Kapitel zum elektrischen Stromkreis - Sinus

Kein Strom -
da läuft fast nichts mehr
Als Susanne gegen Morgen aufwacht, ist es sehr
kühl in ihrem Zimmer. Etwas Außergewöhnliches
muss passiert sein. Wie dunkel ihr Zimmer ist! Sie
will die Nachttischlampe anknipsen. Vergeblich.
Die Deckenleuchte? Alles stockfinster. Hinaus auf
den Flur. Aber das Flurlicht lässt sich auch nicht
einschalten. Die Eltern sind schon aufgestanden
und haben in der Küche einige Kerzen angezündet.
Mittlerweile ist es Zeit, sich auf den Schulweg zu
machen. Treppenhausbeleuchtung und Aufzug
sind ausgefallen. Susanne fährt mit dem Fahrrad
zur Schule, die Fahrradbeleuchtung funktioniert.
Aber ein bischen unheimlich ist es schon, durch
die dunkle Stadt zu fahren. An den Kreuzungen
regeln Verkehrspolizisten den Verkehr. Der Unterricht
beginnt heute ohne Schulglocke. Niemand
achtet darauf, denn es gibt viel zu erzählen.
Diese Geschichte könnte so oder so ähnlich jederzeit
passieren, auch wo du wohnst. Die Nutzung
der Elektrizität ist heute so umfassend, dass wir
uns kaum mehr bewusst sind, wie abhängig wir
von einer störungsfreien Versorgung mit Elektrizität
sind.
Auch außerhalb deiner näheren Umgebung spielen
elektrische Geräte eine nicht mehr wegzudenkende
Rolle: in der Landwirtschaft (z. B. elektrische
Melkmaschinen), im Umweltschutz (z. B.
elektrische Entstaubungsanlagen), in der Medizin
(z. B. Herz-Lungen-Maschine), bei der Herstellung
von Gütern (fast alle Maschinen, die
„Eigentlich ganz gemütlich,
so ein Frühstück bei Kerzenschein,
wärmt sogar ein bischen!"
„Was ist nur los? Warum haben
wir denn keinen Strom?"
Ich habe eben die Stadtwerke
angerufen, der ganze Stadtteil
hat keinen Strom."
„Tut es auch, aber es hat
eine andere Stromversorgung
„Ich dachte immer, das Telefon
geht auch mit Strom!?"
„In der Küche läuft heute
morgen nichts mehr!"
„Wenn das noch lange
dauert, taut
uns noch die
Tiefkühltruhe auf]
„Doch, die Uhr an der Wand läuft
noch, die hat eine Batterie."
„Nur nicht nervös werden, die
ist gut wärmeisoliert, bis zu
24 Stunden hält die durch."
Transistorradio mit Batteriebetrieb: „In den frühen
Morgenstunden ist die Elektrizitätsversorgung zusammengebrochen.
Wie ein Sprecher der Rheinisch-Westfälischen
Elektrizitätswerke erklärte,
ist ein defekter Transformator in einem Umspannwerk
die Ursache für den Stromausfall. Man hofft,
den Schaden noch vor Mittag beheben zu können.
Wegen des Totalausfalls der Verkehrsampeln in
der Innenstadt wird die Bevölkerung gebeten, öffentliche
Verkehrsmittel zu benutzen."
Wie ist es denn in Krankenhäusern,
z. B. auf den Intensivstationen?"
Für solche Notfälle ist
vorgesorgt. Dort springen
innerhalb von wenigen Sekunden
Notstromaggregate an."
„Warum ist denn
die Heizung
kalt, wir heizen
Das schon, aber die Ölpumpe und die
doch
Zündung
mit Öl?"
des Ölbrenners
arbeiten elektrisch."

etwas bewegen, erhitzen, verronnen, kontrollieren
oder verpacken, gehen elektrisch), im
Verwaltungswesen (z. B. elektronische Datenverarbeitung),
im Büro (z. . elektrische Schreibmaschine)
und bei der Verarbeitung von Informationen
(z. B. Computer) oder der Übermittlung
von Informationen (z. B. Nachrichtensatelliten).
Auch dieses Buch hätte ohne Elektrizität nicht
geschrieben und nicht gedruckt werden können.
Aufgaben
1. Schreibe auf, welche elektrischen Geräte in
deiner Umgebung benutzt werden (Wohnung,
Straße, Schule, Arztpraxis).
Welche Aufgaben erfüllen diese Geräte?
Welche dieser Aufgaben könnten auch anders
als mit Elektrizität erfüllt werden?
2. Schreibe auf, was sich an deinem Tagesablauf
ändern würde, wenn für einen Tag der elektrische
Strom ausfiele.

Vom Anschließen
elektrischer Geräte
Damit elektrische Geräte ihren Zweck erfüllen,
müssen sie an eine geeignete Stromquelle angeschlossen
werden. Das Glühlämpchen einer Taschenlampe
wird z. B an eine Batterie angeschlossen,
das Rücklicht der Fahrradbeleuchtung an einen
Fahrrad-Dynamo, eine Glühlampe oder ein
elektrischer Mixer an eine Steckdose.
Du kannst selbst herausfinden, welche Regeln
dabei beachtet werden müssen. Eine Steckdose
wäre zu gefährlich, deshalb sollst du die Versuche
mit einer Flachbatterie durchführen. Überzeuge
dich von ihrer Ungefährlichkeit, indem du
die beiden Pole der Batterie (das sind die beiden
Metallzungen) mit deinen Händen anfaßt. Du
wirst absolut nichts spüren. Wenn du beide Pole
mit deiner Zunge berührst, spürst du ein leichtes
Kribbeln. Auch das ist ungefährlich. Eine Flachbatterie,
ein Glühlämpchen und eine dazu passende
Lampenfassung bekommst du im Elektrohandel
oder im Warenhaus für wenig Geld. Außerdem
brauchst du noch etwas blanken, etwa einen
Millimeter dicken Draht aus Kupfer oder Eisen.
Regel 1: Auf die Voltzahl achten
Auf der Flachbatterie findest du den Aufdruck
4,5 Volt oder 4,5V und auf dem Sockel des Glühlämpchens
vielleicht 3,8 V. Das ist die Voltzahl.
Damit ein elektrisches Gerät richtig funktioniert,
müssen die Voltzahlen des Geräts und der Stromquelle
ungefähr übereinstimmen. Schau einmal
auf einer Glühlampe oder einem elektrischen
Haushaltsgerät nach. Wahrscheinlich findest du
als Voltzahl 220-235. Das passt zur Voltzahl der
Steckdose (230), aber überhaupt nicht zur Voltzahl
einer Flachbatterie (4,5). Es ist deshalb nicht
möglich, eine Glühlampe mit einer Flachbatterie
zum Leuchten zu bringen. Andererseits lässt sich
auch ein Glühlämpchen nicht an die Steckdose
anschließen. Es würde sofort zerstört werden.
Und außerdem: Versuche mit der Steckdose sind
lebensgefährlich.
Bild 1: Wenn der Fußpunkt mit dem einen Pol
und das Gewinde mit dem anderen Pol Kontakt
hat, leuchtet das Lämpchen.
Bild 2: Du brauchst zwei Leitungen, um die
beiden Anschlussstellen des Lämpchens mit den
beiden Polen der Batterie zu verbinden. Bei einer
Unterbrechung erlischt das Lämpchen.
Regel 2: Zwei Verbindungen herstellen
Versuch 1: Versuche das Glühlämpchen zum
Leuchten zu bringen, indem du es unmittelbar
gegen die beiden Pole der Batterie hältst.
Wenn du es wie in Bild 1 machst, wird dir das
leicht gelingen. Es kommt offenbar darauf an,
dass der Fußpunkt des Glühlämpchens den einen
Pol, das Gewinde den anderen berührt. Wenn das
Glühlämpchen entfernt von der Batterie zum
Leuchten gebracht werden soll, so muss zwischen
beiden eine Leitung für den elektrischen Strom
hergestellt werden.
Versuch 2: Bringe das Glühlämpchen zum Leuchten,
indem du mit zwei Drähten aus Metall zwei
Verbindungen zur Batterie herstellst.
Bild 3: Wenn sich die beiden (blanken) Leitungen
berühren oder von einem Gegenstand aus Metall
überbrückt werden, liegt ein Kurzschluss vor, und
das Lämpchen erlischt.
Wenn die beiden Pole der Batterie mit den beiden
Anschlussstellen des Glühlämpchens (Fußpunkt
und Gewinde) verbunden sind, leuchtet es
(Bild 2). Sobald eine der beiden Leitungen unterbrochen
ist, erlischt das Lämpchen.

