Spannung und Stromstärke messen
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Grundlagen zum Thema Spannung und Stromstärke messen
Spannung und Stromstärke messen – Erklärung
Die Stromstärke gibt die Menge an elektrischer Ladung an, die pro Sekunde durch eine definierte Fläche eines Leiters, den sogenannten Leiterquerschnitt, fließt. Die Stromstärke ist also die Ladung pro Zeit und besitzt das Formelzeichen $I$. Die Formel zur Berechnung der Stromstärke lautet:
$I = \dfrac{\Delta Q}{\Delta t}$
Hierbei ist $\Delta Q$ das Ladungs- und $\Delta t$ das betrachtete Zeitintervall. Die Stromstärke hat die Einheit Ampere $\pu{A}$.
Im folgenden Text wird die Messung von Spannung und Stromstärke auf einfache Weise erklärt.
Spannung und Stromstärke messen – Mechanismen
Die Stromstärke wird nicht durch das Abzählen der Ladungen gemessen, kann aber über eine der Wirkungen des Stroms bestimmt werden. Es kann beispielsweise die Lichtwirkung, die Wärmedehnung oder die magnetische Auslenkung eines Drehspulinstruments betrachtet werden, die allesamt durch den Stromfluss hervorgerufen werden können.
Die Spannung kann über die elektrostatische Abstoßung von Ladungen bestimmt werden. Dafür verwendet man ein Elektroskop.
Eine praktische Möglichkeit bietet das digitale Multimeter, mit dem sowohl Stromstärken als auch Spannungen in einem Stromkreis gemessen werden können.
Spannung und Stromstärke messen – Multimeter
Zum Messen von Spannung und Stromstärke werden sogenannte Multimeter verwendet. Ein Multimeter kann so geschaltet und eingestellt werden, dass es entweder die Spannung oder die Stromstärke misst. Mittlerweile gibt es verschiedene Ausführungen dieser Geräte, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen und zusätzlich noch andere physikalische Größen messen können.
Ein einfache Messmethode basiert darauf, dass sich Drähte erwärmen, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Der Draht wird umso heißer, je mehr Strom ihn durchfließt. Infolgedessen dehnt er sich aus. Lässt sich diese Ausdehnung messen, so kann sie als Maß für die Stromstärke dienen. Es kann ein Zeiger so mit dem Draht verbunden werden, dass er sich bewegt, sobald sich der Draht ausdehnt und auf einer Skala anzeigt, wie groß die Stromstärke ist.
Bei modernen Geräten werden häufig andere Wirkungen des elektrischen Stroms genutzt, um die Stromstärke zu messen. Meist wird dabei die Spannung an einem Messwiderstand gemessen.
Ein Gerät, dass nur die Stromstärke messen kann oder so eingestellt wurde, nennt man Amperemeter. In Schaltkreisen wird das Amperemeter mit einem $\pu{A}$ in einem Kreis dargestellt.
Ein Gerät, dass nur die Spannung messen kann oder so eingestellt wurde, nennt man Voltmeter. In Schaltkreisen wird das Voltmeter mit einem $\pu{V}$ in einem Kreis dargestellt.
Man unterscheidet bei Amperemetern und Voltmetern zwischen analogen und digitalen Messgeräten. Bei analogen Messgeräten zeigt ein Zeiger auf einer Skala die Stromstärke oder die Spannung an. Bei digitalen Messgeräten gibt es ein Display, das die gemessenen Werte anzeigt.
Stromstärke messen – Beispiel
Um ein Amperemeter in einen Stromkreis einzubauen und die Stromstärke zu messen, müssen folgende Schritte beachtet werden:
- Zunächst muss man beim Messgerät die Stromart wählen, also Gleichstrom oder Wechselstrom, die im Stromkreis vorliegt.
- Um das Gerät vor Schäden zu schützen, muss der Messbereich des Messgeräts auf die größte Stufe gestellt werden.
- Nun kann das Messgerät in Reihe (Reihenschaltung) zum Verbraucher in den Stromkreis geschaltet werden, damit der gesamte Strom durch das Gerät fließt und gemessen werden kann.
- Um Messfehler zu minimieren, kann der Messbereich nun langsam heruntergestellt werden, bis der Messwert möglichst im letzten Drittel der Skala abgelesen werden kann.
Die abgelesene Stromstärke ist gleich, egal ob das Messgerät vor oder hinter den Verbraucher (zum Beispiel ein Lämpchen) geschalten wird. Auch vor und hinter einem Schalter ist die Stromstärke gleich.
