Bisher waren alle Stromkreise in der Weise einfach, dass sie nur ein elektrisches Bauteil enthielten. Nun werden Stromkreise aus zwei und mehr Bauteilen behandelt. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Sie kennen aus dem Alltag viele Anwendungen, bei denen mit einer
Elektrizitätsquelle mehrere Geräte oder Bauteile gleichzeitig betrieben werden.
Das klarste Beispiel sind Vielfachsteckdosen,
mit denen Sie z.B. eine Lampe, einen Computer und einen Monitor an eine einzige
Steckdose anschließen können. Jedes dieser Geräte können sie einzeln einschalten
und es funktioniert unabhängig von den anderen. Die Geräte werden hier
"parallel" angeschlossen. Ein anderes Beispiel für eine "Parallelschaltung" ist
eine Halogenbeleuchtung:
Ein einziger Trafo versorgt die im Raum gespannte Doppelleitung mit der
ungefährlichen Niedrigspannung von 12 Volt. Jede angeschlossene Halogenlampe
wird deshalb unabhängig von den anderen mit 12 V betrieben.
Ein Beispiel für
eine "Serienschaltung" ist eine Christbaumbeleuchtung.
Der gemeinsame Stromkreis durch alle Lampen ist preisgünstig, weil so ohne Trafo
15 Stück der 15-Volt-Lampen gemeinsam mit insgesamt etwa 225 V versorgt werden.
Wird eine der Lampen herausgedreht, dann ist der Stromkreis unterbrochen und
alle Lampen gehen gemeinsam aus.
Wenn sich mehrere Bauteile eine gemeinsame Spannung teilen, dann wird der
Begriff "Spannungsabfall" wichtig. Darunter ist die Teilspannung gemeint, die
man an einem Teil des gemeinsamen Widerstands abgreift. In einem Modellexperiment
mit einem leitfähigen Streifen zeigt sich der Zusammenhang zwischen dem
Teilwiderstand und der Teilspannung: Je schmaler der Streifen, desto größer der
Widerstand und der Spannungsabfall. Mit diesem Wissen können vier Formeln für
die Serienschaltung
hergeleitet werden. Eine davon besagt, dass die Summe der Teilspannungen
gleich der Gesamtspannung ist. Dazu ein überraschender Versuch: Ein
Fahrradlämpchen für 6 V und eine Glühlampe für 230 V werden in Serie geschaltet
und gemeinsam an 230 V angeschlossen. Beide leuchten in etwa mit normaler
Helligkeit. Mit einer Rechenaufgabe
wird die Erklärung geliefert.
Als nächstes werden zwei Widerstände parallel
an das Netzgerät angeschlossen und damit gelten andere Gesetzmäßigkeiten.
Eine davon besagt diesmal, dass sich die Teilströme
zum Gesamtstrom addieren.
Jede noch so komplizierte Schaltung lässt sich Stück für Stück aus einfachen
Serien- und Parallelschaltungen aufbauen und deshalb erklären die jeweils vier
Formeln für die Parallel- und die Serienschaltung viele Anwendungen. Als erstes
wird ein "Potentiometer"
untersucht. Ein Widerstand ist mit einem dritten Kontakt versehen. Durch einen
Schleifmechanismus können beliebige Anteile des Gesamtwiderstands abgegriffen
werden. Dementsprechend erhält man zwischen diesem Schleifkontakt und einem der
beiden festen Kontakte beliebige Teilspannungen der Gesamtspannung. So lässt
sich eine Dimmerschaltung realisieren. Das Potentiometer kann auch als
einstellbarer Widerstand dienen. Wird es z.B mit einem LDR (lichtempfindlicher
Widerstand) in
Serie geschaltet, kann durch die Wahl des Potentiometer-Widerstands die
Teilspannung am LDR auf einen passenden Wert justiert werden. Dies braucht man
bei einer Transistorschaltung,
die eine Lampe genau dann einschaltet, wenn die augenblickliche Helligkeit
absinkt. Diese Schaltung zeigt auch die Grenzen einfacher Berechnungen in
verzweigten Stromkreisen. Sind die Widerstände nicht mehr konstant wie beim LDR
oder beim Transistor, dann empfiehlt es sich, allgemeinere Regeln für
Stromnetzwerke zu nutzen. Je eine Regel für Strom
und Spannung
sind unter dem Stichwort Kirchhoff-Regeln bekannt.
Bei der Elektrizitätsversorgung
braucht man sowohl Materialien, die Strom sehr gut leiten, als auch das
Gegenteil. Aluminium erhält bei Hochspannungsleitungen den Vorzug vor Kupfer,
weil es nur wenig schlechter leitet, dafür aber viel leichter ist und vor allem
viel preiswerter. Für die Befestigung an den Masten haben sich Isolatoren aus
Porzellan bewährt. Wenn man den Widerstand von Leiterstücken mit gleicher Länge
und gleichem Querschnitt vergleicht, dann erwächst der Wunsch, die
unterschiedliche Leitfähigkeit
durch eine Materialkonstante auszudrücken. Dies gelingt verblüffend einfach: Der
Widerstand
eines Leiterstücks hängt auf plausible Weise von seiner Länge und seiner
Querschnittsfläche ab. Für eine Formel benötigt man eine Proportionalitätskonstante
, die "spezifischer Widerstand" genannt
wird. Diese Bezeichnung ist zutreffend, weil den Widerstand pro Länge und Querschnittsfläche angibt. Zur Einübung
dieser Formel eignet sich ein elektrischer Sensor, den man Dehnungsmessstreifen
(DMS) nennt. Ein Modell
mit einem leitfähigen Streifen erklärt die Funktionsweise: Wird die Trägerplatte
gedehnt, indem man sie nach unten biegt, dann wird der Streifen ein wenig länger
und dabei auch dünner. Beide Effekte erhöhen den Widerstand. Umgekehrt wird bei
einer Stauchung der Widerstand kleiner. Damit erhält man einen Sensor, der
Dehnungen registriert. Wurde eine Krafteichung vorgenommen, dann kann man mit
mehreren DMS ein elektrisches Kraftmessgerät
aufbauen. Wir haben dieses schon verschiedentlich bei Versuchen eingesetzt.
Die Werte für den spezifischen Widerstand reichen bei Materialien
von fast unendlich (Isolatoren) bis fast null (sehr gute Leiter). Besonderes
Interesse wecken die sogenannten Supraleiter mit einem Widerstand, der wirklich
null ist. Mit einer Probe
eines modernen Supraleitertyps wird ein Experiment durchgeführt. Bei "normalen"
Temperaturen verhält sich das Material wie ein Metall, sein Widerstand sinkt mit
sinkender Temperatur. Aber unterhalb einer kritischen
Temperatur , die je nach Supraleitermaterial unterschiedlich ist,
verschwindet sein Restwiderstand sprungartig. Supraleiter, die bereits mit
flüssigem Stickstoff ihre besondere Eigenschaft erreichen, nennt man seltsamer
Weise "Hochtemperatur-Supraleiter". Das liegt daran, weil die bisher bekannten
Materialen den Effekt erst bei viel tieferen Temperaturen zeigen, nämlich bei
der Temperatur von flüssigem Helium. Das sind dann die
"Tieftemperatur-Supraleiter".