Regel 3: Kurzschluss vermeiden
Versuch 3: Bequemer kannst du das Glühlämpchen
zum Leuchten bringen, wenn du es in
eine passende Fassung schraubst. Dann kannst
du die beiden Leitungen zur Batterie mit einem
Schraubenzieher unter die beiden Schrauben
klemmen. Was passiert, wenn du wie in Bild 3 die
beiden Leitungen mit einem Gegenstand aus Metall
für kurze Zeit überbrückst?
Sobald du diese Querverbindung hergestellt hast,
erlischt das Lämpchen. Man sagt auch, dass die
Batterie kurzgeschlossen ist. Bei einem Kurzschluss wird die Batterie warm und schnell unbrauchbar.
Ein Kurzschluss liegt auch vor, wenn
sich die beiden blanken Leitungsdrähte berühren.
Die Voltzahl der Stromquelle und die Voltzahl
des elektrischen Geräts müssen ungefähr übereinstimmen.
Man braucht stets zwei durchgehende Verbindungen
zwischen den Anschlussstellen des
elektrischen Geräts und den Polen der Stromquelle.
Diese Verbindungen müssen den Strom leiten
und sind deshalb aus Metall (Drähte, Bleche
oder Rohre).
Diese Verbindungen dürfen sich nicht berühren
oder von einem Gegenstand aus Metall
überbrückt werden, damit kein Kurzschluss entsteht.
Verallgemeinerung
Was du bisher gelernt hast, lässt sich verallgemeinern.
Auch andere Stromquellen (Fahrraddynamo,
Steckdose) haben zwei Pole, und alle elektrischen
Geräte haben zwei Anschlussstellen. Wenn
sie richtig angeschlossen werden sollen, musst du
folgende Regeln beachten:
Aufgaben
1. Schau dir Bild 4 an. Wo sind hier die beiden
Verbindungen zwischen den Polen des Fahrraddynamos
und dem Scheinwerferlämpchen
bzw. dem Rücklicht? Denke daran, daß die
Verbindungen zwar aus Metall, aber nicht unbedingt
aus Draht sein müssen!
2. Schreibe auf, aus welchen Gründen eine Fahrradbeleuchtung
defekt sein kann. Benutze die
obigen Regeln als Checkliste.
Bild 4: Wo sind hier die beiden Leitungen zwischen Stromquelle (Dynamo) und Elektrogerät
(Scheinwerfer bzw. Rücklicht)?

Wege für den Strom
Du weißt schon, dass Metalle den elektrischen
Strom leiten. Wie gut andere Stoffe den Strom leiten,
kannst du nun genauer untersuchen.
Versuch 1: Nimm zwei einfache Löffel aus Metall
und baue damit die Schaltung von Bild 1 auf. Suche
dir Gegenstände aus unterschiedlichem Material
zusammen und überbrücke damit die Lücke
zwischen den beiden Löffeln. Was beobachtest
du?
Bild 1: So kannst du
herausfinden, was den
elektrischen Strom leitet.
Wie erwartet, leuchtet das Lämpchen, wenn du
die Lücke mit einem Metallgegenstand schließt.
Bei Graphit (Bleistiftmine) wirst du gemerkt haben,
dass das Lämpchen weniger hell leuchtet.
Graphit leitet den Strom nämlich schlechter als
Metalle. Auch bei den Metallen gibt es Unterschiede
in der Leitfähigkeit. Trotzdem werden
alle diese Stoffe Leiter genannt. Bei Kunststoffen,
Porzellan, Gummi, Glas oder Holz bleibt das
Lämpchen dunkel. Diese Stoffe behindern das
Fließen des elektrischen Stromes fast vollständig.
Obwohl es auch da Unterschiede in der Leitfähigkeit
gibt, nennt man sie alle Nichtleiter oder
Isolatoren.
Weil Kupfer den elektrischen Strom besonders
gut leitet, werden elektrische Leitungen bevorzugt
aus Kupfer hergestellt. Sie sind meistens mit
einer Schutzschicht aus Kunststoff überzogen,
also mit einem Material, das den elektrischen
Strom nicht leitet. Man sagt auch, die Leitungen
sind isoliert. Isolierte Leitungen kann man zu einem
Kabel bündeln, ohne dass es zwischen der
Hin- und Rückleitung zu einem Kurzschluss
kommt. Die Isolierung macht es auch möglich, ein
Kabel ohne Gefahr anzufassen, das an eine
Steckdose angeschlossen ist.
Einbahnstraßen-Leiter
Versuch 2: Besorge dir aus einem Laden für elektronische
Bauteile für ein paar Groschen eine
Leuchtdiode und prüfe wie in Bild 1, ob sie den
Strom leitet, indem du den Nagel durch die
Leuchtdiode ersetzt. (Warnung: Die Leuchtdiode
nie direkt mit beiden Polen der Batterie verbinden,
sie würde sofort zerstört
werden.)
Ob das Lämpchen leuchtet oder nicht, hängt davon
ab, wie herum du die Leuchtdiode angeschlossen
hast. Sie ist nämlich so gebaut, dass sie
den elektrischen Strom in einer Richtung durchlässt
und dabei leuchtet, in der anderen Richtung
: aber sehr stark behindert.
Leiten auch Flüssigkeiten den Strom?
Versuch 3: Tauche die beiden Löffel aus Versuch 1
in ein mit Leitungswasser gefülltes Gefäß, ohne

