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Elektrische Ladung und Stromstärke messen

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Team Entdeckungsreise
Elektrische Ladung und Stromstärke messen
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Elektrische Ladung und Stromstärke messen

Der elektrische Strom ist heute nicht mehr wegzudenken und wird täglich von uns verbraucht. Wird er wirklich verbraucht? Diese Frage werde ich dir in diesem Video beantworten. Ein elektrischer Strom besteht aus Ladungen, diese fließen durch einen Leiter. Die Stärke dieses Stroms lässt sich mit einem Amperemeter messen. Dieses gibt die Stärke des Stroms in Ampere an. Egal wo du dieses Messgerät in einem unverzweigten Schaltkreis positionierst, wird es immer die selbe Stromstärke anzeigen. Der Strom wird daher nicht verbraucht. Zudem wird dir gezeigt was bei einem Kurzschluss passiert und wie Sicherungen und Sicherungsautomaten funktionieren.

Transkript Elektrische Ladung und Stromstärke messen

Themen dieses Films sind der Zusammenhang zwischen Ladung und Stromstärke und das Messen dieser physikalischen Größen. Im Alltag hört man immer wieder die Frage, wieviel Strom ein Kühlschrank eine Waschmaschine oder ein Fernseher verbraucht. So verständlich die Frage angesichts steigender Energiekosten auch ist, sie bleibt falsch gestellt. Denn Strom wird nicht verbraucht. Das zeigt schon der einfachste elektrische Versuchsaufbau: ein Stromkreis mit einer Stromquelle, einem Lämpchen und einem Schalter. Wird der Stromkreis über den Schalter geschlossen, leuchtet das Lämpchen. Jetzt setzten wir zwei weitere Lämpchen hintereinander in den Stromkreis ein. Alle leuchten, wenn auch weniger hell als das einzelne Lämpchen, da in jedem nun nur ein Drittel der Spannung anliegt. Würde Lämpchen 1 den Strom aber verbrauchen, dürfte für Lämpchen 2 und 3 gar kein Strom übrig bleiben. Aufschlussreich ist auch der Vergleich mit einem Wasserkreislauf. Hier zum Beispiel fließt das Wasser über ein Wasserrad, das dann mechanische Energie liefert. Je mehr Wasser fließt und je größer der Höhenunterschied zwischen den Wassertanks ist, umso mehr Energie kann über das Wasserrad entnommen werden. Ist das Wasser vollständig über das Wasserrad abgelaufen, ist es nicht verbraucht. Es muss nur Arbeit investiert werden, um es wieder in den oberen Tank zu bekommen. In unserem elektrischen Stromkreis entspricht der Wasserzufluss dem einen Pol der Stromquelle, die Wasserleitung dem stromleitenden Draht, das Wasserrad dem Lämpchen, das Ventil dem Schalter und der untere Wassertank mit Rückflusspumpe dem anderen Pol der Stromquelle. Die Höhendifferenz im Wasserkreislauf entspricht der elektrischen Spannung und der Wasserdurchfluss pro Sekunde der Stromstärke. Wie aber kann man die Stromstärke im elektrischen Stromkreis messen? Wir wissen, dass die Stromstärke sich aus der Menge an elektrischer Ladung ergibt, die pro Sekunde durch eine Stelle eines Leiters, man sagt „durch den Leiterquerschnitt“ fließt. Leider sind die Ladungen sehr klein. Und es sind sehr viele, einige Trillionen pro Sekunde. Da dies nur äußerst schwer zu zählen ist, geht man anders vor. So erhitzt sich ein stromdurchflossener Draht. Und je heißer er wird, desto mehr dehnt er sich aus. Lässt sich diese Ausdehnung messen, kann sie als Maß für die Stromstärke dienen. Auf dieser Basis können wir ein Stromstärkemessgerät bauen. Wir verbinden zwei Anschlüsse auf einer Holzplatte durch einen sehr dünnen Draht. Wird Strom durch den Draht geleitet, wird er heiß und dehnt sich aus. Um die Ausdehnung messen zu können, ziehen wir den Draht mit einer kleinen Feder mittig und senkrecht zu seiner eigenen Spannrichtung. An dieser Spannfeder können wir nun einen beweglichen Zeiger so befestigen, dass die Ausdehnung am anderen Ende des Zeigers vergrößert dargestellt wird. Solche Geräte wurden lange Zeit zur Messung der Stromstärke verwendet. Heute werden andere Wirkungen des elektrischen Stroms zur Messung der Stromstärke verwendet, meist durch Spannungsmessung an einem Messwiderstand. All diese Geräte sind Amperemeter oder Strommessgeräte. Mit ihrer Hilfe können wir überprüfen, wie sich der Strom in unserem Stromkreis verhält. Wir stellen fest: Die Stromstärke ist überall gleich, egal, ob vor oder hinter dem Lämpchen, ob vor oder hinter dem Schalter. Auch wenn wir je ein Strommessgerät vor und hinter das Lämpchen schalten, zeigen beide dieselbe Stromstärke an. Ein weiterer Beweis dafür, dass im Stromkreis kein Strom verbraucht wird. Anders sieht es aus, wenn wir den Stromkreis verzweigen und in beiden Zweigen verschieden starke Lämpchen einsetzen. Jetzt messen wir in den beiden Drähten unterschiedliche jeweils geringere Stromstärken als in dem einen Draht zuvor. Werden die beiden Stromstärken addiert, entspricht die Summe wieder der ursprünglich gemessenen Stromstärke im unverzweigten Stromkreis. Wiederum ist keine Ladung verloren gegangen. Die Ladungsteilchen haben nur unterschiedliche Wege genommen. Was passiert aber, wenn in einem der Zweige gar kein Lämpchen angeschlossen wird? Dann fließt der gesamte Strom durch diesen Zweig von einem Pol der Stromquelle zum anderen. Die Ladungen nehmen den Weg des geringsten Widerstandes. Das nennt man einen Kurzschluss. Darauf reagieren Stromquellen empfindlich. Denn sie sind dafür gebaut, nur Strom einer begrenzten Stärke zu liefern. Nimmt der Strom den direkten Weg, steigt die Stromstärke blitzschnell an. Derartige Kurzschlüsse können großen Schaden anrichten. Kabel können schmelzen und sogar Brände verursacht werden. Dasselbe kann passieren, wenn Geräte mit großem Energiebedarf in Stromkreisen betrieben werden, die dafür nicht ausgelegt sind, zum Beispiel, weil die Drähte zu dünn für die anfallenden Stromstärken sind. Um dem vorzubeugen, werden in gefährdete Stromkreise Sollbruchstellen eingebaut in Form einer Sicherung. Das ist ein Bauteil, das fast keine Energie verbraucht und sofort kaputt gehen soll, wenn ein Kurzschluss eintritt oder zu hohe Leistungen anfallen. In beiden Fällen steigt die Stromstärke im Stromkreis an. Eine einfache Sicherung besteht nun darin, in den Stromkreis einen dünnen Draht zu schalten, dessen Dicke so berechnet ist, dass er durchbrennt, bevor es gefährlich für die anderen Bauteile wird. Tatsächlich werden viele elektrische Geräte durch solche Schmelzdrahtsicherungen geschützt, zum Beispiel die Autoelektrik, die durch Feuchtigkeit und permanente mechanische Beanspruchung besonders kurzschluss gefährdet ist. Auch im Haushalt sind Steckdosen, Leitungen und Energieverbraucher durch Sicherungen geschützt. Hier kommen aber meist Sicherungsautomaten zum Einsatz, die für eine Stromstärke von 16 Ampere ausgelegt sind. Bei einem Kurzschluss oder wenn ein Strom mit einer Stärke von über 16 Ampere durch eine Leitung fließt, trennt die Sicherung diese Leitung von der Stromquelle, um größere Schäden zu vermeiden.