Die Stromstärke in verzweigten Stromkreisen (Parallelschaltung) verhält sich etwas anders. Dort ist sie in den einzelnen Verzweigungen kleiner als im unverzweigten Bereich. Addiert man jedoch die Stromstärke der einzelnen Zweige, so ergibt sich die Stromstärke des unverzweigten Teils. In dem folgenden Stromkreis ist die Stromstärke in einem Zweig $4\,\pu{A}$ und im anderen $8\,\pu{A}$. Die Stromstärke im unverzweigten Bereich beträgt $12\,\pu{A}$. Das können wir unter anderem durch Addition der Stromstärken in den einzelnen Zweigen herausfinden.
Ist nun in einer der Verzweigungen kein Verbraucher angeschlossen, so fließt der gesamte Strom durch diesen Zweig. Die Ladungsteilchen wählen den Weg des geringsten Widerstands. Eine solche Situation wird Kurzschluss genannt.
Spannung messen – Beispiel
Um ein Voltmeter in einen Stromkreis einzubauen und die Spannung zu messen, müssen folgende Schritte beachtet werden:
- Zunächst muss man beim Messgerät die Spannungsart wählen, also Gleichspannung oder Wechselspannung, die im Stromkreis vorliegt.
- Um das Gerät vor Schäden zu schützen, muss der Messbereich des Messgeräts auf die größte Stufe gestellt werden.
- Nun kann das Messgerät parallel (Parallelschaltung) zum Verbraucher in den Stromkreis geschaltet werden, damit die gesamte Spannung am Gerät anliegt und gemessen werden kann.
- Um Messfehler zu minimieren, kann der Messbereich nun langsam heruntergestellt werden, bis der Messwert möglichst im letzten Drittel der Skala abgelesen werden kann.
Die abgelesene Spannung ist in verzweigten Stromkreisen (Parallelschaltung) auf jedem Zweig gleich, also an jedem Lämpchen und der Quelle.
Anders verhält es sich bei einer Reihenschaltung. Dort ist sie an jedem Element im Stromkreis unterschiedlich groß. Addiert man jedoch die Teilspannungen, so ergibt sich die Gesamtspannung der elektrischen Quelle.
Spannung und Stromstärke messen – Zusammenfassung
Die folgenden Stichpunkte fassen noch einmal die wichtigsten Informationen zum Thema Spannung und Stromstärke messen zusammen:
- Die Stromstärke wird in Ampere $(\pu{A})$ angegeben.
- Messgeräte zum Messen der Stromstärke werden Amperemeter genannt.
- Diese Messgeräte müssen immer in Reihe geschaltet werden, um die Stromstärke an einer bestimmten Stelle im Stromkreis zu messen.
- Die Spannung wird in Volt $(\pu{V})$ angegeben.
- Messgeräte zum Messen der Spannung werden Voltmeter genannt.
- Diese Messgeräte müssen immer parallel geschaltet werden, um die Spannung an einem bestimmten Element im Stromkreis zu messen.
Zusätzlich zum Text und dem Video findest du auch hier Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Spannung und Stromstärke messen.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Stromstärke messen
Transkript Spannung und Stromstärke messen
Elektrizität ist unglaublich vielseitig!
Vom kleinen Smartphone, übers Elektroauto, bis zum Rockkonzert lässt sich alles Mögliche damit betreiben.
Aber wie behält man bei so vielen verschiedenen Spannungen und Stromstärken den Überblick?
Schließlich soll uns ja nichts durchbrennen. Darum ist es wichtig, „Spannung und Stromstärke messen“ zu können.
Wie das geht, erfährst du in diesem Video.
Kurz zur Wiederholung:
Eine elektrische Spannung entsteht, wenn Ladungsträger voneinander getrennt werden.
Fließen die Ladungen dann über einen Stromkreis wieder zusammen, wie diese „Elektronen“ hier, nennt man das Strom.
Die „elektrische Energie“, die dabei über die Ladungsträger transportiert wird, kann von einem „Verbraucher“ genutzt werden.
Das kann alles Mögliche sein, aber korrekterweise sprechen wir besser von einem „Energiewandler“, denn die elektrische Energie wird nicht verbraucht, sondern umgewandelt.
Es gilt: Je mehr Energie in der Ladungstrennung steckt, die in der „Spannungsquelle“ stattfindet, desto größer ist die Spannung „U“.
Und je mehr Ladungen im Stromkreis fließen, desto größer ist die Stromstärke „I“.
Wie würdest du das jetzt ausmessen? Einfach die Ladungen zählen, oder?
Ja, in unserer Skizze sieht das easy aus, aber in der Realität befinden sich schon in so einem einfachen Stromkreis unglaublich viele Ladungsträger.
In jedem Kubikmillimeter Draht fließen ungefähr „zehn hoch vierundzwanzig“ Elektronen.
Das ist eine Quadrillion – über fünfzig mal mehr als die Anzahl aller Sterne im Universum!
Sowas können wir nicht einfach so abzählen.
Man misst deshalb Spannung und Stromstärke anhand der Wirkungen, die sie hervorrufen können – über die Helligkeit des Lichts unserer Testlampe zum Beispiel.