dass sie sich berühren, und schalte zusätzlich noch
die Leuchtdiode mit Hilfe einer Lüsterklemme
(Warenhaus, Elektrogeschäft) in den Stromkreis
(Bild 2). Beobachte einige Zeit die Löffeloberfläche.
Gib nun zum Wasser etwas Speisesalz und
rühre vorsichtig um. Wie verändert sich die Flüssigkeit?
Bei reinem Leitungswasser bleibt das Lämpchen
dunkel, die Leuchtdiode leuchtet aber, weil sie
ein viel empfindlicherer Stromanzeiger ist. Nach
etwa einer Minute wirst du auf den beiden Löffeln
kleine Gasbläschen entdecken. Überzeuge
dich davon, dass sie nur auftreten, wenn die Löffel
mit der Batterie verbunden sind. Man nennt diesen
Vorgang Elektrolyse (Zersetzung durch Elektrizität).
Wenn du nun nach und nach Salz dazugibst,
wird die Bläschenbildung heftiger, und
schließlich leuchtet auch das Lämpchen auf, zunächst
ganz schwach, dann immer heller. Offensichtlich
ist Salzwasser ein viel besserer Leiter als
Leitungswasser. Nach längerer Zeit wird sich das
Wasser auch verfärben. Das ist ein Zeichen für
eine chemische Reaktion.
Wiederhole Versuch 3 mit anderen Flüssigkeiten
(ohne Salzzugabe). Du wirst finden, dass z. B. Essig
und Fruchtsaft den Strom ähnlich gut wie Salzwasser
leiten.
Auch Flüssigkeiten können den elektrischen
Strom leiten, zum Beispiel Säuren und in Wasser
aufgelöste Salze. Beim Stromdurchgang
steigen Gasblasen auf, und manchmal verändert
sich auch die Farbe der Flüssigkeit. Man
spricht deshalb auch von der chemischen Wirkung
des elektrischen Stroms.
Leitet auch der menschliche Körper
den Strom?
Ob der menschliche Körper den Strom leitet,
kannst du in einem ungefährlichen Selbstversuch
ausprobieren.
Versuch 4: Schließe die Lücke wie in Bild 3, indem
du dich selbst in den Stromkreis schaltest.
Wiederhole den Versuch mit nassen Händen und
beobachte die Leuchtdiode.
Wenn du die Hände angefeuchtet hast, wird es
dir gelingen, die Leuchtdiode zu schwachem
Leuchten zu bringen. Offenbar fließt dann ein
genügend starker Strom von der einen Hand quer
durch deinen Körper zur anderen Hand. Bei
trockenen Händen ist die Behinderung für den
Strom etwa l0 mal so groß. Mit einem noch empfindlicheren
Stromanzeiger könnte man aber
auch dann einen entsprechend kleinen Strom
nachweisen.
Würde man diesen Versuch mit anderen Stromquellen
als einer Batterie machen, so würde er
um so gefährlicher werden, je größer die Voltzahl
der Stromquelle ist. Mit einer Steckdose (Voltzahl
230) wäre er tödlich. Deshalb:
Keine Versuche mit Strom aus der Steckdose!
Die gesamte Muskulatur des menschlichen Körpers
wird von körpereigenen elektrischen Signalen
gesteuert. Wenn von außen ein elektrischer
Strom in den Körper hineinfließt, reagiert unsere
Muskulatur auch darauf, und zwar mit einer mehr
oder weniger heftigen Verkrampfung. Besonders
gefährdet ist der Herzmuskel. Anders als die
Muskeln der Arme und Beine, die nach Abschalten
des Stroms wieder den körpereigenen Befehlen
gehorchen, kann der Herzmuskel häufig nicht
mehr von selbst in den normalen Schlagrhythmus
zurückfinden. Nur eine sofortige ärztliche Behandlung
kann dann das Herz wieder zum Schlagen
bringen und den Tod abwenden.
Kann Strom Lügen aufdecken?
Die Tatsache, dass feuchte Hände den Strom besser
leiten als trockene, wird beim so genannten
Lügendetektor genutzt. Wenn jemand von der
Polizei verhört wird und sich dabei in Lügen
verstrickt, ist das Schwitzen der Hände eine
mögliche Begleitreaktion. Die dadurch geänderte
Leitfähigkeit der Haut kann (zusammen mit anderen
Reaktionen, wie heftigeres Atmen oder
Herzklopfen) registriert werden.
Du kannst dir aber denken, daß diese Methode
häufig versagt, denn das Schwitzen kann auch
ganz andere Ursachen haben. In Deutschland ist
diese Verhörmethode deshalb nicht zulässig.

Strom fließt im Kreis
Du weißt jetzt schon, dass ein elektrisches Gerät
nur dann funktioniert, wenn zwischen den beiden
Anschlussstellen des Geräts und den beiden Polen
einer Stromquelle je eine leitende Verbindung
aus Metall besteht. Jetzt sollst du dir überlegen,
was in den leitenden Verbindungen zwischen
Stromquelle und Gerät vor sich gehen könnte.
Weil du das nicht direkt beobachten kannst, bist
du ganz auf deine Vorstellungskraft und deine
Phantasie angewiesen. Physiker gehen auch so
vor. Sie nennen ihre Vorstellung von einem nicht
direkt beobachtbaren Vorgang eine Modellvorstellung
oder kurz ein Modell. Damit ihre Phantasie
aber nicht zu sehr ins Kraut schießt, prüfen
Physiker ein Modell immer wieder an den
beobachtbaren Tatsachen. Wenn dabei ein Widerspruch
auftritt, ändern sie das Modell entsprechend
oder lassen es sogar ganz fallen.
Das Einstoff-Verbrauchs-Modell
Ein Modell, das dir vielleicht als erstes in den
Sinn kommt, könnte das folgende sein: Die
Stromquelle hat etwas, und das elektrische Gerät
nimmt etwas und dieses Etwas strömt in den
Leitungen von der Quelle zum Gerät und wird
dort verbraucht. Mit diesem Modell lässt sich vieles
erklären, was du bisher weißt. Unbefriedigend
ist nur, dass es nicht so recht einsichtig wird, warum
es immer zwei Leitungen sein müssen. Der
folgende Versuch führt aber zu ernsten Widersprüchen.
Versuch 1: Wenn du einen Kleinmotor an eine
Batterie anschließt, dann dreht er sich in einer bestimmten
Richtung. Wenn du jetzt die Anschlüsse
an der Stromquelle vertauschst, dann dreht er
sich anders herum (Bild 1, gegenüberliegende
Seite).
Jetzt kommt das Einstoff-Verbrauchs-Modell in
Schwierigkeiten. Wenn von beiden Polen der
gleiche Stoff wegströmt, dann ist es einfach unverständlich,
dass es einen Unterschied macht,
wenn man die Pole vertauscht.
Das Zweistoff-Verbrauchs-Modell
Du kannst das Modell verbessern, wenn du
annimmst, dass von den beiden Polen Verschiedenes
wegströmt, sich im Elektrogerät trifft und
dort verbraucht wird. Es könnte ja sein, dass der
Drehsinn des Motors davon abhängt, welcher der
beiden Stoffe zu welcher Anschlussstelle des
Motors strömt. Ob das Modell auch den folgenden
Versuch erklären kann?
Versuch 2: Wenn du zwei Glühlämpchen, so wie
in Bild 2, hintereinander an eine Batterie anschließt,
dann leuchten beide Lämpchen, zwar
schwächer als ein Lämpchen allein, aber beide
gleich hell.
Jetzt kommt auch das zweite Modell in Schwierigkeiten.
Das Modell nimmt ja an, dass sich in jedem
Lämpchen die beiden verschiedenen Stoffe
treffen müssen, um es zum Leuchten zu bringen.
In das eine Lämpchen fließt aber nur der eine, in
das andere nur der andere Stoff hinein. Um das
Modell zu retten, müsste man weitere Annahmen
machen, die die Verteilung der beiden Stoffe auf
beide Lämpchen sicherstellen. Wenn aber ein
Modell zu kompliziert wird, sollte man sich überlegen,
ob es nicht ein einfacheres Modell gibt,
das mit weniger Annahmen mehr erklären kann.

