihrer Energie in Wärme um. Es ist einfach nicht möglich, Energie von einer Form in eine andere zu übertragen, ohne einen Teil dieser Energie als Wärme zu verlieren.
Erfahren Sie mehr über Elektromagnetismus.
Taschenlampe als Stromkreis
Die Taschenlampe ist ein einfaches Gerät, das alle drei Komponenten enthält. Die beiden Batterien in der Taschenlampe sind die Quelle.
Die Glühbirne am Ende der Taschenlampe ist das Gerät, in das der Strom fließt. Strom fließt durch ein sehr winziges Filament, das sich aufgrund des elektrischen Widerstands auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt. Infolgedessen leuchtet das Filament hell.
Die Schaltung wird schließlich durch einen Metallstreifen vervollständigt, der den Seitenlauf der Taschenlampe hinuntergeht. Es gibt auch eine Drahtspule an einem Ende der Taschenlampe und am anderen Ende befinden sich die Kontaktpunkte für die Batterie sowie der andere Drahtstreifen, die zusammen den Stromkreis vervollständigen.
Schalter, Sicherung und Leistungsschalter
Taschenlampen und die meisten anderen Elektrogeräte verfügen ebenfalls über einen Schalter. Ein Schalter ist lediglich eine Vorrichtung, die hilft, die Endlosschleife des leitenden Materials zu unterbrechen.
Wenn der Schalter geöffnet ist, fließt kein Strom, aber wenn der Schalter geschlossen ist, fließt ein Strom. Grundsätzlich funktionieren alle Schaltungen so. Selbst in dem Stromkreis, der an die Wand Ihres Zimmers angeschlossen ist, gibt es eine kontinuierliche Drahtschleife, die sich von Ihrem Haus bis zum Kraftwerk erstreckt.
Eine Sicherung oder ein Leistungsschalter wird verwendet, um größere Brände aufgrund von Überlastungen zu verhindern. Eine Sicherung brennt ab, wenn der Strom zu hoch wird.
Erfahren Sie mehr über den ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Arten von Stromkreisen
In Haushalten und anderen gängigen Geräten gibt es zwei Arten von Stromkreisen. nämlich Serienschaltungen und Parallelschaltungen.
Serienschaltungen – Serienschaltungen bestehen aus mehreren Geräten, die jeweils in einer einzigen großen Schleife nacheinander verbunden sind. Obwohl verschiedene Geräte unterschiedliche Spannungen haben, fließt der gleiche Strom durch jedes Gerät in der Serienschaltung.
Wenn eines der Geräte in einer Serienschaltung defekt ist, fällt die gesamte Schaltung aus. Zum Beispiel, wenn drei Glühbirnen in Reihe geschaltet sind, in nur einer Drahtschleife, die mit einer Batterie verbunden ist. Wenn eine Glühbirne abgeschraubt wird, fällt der gesamte Stromkreis aus.
Parallelschaltungen – In Parallelschaltungen sind verschiedene Geräte so angeordnet, dass eine einzige Quelle Spannung an getrennte Drahtschleifen liefert. Die Spannung in jedem Gerät über den Stromkreis ist genau gleich, aber im Allgemeinen werden verschiedene Geräte unterschiedliche Ströme sehen. In diesem Fall funktioniert jedes Gerät auch dann, wenn die anderen ausfallen.
Wenn zum Beispiel zwei Glühbirnen parallel geschaltet werden und eine abgeschraubt wird, funktioniert die andere. Moderne Weihnachtsbaumlichter werden in Parallelschaltungen ausgeführt, so dass selbst wenn ein einzelnes Licht ausbrennt, der gesamte Strang nicht weggeworfen werden muss.
Dies ist eine Abschrift aus der Videoserie The Joy of Science. Schau es dir jetzt an, auf Wondrium.
Systematisierung von Beziehungen zwischen elektrischen Schaltungen – Kirchhoffs Gesetze
Das systematisierte Verhalten von Schaltungen ist in der Elektrotechnik von immenser Bedeutung und wird durch Kirchhoffs Gesetze erklärt. Das erste Gesetz besagt: „Die von der Quelle erzeugte Energie entspricht der im Stromkreis verbrauchten Energie, einschließlich der Wärme, die durch Widerstand verloren geht.“
Das zweite Gesetz besagt: „Der Strom, der in einen beliebigen Übergang fließt, ist gleich der Summe der Ströme, die aus diesem Übergang fließen.“ Dies bedeutet, dass Strom Elektronen sind, die durch die Drähte fließen, und die Anzahl der Elektronen, die in einen Übergang fließen, entspricht der Anzahl der Elektronen, die aus diesem Übergang herausfließen.
Erfahren Sie mehr über Entropie.
Sind verschiedene Formen elektrischer Energie grundsätzlich gleich?
Michael Faraday machte sorgfältige systematische Erhebungen über all diese verschiedenen Arten von Elektrizität. Er konnte zeigen, dass all diese verschiedenen Formen von Elektrizität genau die gleiche Art von Phänomen erzeugten und aus der Bewegung von Elektronen resultierten.
Faraday kam zu dem Schluss, dass alle Energieformen Funken erzeugen, durch Drähte fließen und zur Arbeit gebracht werden können. Seine Forschung zeigte auch zum ersten Mal, dass die Elektrizität eines elektrischen Aals, die Elektrizität einer Batterie und die Elektrizität eines Blitzes ein und dasselbe Phänomen waren.
Elektrischer Strom und Leistung
Der Fluss oder die Bewegung von Elektronen durch den Stromkreis wird als elektrischer Strom bezeichnet. Der Strom wird in Ampere gemessen. Ein Ampere entspricht etwa 6 Milliarden Elektronen, die jede Sekunde einen Punkt in diesem Stromkreis passieren.
Ein weiterer wichtiger Begriff im Zusammenhang mit Elektrizität ist Macht. Leistung ist definiert als Arbeit geteilt durch Zeit. In einem Stromkreis entspricht die Leistung der aktuellen Spannung, gemessen in Watt. Je höher die Wattzahl, desto schneller verbraucht dieses Objekt Energie, sei es eine Glühbirne, ein Verstärker oder ein elektrisches Gerät.
Erfahren Sie mehr über Magnetismus und statische Elektrizität.
Häufige Fragen zu Beiträgen von Alessandro Volta und Erfindung der Batterie
Wenn Strom durch ein sehr winziges Filament fließt, erwärmt es sich aufgrund des elektrischen Widerstands auf eine sehr hohe Temperatur. Dadurch brennt das Filament hell und somit leuchtet die Glühbirne in der Taschenlampe.
Sicherungs- und Leistungsschalter sollen verhindern, dass elektrische Geräte durch Überlastung beschädigt werden. Während Sicherungen nach einer Überlast ausgetauscht werden müssen, müssen Leistungsschalter einfach zurückgesetzt werden.
Der Elektronenfluss durch einen Stromkreis wird als elektrischer Strom bezeichnet und in Ampere gemessen.
Die Weihnachtsbaumlichter der alten Zeiten waren eine Reihenschaltung, bei der, wenn eine Glühbirne nicht funktionierte, die gesamte Schaltung ausfallen würde. Moderne Weihnachtsbaumleuchten folgen jedoch dem Prinzip der Parallelschaltung