Oder über die Ausdehnung eines stromdurchflossenen Drahtes.
Diese wird durch die Wärmewirkung des Stroms hervorgerufen und kann über eine Feder einen Zeiger bewegen.
Auch die magnetische Wirkung des Stroms kann, mit Hilfe eines „Drehspulinstruments“, in eine Zeigerbewegung übersetzt werden.
Je stärker der Ausschlag, desto größer die Stromstärke.
Ein „Elektroskop“ hingegen lässt auf die Größe der Spannung schließen:
Wenn das Gerät über einen Kontakt aufgeladen wird, schlägt der Zeiger aufgrund der elektrostatischen Abstoßung gleichnamiger Ladungen umso stärker aus, je größer die Spannung am Kontakt war.
Bei all diesen Methoden braucht es aber Vergleichswerte, um den Zeigerbewegungen konkrete Werte in „Ampere“ oder „Volt“ zuordnen zu können.
Eleganter und einfacher läuft das Messen mit einem „digitalen Multimeter“.
Das kann in jeden Stromkreis eingebunden werden und wahlweise als „Amperemeter“, also Strommessgerät, oder „Voltmeter“, also Spannungsmessgerät, dienen – je nachdem, wie es angeschlossen und eingestellt ist.
Die Schaltungen und der Messwiderstand im Multimeter verarbeiten das Signal der elektrischen Ladungen so, dass je nach Bedarf die Stromstärke in „Ampere“, oder die Spannung in „Volt“ angezeigt wird.
Um die Stromstärke in einem unverzweigten Stromkreis zu bestimmen, trennst du den Stromkreis an einer beliebigen Stelle auf und bindest dort das Multimeter sozusagen als Teil des Stromkreises ein.
Zur Strom-Messung wird das Multimeter also „in Reihe geschaltet“.
Dabei ist es egal, ob das Multimeter vor oder nach dem Verbraucher platziert ist, denn überall ist die Stromstärke gleich groß.
Aber du solltest ein Auge auf den „Messbereich“ haben.
Zum einen muss das Multimeter auf „Gleichstrom“ im „Amperemeter“-Modus eingestellt sein, zum anderen solltest du zuerst immer den gröbsten Messbereich auswählen, hier zum Beispiel „zweihundert Milli-Ampere“, also null-Komma-zwei Ampere.
Wenn die Anzeige nichts oder nur sehr wenig anzeigt, kannst du zum nächstkleineren Messbereich wechseln.
So können am Ende auch „Mikroampere“, also millionstel Ampere, gemessen werden, ohne den Messwiderstand zu überfordern.
Bei einem verzweigten Stromkreis wird allerdings immer nur die Stromstärke desjenigen Zweiges gemessen, auf dem sich das Multimeter befindet.
Verzweigung spielt auch bei der Spannungs-Messung eine große Rolle, denn hier wird das Multimeter nicht in den Stromkreis eingereiht, sondern als Verzweigung über das jeweilige Element gesetzt, an dem die Spannung gemessen werden soll – also „Parallel geschaltet“.
Denn bei mehreren Elementen in Reihe unterscheiden sich die Spannungen an den einzelnen Verbrauchern und der Quelle.
Der „Voltmeter“-Modus ist in unserem Multimeter auf verschiedene Bereiche für Gleichspannung oder Wechselspannung aufgeteilt.
Wir wählen „Gleichspannung“ und fangen wieder mit dem gröbsten Messbereich an – das sind hier zweihundert Volt.
Zur Unterscheidung wird ein Spannungsmesser im Schaltbild mit einem „V für Voltmeter“ gekennzeichnet, und ein Strommesser mit einem „A für Amperemeter“ – auch wenn es sich um ein und dasselbe Multimeter handelt.
Sollte dein Multimeter mal irgendetwas Seltsames anzeigen, hast du wahrscheinlich den Messbereich falsch eingestellt oder das Ding falschherum angeschlossen.
Das ist aber nicht so schlimm, denn da lässt sich ja was drehen.
Achte aber immer darauf, dass die Spannungsquelle ausgeschaltet ist, bevor du etwas umsteckst.
Fassen wir zusammen:
Elektrische Spannungen und Stromstärken können mit einem „digitalen Multimeter“ gemessen werden.
Wird es „in Reihe“ in den Stromkreis eingebunden, kann es als „Amperemeter“ die Stromstärke in diesem Zweig des Stromkreises in Ampere in angeben.
„Parallel geschaltet“ kann es als „Voltmeter“ die Spannung an einem Element des Stromkreises in Volt angeben, wenn der Messbereich passend eingestellt ist.
Mit der richtigen Dosis Elektrizität lässt sich dann so einiges anfangen!
Nur der Zauber eines romantischen Kaminfeuers bleibt auch für das mächtige Multimeter unermesslich.
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