Das Stromkreismodell
In diesem Modell wird angenommen, dass ein
einziger Stoff im Kreis fließt: durch die eine
Leitung zum Elektrogerät hin, durch dieses
hindurch, durch die andere Leitung zur Stromquelle
zurück und in der Stromquelle wieder zum
anderen Pol. Das Wort „Kreis" steht hier nicht für
die Form „rund", sondern für die Vorstellung,
dass der Stoff auf einem in sich geschlossenen
Weg umläuft. Im Gegensatz zu den beiden ersten
Modellen wird der Stoff hier nicht verbraucht,
sondern es wird ständig der gleiche Stoff im Kreis
herumgeführt. Wir wollen diesen Stoff vorläufig
Elektrizität nennen. Der elektrische Strom wäre
also in diesem Modell bewegte Elektrizität. Die
Bewegung wird von der Stromquelle in Gang gesetzt
und von dem elektrischen Gerät behindert.
Die Bewegung ist um so stärker, je größer die
Voltzahl der Stromquelle ist.
Prüfen wir, wie dieses Modell die beiden Versuche
erklären kann:
Versuch 1: Dem Vertauschen der beiden Pole der
Stromquelle entspricht im Kreislaufmodell die
Umkehr der Strömungsrichtung. Das paßt doch
gut zur Umkehr der Drehrichtung des Motors!
Versuch 2: Beim Hintereinander schalten zweier
gleicher Glühlämpchen leuchten beide gleich
hell. Prima! Wenn es der gleiche Stoff ist, der
durch beide Lämpchen fließt und in den Lämpchen
nichts verbraucht wird, so ist es folgerichtig,
daß beide gleich hell leuchten! Auch das
schwächere Leuchten gegenüber nur einem
Lämpchen kann das Modell sehr gut erklären:
Bei zwei Lämpchen ist die Behinderung des Stromes
stärker als bei nur einem. Klar, daß dann bei
gleichem Antrieb (an der Stromquelle, die den
Antrieb besorgt, wurde ja nichts geändert) auch
der elektrische Strom kleiner ist und die Lämpchen
nicht so hell brennen.
Bild 1: Beim Vertauschen der beiden Leitungen
ändert sich der Umlaufsinn des Kleinmotors. Das
kann ein Einstoff-Verbrauchs-Modell nicht erklären
und scheidet aus.
Bild 2: Beim Hintereinander schalten zweier
Lämpchen leuchten beide Lämpchen gleich hell.
Das mit dem Zweistoff-Verbrauchs-Modell erklären
zu wollen, wäre nur mit komplizierten zusätzlichen
Annahmen möglich.
Gleich- und Wechselstrom
Versuch 3: Wenn du versuchst, den Kleinmotor
mit einem Dynamo zu betreiben, dann bewegt
sich gar nichts! Müssen wir unser schönes Stromkreismodell
schon wieder aufgeben? Beileibe
nicht.
Des Rätsels Lösung wirst du später besser verstehen,
nur so viel jetzt schon: Ein Dynamo bewegt
die Elektrizität nicht immer in die gleiche Richtung,
sondern bei jeder Umdrehung wechselt die
Bewegungsrichtung ein paarmal. Man spricht
deshalb auch von Wechselstrom im Gegensatz
zum Gleichstrom, der im Stromkreis mit einer
Batterie als Stromquelle strömt. Die Bewegungsänderungen
folgen so rasch aufeinander, daß der
träge Motor nicht folgen kann und einfach stehen
bleibt.
,

Elektrische Energie im
Stromkreis
Auf der vorangegangenen Seite hast du etwas
darüber erfahren, wie man zu der Vorstellung
kommt, dass der elektrische Strom im Kreis fließt.
Verschiedene Versuche haben es nahegelegt, dass
der Strom von der Stromquelle durch die eine
Leitung zum Elektrogerät hin, durch dieses hindurch,
durch die andere Leitung zur Stromquelle
zurück und in der Stromquelle wieder zum anderen
Pol fließt (Bild 1). Dabei geht an keiner Stelle
des Stromkreises Strom verloren, und es kommt
auch nirgendwo etwas dazu. Überall ist es der
gleiche Strom, der immer und immer im Kreis
herumfließt. Kurzum: Der elektrische Strom wird
beim Betreiben eines elektrischen Geräts mit einer
Stromquelle nicht verbraucht.
Bild 1: Der elektrische Strom fließt im Kreis.
Nun weißt du aber aus Erfahrung, dass ein
Lämpchen, das zum Beispiel in einer Taschenlampe
an eine Batterie angeschlossen ist, nicht ewig
leuchtet. Irgendwann ist die Batterie „alle", und
dann leuchtet das Lämpchen eben nicht mehr. Ist
das nicht ein Widerspruch? Einerseits wird der
Strom in dem Taschenlampenkreis nicht verbraucht,
andererseits wird aber die Batterie leer,
die ja den Strom liefert!?
Im folgenden geht es darum, wie man aus dieser
Zwickmühle wieder herauskommt.
Ein Beispiel aus der Mechanik
Dass der im Stromkreis fließende Strom nicht verbraucht
wird und trotzdem irgendwann einmal
aufhört zu fließen, ist nur scheinbar ein Widerspruch.
Das kannst du dir an einem Beispiel klarmachen,
bei dem man alle Vorgänge direkt beobachten
kann.
Betrachte einmal Bild 2. Das Rad sieht zwar überhaupt
nicht wie ein Stromkreis aus, hat aber manches
mit ihm gemeinsam. So wird zum Beispiel
auch hier etwas im Kreis bewegt, ohne verbraucht
zu werden, wenn man einmal vom Abrieb beim
Bremsen absieht. Das Rad bewegt sich nicht von
selbst, sondern wird an einer Stelle von einer Hand
angetrieben und an einer anderen Stelle von einer
Felgenbremse gebremst. Seine Bewegung ist um
so stärker, je heftiger es angetrieben und je schwächer
es gebremst wird.
Für den Antrieb des Rades musst du Energie aufbringen,
die von deinen Muskeln kommt. Beim
Abbremsen wird die Energie in Wärme umgewandelt,
das heißt, die Felge und die Bremsbacken
werden erwärmt. Insgesamt wird also Energie von
deinen Muskeln über das sich drehende Rad in die
sich erwärmende Felgenbremse transportiert. Bild
3 gibt diesen Zusammenhang noch einmal bildlich
wieder. Man sieht deutlich, dass man unterscheiden
muss zwischen einer Sache, die sich immer im
Kreis bewegt (dem sich drehenden Rad) und einem
Energietransport zwischen der Stelle, an der das
Rad angetrieben wird, und der Stelle, an der es
gebremst wird.
Die Übertragung auf den elektrischen
Fall
Kannst du schon erkennen, dass die Verhältnisse
beim Stromkreis ganz ähnlich sind? Zur Erinnerung:
Auf Seite 89* hast du gelesen, man könne sich
den elektrischen Strom als bewegte Elektrizität
vorstellen. Die Bewegung werde von der Stromquelle
in Gang gesetzt und von dem elektrischen
Gerät behindert. Die Bewegung sei um so stärker,
je größer der Antrieb ist. Die Ähnlichkeit zwischen
dem mechanischen Fall (Fahrradreifen) und dem
elektrischen Fall verdeutlicht auch Bild 4. Vergleiche
es mit Bild 3!

