Ladung, Stromstärke und Spannung
Was fließt eigentlich, wenn Strom fließt? Und was ist der Unterschied zwischen 1,5 V und 230 V? Um das zu verstehen, braucht man drei Begriffe: elektrische Ladung, Stromstärke und Spannung.
Elektrische Ladung
Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen in der Hülle. Normalerweise gleichen sich die Ladungen aus. Reibt man aber einen Luftballon an den Haaren, gehen Elektronen über – der Ballon wird negativ, die Haare positiv geladen und ziehen sich an.
Merke
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Die Einheit der Ladung ist das Coulomb (C).
In Metallen gibt es freie Elektronen, die sich zwischen den Atomrümpfen bewegen können. Ein elektrischer Strom in einem Metalldraht ist nichts anderes als die gerichtete Bewegung dieser Elektronen.
Stromstärke I
I = Q / t Stromstärke = Ladung pro Zeit
Die Stromstärke gibt an, wie viel Ladung pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Ihre Einheit ist das Ampere (A), eine SI-Basiseinheit. 1 A = 1 C/s – das sind gut 6 Trillionen Elektronen pro Sekunde.
- Messen: mit dem Amperemeter, das in Reihe in den Stromkreis eingebaut wird – der Strom muss hindurchfließen.
- Typische Werte: LED 20 mA, Handy-Ladekabel 1–3 A, Wasserkocher etwa 9 A, Sicherung im Haus 16 A.
Technische und physikalische Stromrichtung
Als man den Strom entdeckte, kannte man die Elektronen noch nicht und legte fest: Strom fließt vom Plus- zum Minuspol (technische Stromrichtung). Tatsächlich bewegen sich die Elektronen vom Minus- zum Pluspol. In Schaltplänen wird bis heute die technische Richtung verwendet.
Spannung U
Damit Elektronen fließen, braucht es einen Antrieb. Die Batterie trennt Ladungen: Am Minuspol herrscht Elektronenüberschuss, am Pluspol Elektronenmangel. Dieser „Ladungsunterschied“ ist die Spannung, gemessen in Volt (V). Je größer die Spannung, desto mehr Energie bekommt jede Ladung mit auf den Weg.
- Messen: mit dem Voltmeter, das parallel zum Bauteil oder zur Quelle angeschlossen wird – wie ein Druckmesser vor und hinter einer Engstelle.
- Typische Werte: AA-Batterie 1,5 V, Handy-Akku 3,7 V, Autobatterie 12 V, Steckdose 230 V, Hochspannungsleitung bis 380 000 V.
Das Wassermodell
| Stromkreis | Wasserkreislauf |
|---|---|
| Batterie | Pumpe |
| Spannung | Druckunterschied der Pumpe |
| Stromstärke | Wassermenge, die pro Sekunde durch das Rohr fließt |
| Widerstand | Engstelle im Rohr |
| Lampe | Wasserrad, das angetrieben wird |
| Schalter | Ventil |
Das Modell zeigt gut: Das Wasser (die Ladung) wird nicht verbraucht, es fließt im Kreis. Die Pumpe liefert die Energie, das Wasserrad nutzt sie.
Typische Fehler
- Das Amperemeter parallel schalten: Weil es fast keinen Widerstand hat, entsteht ein Kurzschluss, und die Sicherung im Messgerät brennt durch.
- „Die Spannung fließt.“ Spannung fließt nicht – sie liegt an. Es fließt der Strom.
Teste Dich selbst
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