11 Kommentare

11 Kommentare
  1. Hallo Estau, danke für den Hinweis. Die Stromrichtung wird nun mal über die technische Stromrichtung definiert.
    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Albrecht K., vor 6 Monaten
  2. Leider wird auch hier die technische Stromrichtung verwendet und nicht die physikalische! Die fließenden Teilchen sind nun mal Elektronen und die fließen vom Minuspol zum Pluspol! Schade! Sonst ist das Video sehr gut!

    Von Estau, vor 6 Monaten
  3. man denkt am anfanf jzt kommt geiler film aber dann...

    Von Roman L., vor 8 Monaten
  4. ganz gut!!!!!!!!!!!!!

    Von Vdomeier, vor 9 Monaten
  5. XDDD Wenzel haha

    Von S Graue, vor mehr als einem Jahr
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Elektrische Ladung und Stromstärke messen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrische Ladung und Stromstärke messen kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die fehlenden Stromstärken an, wenn im unverzweigten Stromkreis $12\ \text{A}$ fließt.

    Tipps

    Im Stromkreis wird kein Strom verbraucht.

    Die Stromstärke verteilt sich auf die beiden Zweige.

    Lösung

    Im linken Stromkreis ist die Stromstärke überall gleich. Es ist daher egal, ob vor oder hinter dem Lämpchen oder vor oder hinter dem Schalter gemessen wird. Das Strommessgerät zeigt also vor und hinter dem Lämpchen die gleiche Stromstärke an, hier $12\ \text{A}$.

    Wir sehen also, dass im Stromkreis kein Strom verbraucht wird.

    Anders sieht es im rechten Stromkreis aus. Wir verzweigen den Stromkreis und in beiden Zweigen setzen wir verschieden starke Lämpchen ein. Jetzt messen wir in den beiden Drähten unterschiedliche, jeweils geringere, Stromstärken als in dem einen Draht zuvor. Werden die beiden Stromstärken addiert, entspricht die Summe wieder der ursprünglich gemessenen Stromstärke im unverzweigten Stromkreis, nämlich $12\ \text{A}$. Da in dem einen Zweig $8\ \text{A}$ fließt, muss in dem anderen Zweig $4\ \text{A}$ fließen, denn $8\ \text{A}+4\ \text{A}=12\ \text{A}$.