Bild 3: Im Kreis bewegte Materie und
Energietransport bei einem Rad.
Bild 4: Im Kreis bewegte Elektrizität und
Energietransport beim Stromkreis.
Man kann die Vorgänge in einem Stromkreis also
so beschreiben: Beim Fließen des elektrischen
Stroms wird Energie von der Stromquelle zu dem
Elektrogerät transportiert. Die dabei an das
Elektrogerät gelieferte Energie nennt man auch
elektrische Energie.
Verschiedene Elektrogeräte
In einem Elektrogerät wird die beim Fließen des
elektrischen Stroms zugeführte elektrische Energie
in andere Energieformen umgewandelt. Elektrogeräte
unterscheiden sich darin, dass sie die
elektrische Energie in verschiedene andere Energieformen
umwandeln, z. B. Heizgeräte in Wärme,
Lampen in Lichtenergie oder Elektromotoren in
Bewegungsenergie. In Bild 5 sind verschiedene
Beispiele eingezeichnet. Auf den nächsten beiden
Doppelseiten wirst du Geräte, die elektrische Energie
in Wärme oder Licht umwandeln, noch näher
kennenlernen.
Bei einem Stromkreis ist zu unterscheiden zwischen
- dem elektrischen Strom, der nicht verbraucht,
von der Stromquelle angetrieben und vom
Elektrogerät behindert wird
- und etwas, das in der Stromquelle gespeichert
ist oder dieser von außen zugeführt wird. Dieses
Etwas ist Energie.
Beim Fließen des elektrischen Stroms wird Energie
von der Stromquelle zu dem Elektrogerät
transportiert. Diese an das Fließen des Stroms
gebundene Energie nennt man elektrische Energie.
Stromquellen unterscheiden sich durch die Energieform,
die sie für die Umwandlung in elektrische
Energie nutzen.
Elektrogeräte unterscheiden sich durch die
Energieform, in die sie elektrische Energie umwandeln.
Verschiedene Stromquellen
Energie kommt in verschiedenen Formen vor: Im
Sonnenlicht steckt z. B. Lichtenergie. Ein bewegter
Körper hat Bewegungsenergie, viele Stoffe haben
chemische Energie in sich gespeichert. Verschiedene
Stromquellen unterscheiden sich darin, daß
sie verschiedene Energieformen nutzen, um sie in
elektrische Energie umzuwandeln.
Eine Stromquelle, bei der die Lichtenergie genutzt
wird, ist die Solarzelle (Bild 5a). In den Batterien,
mit denen du bisher viele Versuche gemacht hast,
ist chemische Energie gespeichert (Bild 5b). Beim
Fahrraddynamo ist es deine Muskelenergie, die du
zur Verfügung stellen musst, damit er sich dreht
(Bild 5c).
Bild 5: Verschiedene Stromquellen im Stromkreis:
a) Solarzelle, b) Batterie, c) Fahrraddynamo.

Die Wärmewirkung des
elektrischen Stroms
In vielen elektrischen Geräten wird elektrische
Energie in Wärme umgewandelt. Wenn du z. B. in
einen elektrischen Brotröster hineinschaust, erkennst
du ein dünnes Metallband, das über eine
hitzebeständige, den Strom nicht leitende Platte
gewickelt ist. Sobald der Strom eingeschaltet
wird, fängt das Metallband zu glühen an (Bild 1).
Die Erzeugung von Wärme mit Hilfe des elektrischen
Stroms kannst du selbst ausprobieren.
Versuch 1: Besorge dir ein kurzes Stück dünnen
Drahts, am besten Eisendraht oder Konstantandraht
mit einem Durchmesser von 0,2 mm.
Konstantan ist eine Legierung (Metallmischung)
aus Kupfer, Nickel und Mangan. Überbrücke mit
diesem Draht für kurze Zeit die beiden Pole einer
Flachbatterie, am besten einer vom Typ Allkraft
oder Heavy Duty. Was passiert mit dem Draht
zwischen den beiden Polen? Du solltest ihn nicht
anfassen.
Sobald du den Stromkreis mit dem Drahtstück
geschlossen hast, wird der Draht heiß, wahrscheinlich
wird er sogar rotglühend, was einer
Temperatur von mindestens 700 °C entspricht.
Bild 1: Bei einem Brotröster bringt der elektrische
Strom dünne Metallbänder zum Glühen.
Sobald du den Stromfluss unterbrichst, kühlt sich
der Draht wieder ab.
Versuch 2: Stelle dir einen Leiter her, der wie in
Bild 2 aus Kupfer und Konstantan (oder Eisen)
besteht. Drücke auf die Kupferabschnitte je ein
Stückchen Kerzenwachs und überbrücke nun die
beiden Metallzungen der Flachbatterie. Was beobachtest
du?
Das Drahtstück aus Konstantan verhält sich wie
in Versuch 1, wird also sehr heiß. Obwohl durch
die Kupferdrähte genau der gleiche Strom fließt,
erwärmen sie sich viel weniger. Dass sich auch
ihre Temperatur erhöht, erkennst du daran, dass
die beiden Wachsklümpchen nach einiger Zeit
schmelzen und herabfallen. Die Erwärmung
hängt also vom Material ab. Dass es auch auf die
Dicke der Leiter ankommt, erkennst du an den im
Vergleich zu den Drähten dicken Metallzungen
der Batterie. Obwohl auch sie vom gleichen
Strom durchflossen werden, bleiben sie kalt.
Fließt ein elektrischer Strom durch einen Leiter
aus Metall, so wird in diesem Wärme erzeugt.
Der Grad der Erwärmung hängt vom Material
und von den Abmessungen des Leiters ab.
Alle elektrisch betriebenen Wärmegeräte beruhen
darauf, dass die ihnen zugeführte elektrische
Energie in Wärme umgewandelt wird (Bild
3). Ihre technische Ausführung kann aber sehr
verschieden sein (Bild 4). In Heizlüftern und
Haartrocknern läuft zusätzlich noch ein elektrisch
betriebener Ventilator. Er saugt kalte Zimmerluft
an und lässt sie über den Heizdraht strömen. Die
Luft übernimmt dabei die im Draht entstehende
Wärme und kommt erwärmt aus dem Gerät
heraus. Deckt man die Lüftungsschlitze ab, können
sich solche Geräte überhitzen, und es besteht
Brandgefahr!

Mit Strom heizen?
Mit elektrischem Strom Wärme zu erzeugen, ist
eine technisch einfache, bequeme und saubere
Sache. Aber nicht alles, was technisch machbar
ist, ist auch sinnvoll. Die Erzeugung des elektrischen
Stroms in einem Kraftwerk belastet die
Umwelt. Elektrische Energie ist auch relativ teuer.
Deshalb sollte man bei jeder Anwendung Vorund
Nachteile abwägen und mit anderen Möglichkeiten
vergleichen (Tabelle 1).
Bild 4: Verschiedene Ausführungen von Wärmegeräten.
* In Klammern durchschnittliche Betriebskosten für einen 4-Personen-Haushalt
Tabelle 1: Zur Beurteilung elektrischer Wärmegeräte. Ergänze die Tabelle für die Dienstleistungen
Wäsche waschen, Brot rösten, Speisen kühlen, Wäsche bügeln!

Die Lichtwirkung des
elektrischen Stroms
Die Glühlampe
Glühlampen sind im Grunde genommen nichts
anderes als Wärmegeräte. Der Glühdraht für eine
Glühlampe ist gerade so lang und so dünn, dass er
ganz hell glüht und neben der Wärme auch Lichtenergie
abgibt (Bild 1). Außerdem ist er in Form
einer Wendel gewickelt. Welche Vorteile dies
bringt, erkennst du, wenn du Versuch 1 (S. 92) mit
einer solchen Wendel wiederholst. Wickle dazu
den Konstantan- oder Eisendraht etwa 10 bis 20
mal über eine dünne Stricknadel und ziehe die
Nadel wieder heraus. Wenn du mit dieser Wendel
die Pole der Batterie überbrückst, wird der gewendelte
Teil des Drahtes viel heller glühen als
der glatte. In der Wendel heizen sich nämlich die
einzelnen Windungen gegenseitig auf!
Das Verhindern des Durchbrennens: Bei der hohen
Temperatur, die für eine Glühlampe erforderlich
ist, würde der Glühfaden im Sauerstoff
der Luft sofort verbrennen. Um den Sauerstoff
fernzuhalten, umgibt man den Glühfaden mit einem
Glaskolben, der in den Anfangszeiten der
Glühlampenproduktion luftleer gepumpt wurde.
Heute wird er mit einem Gas gefüllt, in dem ein
Verbrennen nicht möglich ist, z. B. mit Stickstoff.
Bei besonders hellen Speziallampen für Projektoren
oder Autoscheinwerfern (Halogenlampen) ist
der Glaskolben aus schwerschmelzbarem Quarzglas.
Dadurch wird es möglich, die Temperatur
des Glühfadens auf 3000 °C zu steigern, ohne daß
der Glaskolben schmilzt.
Die Doppelwendeltechnik: Bei vielen Glühlampen
hat der Glühfaden die Form einer Doppelwendel.
Sie entsteht, wenn man eine einfache
Wendel noch einmal aufwickelt. Dadurch wird
das gegenseitige Aufheizen der einzelnen Windungen
noch mehr begünstigt.
Das Prinzip der Glühlampe ist also ganz einfach
und schon über hundert Jahre bekannt. Zur Entwicklung
einer möglichst hellen, sparsamen und
langlebigen Lampe mussten aber viele technische
Schwierigkeiten gemeistert werden.
Das Material des Glühfadens: Damit die Lampe
hell leuchtet, muss der Glühfaden eine möglichst
hohe Temperatur erreichen. Eisen schmilzt aber
schon bei 1300 °C. Man versuchte es deshalb zunächst
mit Kohlefäden, die man durch Verkohlen
von Nähgarn herstellte. Der amerikanische Erfinder
Thomas Alva Edison (1847-1931) baute damit
1879 eine Glühlampe, die über 100 Stunden
brannte. Um die Jahrhundertwende gelang es
dann, aus Wolfram und anderen Metallen eine
Legierung herzustellen, die erst bei über 3000 °C
schmilzt und aus der man haarfeine Drähte herstellen
kann. Bei normalen Haushaltsglühlampen
ist der Glühfaden etwa 2600 °C heiß. Sie haben
eine Lebensdauer von etwa 1000 Betriebsstunden.
Die Sparlampen
Bei heutigen Glühlampen wird etwa zwanzig mal
so viel Wärme wie Lichtenergie erzeugt. Daß es
auch anders geht, machen uns manche Tiere vor,
z. B. die Glühwürmchen oder Fische, die im Dunkel
der Tiefsee leben. Sie erzeugen Licht fast
ohne Wärme auf chemischem Wege. Es hat deshalb
nicht an Versuchen gefehlt, die „Lichtausbeute"
zu verbessern, d. h. mehr Licht und weniger
Wärme zu erzeugen. Eine Entwicklung in
diese Richtung sind die Leuchtstofflampen. Sie
haben keinen Glühdraht, sondern sind mit einem
Gas gefüllt, das durch den elektrischen Strom zur
Aussendung von blauem Licht angeregt wird.
Dieses Licht trifft dann auf einen Leuchtstoff, mit
dem die Innenseiten der Röhren beschichtet sind.
Dabei wird es in weißes Licht umgewandelt.
Seit einiger Zeit gibt es auch Kompakt-Leuchtstofflampen,
die kaum größer sind als eine Glühlampe.
Sie haben einen Schraubsockel und
passen deshalb in eine ganz normale Leuchte
(Bild 2).
Leuchtstofflampen gibt es in verschiedenen Farbqualitäten.
Lampen mit der Bezeichnung Weiß
oder Neutralweiß geben Rottöne, im Gegensatz
zur Glühlampe, nur gedämpft wieder. So beleuchtet,
sieht man deshalb immer ein bißchen

lass aus. Angenehmer sind Lampen mit der Bezeichnung
Warmton oder Warmweiß oder Warmton
Extra. Ihr Licht harmoniert auch gut mit Glühlampenlicht.
Im Vergleich zu den Glühlampen sind die
Leuchtstofflampen ausgesprochene Sparlampen.
Sie haben nämlich eine etwa 4 mal größere Lichtausbeute
und mit 5000 Betriebsstunden eine 5 mal
längere Lebensdauer. Diesen Vorteilen stehen allerdings
auch zwei Nachteile gegenüber. Die
Sparlampen sind etwa 10 bis 20 mal so teuer, und
ihre Lebensdauer sinkt beträchtlich, wenn sie oft
ein- und ausgeschaltet werden. Ihr Einsatz ist
deshalb nur an Stellen sinnvoll, an denen sie lange
Zeit ununterbrochen in Betrieb sind, z. B. in einem
dunklen Flur. Um grob abzuschätzen, was günstiger
ist, kannst du dich an folgendes halten: Ist
eine Leuchte durchschnittlich kürzer als eine
Stunde eingeschaltet, dann ist die Glühlampe
insgesamt (d. h. Preis für Lampe + Stromkosten)
preiswerter. Ist die durchschnittliche Betriebsdauer
länger als eine Stunde, dann bringt die
Sparlampe Vorteile.
Bild 2: So vielfältig ist heute das Angebot an Sparlampen, die in eine ganz normale Leuchte passen.

Von Schaltern und
Schaltungen
Wenn man ein elektrisches Gerät an eine Stromquelle
angeschlossen hat, dann möchte man es
auch bequem ein- und ausschalten können. Dazu
genügt es, eine der beiden Leitungen mit einem
Schalter zu unterbrechen. Bild 1 zeigt dir einen
einfachen Schalter in Form eines Tasters und in
Bild 2 kannst du sehen, wie beim Taster der
Stromkreis geschlossen und unterbrochen wird.
Bild 4: Häufig vorkommende Schaltzeichen.
Bild 1: Mit einem Taster kannst du das Lämpchen
einschalten.
Bild 2: Hier siehst du, wie der Stromkreis
geschlossen ist, sobald der Taster gedrückt wird.
Bild 3: Schaltbild für einen Stromkreis, bei dem
ein Lämpchen durch einen Schalter ein- und
ausgeschaltet werden soll.
Schaltbilder
Bevor man eine Schaltung aufbaut, ist es im allgemeinen
zweckmäßig, sich zunächst ein vereinfachtes
Schaltbild zu zeichnen (Bild 3). Dazu verwendet
man für die Batterie, die angeschlossenen
Geräte, für Leitungen und Schalter genormte
Schaltzeichen (Bild 4). Überzeuge dich davon,
dass das in Bild 3 gezeichnete Schaltbild genau
der Anordnung von Bild 2 entspricht.
Mit Schaltbildern lassen sich auch etwas kompliziertere
Schaltungen ganz übersichtlich darstellen.
Betrachte z. B. das Schaltbild von Bild 5.
Hier müssen Schalter 1 und Schalter 2 geschlossen
sein, damit der Stromkreis geschlossen ist
und der Motor laufen kann. Man nennt diese
Schaltung deshalb eine UND-Schaltung. Du findest
sie z. B. bei einer Waschmaschine. Wegen
der Bedienungssicherheit soll die Waschmaschinentrommel
nur dann rotieren, wenn die Fülltür
geschlossen ist. Darum hat die Waschmaschine
nicht nur den Geräteschalter, sondern auch einen
Sicherheitsschalter, der durch das Öffnen und
Schließen der Fülltür betätigt. wird.
Ein anderes Beispiel ist die ODER-Schaltung von
Bild 6. Der Stromkreis wird geschlossen, wenn du