  • Gib den Vergleich zwischen einem Wasserkreislauf und einem elektrischen Stromkreis wieder.

    Tipps

    Mit dem Ventil wird das Durchlassen des Wassers gesteuert.

    Die Stromstärke gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließen.

    Je mehr Wasser fließt und je größer der Höhenunterschied zwischen den Wassertanks ist, desto mehr Energie wird über das Wasserrad entnommen.

    Lösung

    Unseren elektrischen Stromkreis mit einem Schalter, einer Stromquelle und einem Lämpchen können wir wie folgt mit dem Wasserkreislauf vergleichen:

    Der Wasserzufluss entspricht dem einen Pol der Stromquelle, die Wasserleitung dem stromleitenden Draht, das Wasserrad dem Lämpchen, das Ventil dem Schalter und der untere Wassertank mit Rückflusspumpe dem anderen Pol der Stromquelle. Die Höhendifferenz im Wasserkreislauf entspricht der elektrischen Spannung und der Wasserdurchfluss pro Sekunde der Stromstärke.

  • Bestimme die elektrische Stromstärke.

    Tipps

    In einem Stromkreis bleibt die Gesamtstromstärke konstant. Auch wenn er sich unterteilt.

    $3\ \text{A}$ entsprechen $3000\ \text{mA}$.

    Lösung

    Solange ein Stromkreis nicht verzweigt wird, fließt durch jeden Teil des Kreises die gleiche Stromstärke. Teilt der Stromkreis sich jedoch an einer Stelle auf, dann teilt sich auch der Stromfluss auf die zwei verschiedenen Zweige auf, wie hier zwischen dem Toaster und der Glühbirne bzw. den beiden Glühbirnen bei der nächsten Verzweigung. Die Gesamtstromstärke bleibt dabei aber konstant und entspricht der Stromstärke vor der Verzweigung.

    Dies gilt auch, wenn man einen Stromkreis in drei oder mehrere parallele Schaltungen unterteilt.

    Bei der Angabe der Stromstärken müssen wir auf die Einheit Milliampere achten. $3\ \text{A}$ entsprechen $3000\ \text{mA}$. Bei der ersten Verzweigung teilt sich die Stromstärke in $400\ \text{mA}$ und $3000\ \text{mA}-400\ \text{mA}=2600\ \text{mA}$ auf. In der nächsten Verzweigung teilt sich $400\ \text{mA}$ in $300\ \text{mA}$ und $400\ \text{mA}-300\ \text{mA}=100\ \text{mA}$ auf.

  • Entscheide, wann ein Kurzschluss vorliegt.

    Tipps

    Die Ladungen nehmen den Weg des geringsten Widerstandes.

    Wenn der elektrische Strom von einem Pol der elektrischen Quelle direkt zum anderen fließt, spricht man von einem Kurzschluss.

    Lösung

    Der elektrische Strom wählt immer den Weg des geringsten Widerstandes. Das bedeutet, dass er in einem Stromkreis, in dem er die Möglichkeit hat, von einem Pol der Stromquelle zum anderen zu fließen, ohne dabei ein Gerät zu versorgen, so wird er immer diesen Weg nehmen. Man spricht dann von einem Kurzschluss.

    Einen Kurzschluss haben wir in unserer Schaltung genau dann, wenn Schalter 1 geschlossen ist, also für die folgenden beiden Fälle:

    • Beide Schalter sind geschlossen.
    • Schalter 1 ist geschlossen und Schalter 2 offen.
  • Nenne die Möglichkeiten, elektrischen Strom zu messen.

    Tipps

    Durch einen Stromdurchflossenen Leiter fließen pro Sekunde einige Trillionen Elektronen.

    Lösung

    Die Stromstärke lässt sich am besten durch die Wirkungen des elektrischen Stroms messen. Lange Zeit wurde zum Beispiel die Ausdehnung eines elektrischen Leiters genutzt, heute verwendet man meistens jedoch Messwiderstände mit einem bekannten elektrischen Widerstand. Misst man nun die Spannung, dann kann man mit dem Ohmschen Gesetz die Stromstärke ausrechnen.

  • Erschließe alle Glühbirnen, die leuchten.

    Tipps

    Ein elektrischer Widerstand schützt elektrische Bauteile beispielsweise vor einer zu hohen elektrischen Stromstärke.

    Wenn der Strom den Weg des geringsten Widerstandes wählt, kann er am Bauteil vorbeifließen und so ein Bauteil von der Stromversorgung abschneiden.

    Lösung

    Wenn der Strom den Weg des geringsten Widerstandes wählt, kann er am Bauteil vorbeifließen und so ein Bauteil von der Stromversorgung abschneiden. In unserem Beispiel werden die grüne und die gelbe Lampe von der Stromversorgung abgeschnitten. Bei der hellblauen Lampe verzweigt sich der Stromkreis zwar auch, hier sorgt der Widerstand aber dafür, dass der Strom nicht nur durch die untere Verbindung fließt, sondern sich zwischen beiden Wegen aufteilt.

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