Aufgaben
1. Beschreibe eine ODER-Schaltung so genau,
dass man danach einen entsprechenden Stromkreis
aufbauen könnte. Vergleiche diese Beschreibung
mit der Darstellung durch ein
Schaltbild (Bild 6).
Bild 5: Die UND-Schaltung: S1 und S2 müssen
geschlossen sein, damit der Strom in einem
geschlossenen Stromkreis fließen kann.
2. Zeichne ein Schaltbild, bei dem ein Motor
durch einen Schalter an- und ausgeschaltet
werden kann. Zeichne mehrere Möglichkeiten
für die Anordnung der einzelnen Schaltzeichen.
3. Einen Schalter, der eine Leitung wahlweise mit
einer zweiten oder dritten Leitung verbindet,
Bild 6: Die ODER-Schaltung: Es genügt S1 oder
S2 zu schließen, damit ein geschlossener
Stromkreis entsteht.
Schalter 1 oder Schalter 2 oder beide betätigst.
Eine solche Schaltung ist z. B. praktisch für eine
Klingelanlage mit einem Klingelknopf an der
Haustür und einem an der Wohnungstür. Die
Klingel läutet dann, ob du nun an der Haustür
oder an der Wohnungstür den Knopf drückst.
Für unterschiedliche Zwecke gibt es unterschiedliche
Schalter. So zweckmäßig ein Taster für eine
Klingel auch sein mag, als Lichtschalter wäre er
ganz unbequem. Da nimmt man besser einen
Kippschalter (Bild 7).
nennt man einen Umschalter. Eine Schaltung
mit zwei Umschaltern ist nützlich, wenn eine
Lampe im Erdgeschoss einer Wohnung eingeschaltet
und im Obergeschoss wieder ausgeschaltet
werden soll (Wechselschaltung).
Lege in einigen Sätzen dar, dass sie genau diese
Aufgabe erfüllt.
4. Um welche Schaltungen (UND, ODER) handelt
es sich bei diesen Schaltbildern?
5. Bei welchen der folgenden Schaltungen kann
ein Kurzschluss (S. 41) auftreten?
Bild 7: Kippschalter.

Parallel- und
Reihenschaltungen
Bisher hattest du es meistens mit Stromkreisen zu
tun, bei denen ein Gerät an eine Stromquelle angeschlossen
ist. Es gibt aber auch Schaltungen, die
mehr können. Betrachte zum Beispiel Bild 1. Hier
sind zwei Haushaltgeräte an eine Steckdose angeschlossen.
Auch bei der Fahrradbeleuchtung (Bild
4, Seite 85*) sind sowohl der Scheinwerfer als auch
das Rücklicht an nur eine Stromquelle, nämlich
den Dynamo, angeschlossen. Schließlich wird auch
die elektrische Weihnachtsbaumbeleuchtung mit
ihren vielen Einzellämpchen (Bild2) mit nur einer
Stromquelle (Steckdose) betrieben. Im folgenden
geht es darum, herauszufinden, wie die entsprechenden
Schaltungen aussehen.
Wenn an eine Batterie zwei Lämpchen angeschlossen
werden sollen, dann könnte das entsprechende
Schaltbild so wie in Bild 3 aussehen. Weil beide
Lämpchen parallel zueinander an die Batterie angeschlossen
sind, nennt man eine solche Schaltung
auch eine Parallelschaltung.
Was ist von einer solchen Parallelschaltung zu
erwarten? Über das Anschließen elektrischer Geräte
hast du auf den Seiten 86 und 87 schon einiges
gelernt. Lies dort noch einmal die Regeln nach, die
du beachten musst, und prüfe, ob sie auch bei der
Schaltung von Bild 3 erfüllt sind!
Bild 3: Die beiden Lämpchen liegen parallel zur
Stromquelle (Parallelschaltung).
Wenn die beiden Lämpchen die gleiche Voltzahl
haben wie die Batterie (Regel 1), dann spricht
eigentlich nichts dagegen, dass in dieser Schaltung
beide Lämpchen leuchten. Denn: auch hier gibt es
zu jedem Lämpchen zwei durchgehende leitende
Verbindungen zu den Polen der Stromquelle (Regel
2), und diese Pole sind nirgendwo direkt miteinander
leitend verbunden. Es liegt also kein Kurzschluss
vor (Regel 3).
Wenn eines der Lämpchen defekt ist oder herausgedreht
wurde, ist das andere Lämpchen immer
noch korrekt angeschlossen und müsste also weiter
leuchten. Ob zum Beispiel die Fahrradbeleuchtung
so geschaltet ist?
Bild 1: Eine Steckdose,
zwei Geräte.
Parallelschaltungen
Bild 2: Eine Steckdose,
viele Lämpchen.
Von der Fahrradbeleuchtung weißt du vielleicht
aus Erfahrung, dass eines der Lämpchen weiterleuchtet,
wenn das andere Lämpchen defekt ist
oder herausgedreht wurde. Die Fahrradbeleuchtung
verhält sich also genau so, wie es bei einer
Parallelschaltung sein muss.
Wie steht es mit der Schaltung von Bild 1 ? Auch das
ist eine Parallelschaltung. Die so genannte Tischsteckdose
ist nämlich nichts anderes als ein bequemes
Hilfmittel, um mehrere Geräte parallel zueinander
an die gleiche Steckdose anschließen zu
können. In Bild 4a ist die Leitungsführung in ihrem
Innern wiedergegeben, und in Bild 4b siehst du das
Bild 4a:
Tischsteckdose.

Bild 4b: Haushaltsgeräte werden in einer
Parallelschaltung betrieben.
entsprechende Schaltbild mit zwei angeschlossenen
Geräten, nämlich einem Motor (z. B. einer
Küchenmaschine) und einer Leuchte.
Bei der Parallelschaltung von Geräten sind beide
Anschlußstellen der Geräte direkt mit den Polen
der Stromquelle verbunden (Bild 3). Wird ein
Gerat entfernt (oder ist defekt), funktioniert das
andere trotzdem.
Ob die Christbaumbeleuchtung nach dem gleichen
Muster geschaltet ist? Nein!
Bei der Reihenschaltung von Geräten sind alle
Geräte hintereinander aufgereiht (Bild 5). Wird
ein Gerät entfernt oder ist es defekt, funktionieren
auch die anderen nicht mehr.
Gemischte Schaltungen
Man kann sich auch Schaltungen ausdenken, die
eine Mischung aus Parallel- und Reihenschaltung
sind. Bild 6 zeigt eine von vielen Möglichkeiten.
Wenn du bei dieser Schaltung Lämpchen 1 herausdrehst,
gehen auch die beiden anderen Lämpchen
aus, weil der Strom nicht mehr im Kreis fließen
kann. Entfernst du aber Lämpchen 2, so kann der
Strom immer noch durch Lämpchen 1 und
Lämpchen 3 in einem geschlossenen Kreis fließen.
Diese beiden Lämpchen leuchten also trotzdem
weiter.
Reihenschaltungen
Es gibt noch eine weitere Möglichkeit, mehrere
Geräte an die gleiche Stromquelle anzuschließen:
nicht parallel zueinander und zur Stromquelle,
sondern wie in Bild 5 hintereinander aufgereiht:
eine Reihenschaltung.
Die Reihenschaltung hat ganz andere Eigenschaften
als die Parallelschaltung. Wenn du eines
der Lämpchen aus der Fassung schraubst, ist ja der
Stromkreis unterbrochen und alle anderen
Lämpchen erlöschen.
Genau das trifft für manche Weihnachtsbaumbeleuchtungen
zu. Die einzelnen Kerzen sind so
wie in Bild 5 hintereinander geschaltet. Vielleicht
Bild 6: Eine gemischte Schaltung, weder Reihennoch
Parallelschaltung.
Aufgabe
In der Zeichnung siehst du drei Lämpchen, die von
einer geeigneten Batterie zum Leuchten gebracht
werden. Du sollst jetzt herausfinden, wie die
Lämpchen untereinander und mit der Batterie verbunden
sind. Wenn man
eines der drei Lämpchen
aus seiner Fassung dreht,
dann gibt es je nach Schaltung
die folgenden Fälle.
Bild 5: Hier liegen die Lämpchen (z. B. einer
Weihnachtsbaumbeleuchtung) hintereinander
in einer Reihe (Reihenschaltung).
hast du auch schon einmal beobachtet, dass alle
elektrischen Kerzen gleichzeitig erlöschen, wenn
bei einer der Glühfaden durchbrennt und der
Stromkreis dadurch unterbrochen wird. Typisch
Reihenschaltung!
a) Welche Schaltung (Parallel-, Reihen- oder gemischte
Schaltung) liegt jeweils vor?
b) Zeichne für jeden der drei Fälle das Schaltbild.

Sicherheitsmaßnahmen
Du weißt schon, wie gefährlich es sein kann,
wenn der elektrische Strom durch deinen Körper
fließt (S. 87*). Besondere Vorsicht ist geboten,
wenn die Stromquelle die Steckdose ist. Elektrische
Geräte, die an die Steckdose angeschlossen
werden, müssen deshalb so gebaut sein, dass du
die Teile, durch die der elektrische Strom fließt,
nie direkt berühren kannst. Ob Stecker, Kabel
oder stromführende Teile im Inneren des Geräts,
alles ist mit einem den Strom nicht leitenden
Material, einem Isolator, umgeben. Man nennt
diese Isolierung der stromführenden Teile die
Basisisolierung eines Geräts. Dort, wo sie nicht
möglich ist, z. B. bei der Heizspirale eines Haartrockners,
sorgt wenigstens ein Gitter dafür, daß
du die Spirale nicht aus Versehen berühren
kannst (Bild 1).
Wenn aber diese Basisisolierung defekt ist, was
dann? Je nachdem, welche zusätzlichen Maßnahmen
getroffen wurden, um dich auch vor
fehlerhaft gewordenen Geräten zu schützen,
unterscheidet man drei Schutzklassen.
Schutzklasse III: Dazu gehören z. B. elektrisches
Spielzeug oder elektrische Zahnbürsten. Sie
arbeiten mit einer Voltzahl, die wesentlich niedriger
ist als die Voltzahl der Steckdose (230). Dadurch
ist der Umgang mit ihnen selbst dann noch
ungefährlich, wenn die Basisisolierung beschädigt
sein sollte. Die Herabsetzung der Voltzahl
wird von einem Sicherheitstransformator besorgt,
der zwischen Steckdose und Gerät geschaltet
oder in einen Spezialstecker eingebaut ist.
Schutzklasse II: Diese Geräte haben zusätzlich
zur Basisisolierung noch einen zweiten Schutzwall
in Form eines isolierenden Gerätegehäuses
aus Kunststoff. Dadurch bist du doppelt
geschützt. Eine Küchenmaschine gehört z. B. zu
dieser Geräteklasse. Auch der in ein solches
Gerät eingesetzte Rührbesen oder Knethaken
kann dir keinen elektrischen Schlag versetzen,
denn diese Metallteile sind sorgfältig gegen die
stromführenden Teile isoliert. An das Anschlusskabel
ist ein besonderer Stecker fest und
untrennbar angebracht. In seiner flachen Bauform
ist er unter dem Namen „Euro-Stecker"
bekannt.
Schutzklasse I: Viele Haushaltgeräte, wie z. B. ein
Bügeleisen, müssen ein Metallgehäuse haben, so
daß eine Schutzisolierung aus Kunststoff nicht
möglich ist. Wenn bei solchen Geräten die Basisisolierung
defekt ist, wenn also z. B. ein durchgescheuertes
Anschlußkabel direkten Kontakt mit
dem Metallgehäuse hat, dann hättest du beim
Berühren des Geräts direkten Kontakt mit der
Steckdose. Das wäre lebensgefährlich !
Geräte der Schutzklasse I führen deshalb zusätzlich
einen dritten Leiter im Anschlußkabel, den
sogenannten Schutzleiter. Er ist im Gerät mit
Bild 1: Jedes Elektrogerät ist so gebaut, dass eine
direkte Berührung stromführender Teile nicht
möglich ist (Basisisolierung). Das isolierte Kabel,
das Kunststoffgehäuse und das Schutzgitter
schützen dich.
Bild 2: Bei Geräten mit einem Metallgehäuse
wäre ein durchgescheuertes Kabel lebensgefährlich!
Sie dürfen deshalb nicht ohne zusätzlichen
Schutzleiter im Anschlusskabel betrieben
werden.

dem Metallgehäuse verbunden und leitet im
oben beschriebenen Fehlerfall den Strom direkt
in die Erde, so dass du nicht zu Schaden kommst.
Die Verbindung mit der Erde wird über Schleifkontakte
am Stecker und der Steckdose hergestellt
(Bild 2).
Die korrekten Bezeichnungen für Stecker und
Steckdosen mit diesen geerdeten Schutzkontakten
sind Schutzkontaktstecker und Schutzkontaktsteckdose.
Du kennst sie wahrscheinlich
besser unter den Namen Schukostecker und
Schukosteckdose.
Das Ei des Columbus?
Trotz all dieser vom Gesetzgeber vorgeschriebenen
Sicherheitsmaßnahmen gibt es immer wieder
tödliche Stromunfälle, in der Bundesrepublik
über 100 in jedem Jahr. Seit 1984 ist in Neuanlagen
eine zusätzliche Schutzmaßnahme vorgeschrieben:
der Fehlerstrom-Schutzschalter. Die
Grundidee ist einfach. In beiden Leitungen, die
zum Betrieb eines elektrischen Geräts erforderlich
sind, fließt im Normalfall der gleiche Strom.
In der einen Leitung fließt er zum Gerät hin, in
der anderen zurück (S. 91). Wenn nun, aus welchem
Grund auch immer, der Strom einen falschen
Weg nimmt, dann ist der Rückstrom geringer
als der Hinstrom. Der Fehlerstrom-Schutzschalter
(kurz Fl-Schutzschalter) unterbricht den
Strom innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde,
wenn dieser Fall eintritt. Das kann Menschenleben
retten, denn er ist so empfindlich eingestellt,
dass er bereits bei Fehlerströmen abschaltet,
die für den menschlichen Körper gerade noch
ungefährlich sind. Neuerdings gibt es neben F1-
Schutzschaltern, die eine Elektrofachkraft einbauen
muss, auch solche, die einfach in eine
Schukosteckdose gesteckt werden. Sehr zu empfehlen!
Die besten und raffiniertesten Sicherheitsmaßnahmen
werden aber einen Stromunfall nicht
mit absoluter Sicherheit verhüten können. Oft ist
bodenloser Leichtsinn im Spiel: Es werden Heizlüfter
oder Radios aus der Badewanne heraus einoder
ausgeschaltet oder auf den Wannenrand
gestellt, oder es werden gar in der Badewanne
Haare geföhnt (Bild 3). Dein bester Schutz ist dein
besonnenes Verhalten im Umgang mit Elektrogeräten.
Bild 3: Was wird hier falsch gemacht?