Stromkreis
Ein elektrischer Stromkreis ist ein System von Leitern, das einen geschlossenen Weg darstellt.[1] Dabei umfasst der Begriff Leiter jedes Medium, das bewegliche Ladungsträger besitzt und somit zum Transport elektrischer Ladung fähig ist. Alltagsbeispiele sind Kupfer-Kabel als Leiter, durch die sich Elektronen bewegen. Damit elektrischer Strom fließen kann, muss dem System Energie zugeführt werden, die dann im Stromkreis als elektrische Energie transportiert und schließlich wieder in eine andere Energieform umgewandelt wird.
In der Elektroinstallation wird auch jeder durch eine eigene Schmelzsicherung oder einen LS-Schalter abtrennbare Teil einer elektrischen Anlage als Stromkreis bezeichnet.
Von einem offenen Stromkreis spricht man hingegen, wenn der eingangs besprochene Weg an mindestens einer Stelle unterbrochen ist. Eine Unterbrechung kann beispielsweise unbeabsichtigt durch einen Wackelkontakt oder eine fehlende Leitung oder beabsichtigt durch einen elektrischen Schalter entstehen. Auch ein geschlossener Stromkreis kann unbeabsichtigt sein, siehe z. B. Kurzschluss, Körperstrom oder Lokalelement.
Elementarer Stromkreis
Die zwei als Schaltbild dargestellten Stromkreise zeigen jeweils
- links eine Spannungsquelle,
- rechts eine Glühlampe und
- unten einen Schalter.
Im oberen Stromkreis ist der Schalter (und damit der Stromkreis) geschlossen, bei passender Auslegung leuchtet die Glühlampe und zeigt dadurch das Fließen des Stromes an.
Im unteren Stromkreis ist der Schalter geöffnet, ein Strom ist nicht möglich. Die Glühlampe leuchtet nicht.
Bestandteile eines Stromkreises
Quelle
In fast allen Ausführungen stammt die elektrische Energie aus einer Spannungsquelle. Sie erzeugt an ihrem Ausgang eine vom jeweiligen Verbraucher nahezu unabhängige elektrische Spannung. Der elektrische Strom, den sie zugleich liefert, hängt wesentlich vom Verbraucher ab. Diese Quellen sind weit verbreitet, beispielsweise liefern Akkumulatoren und Batterien eine Gleichspannung, das Stromnetz und die Sekundärseite eines Transformators dagegen Wechselspannung.
Verbraucher
Die Bauelemente, in denen die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, werden häufig als elektrischer Verbraucher bezeichnet.[2] Die Stärke des elektrischen Leiterstromes stellt sich einerseits durch die Höhe der Spannung ein, andererseits durch eine Eigenschaft des Verbrauchers, die als elektrischer Widerstand bezeichnet wird. Je größer der Widerstand ist, desto niedriger ist bei Spannungsquellen die Stärke des abgegebenen Stromes. Statt durch Angabe seines Widerstandes wird der Verbraucher teilweise gekennzeichnet durch die Angabe seiner elektrischen Leistung bei Nennspannung.
Häufig kann ein Verbraucher als linearer Widerstand angesehen werden, beispielsweise als ohmscher Widerstand. Aber auch Verbraucher mit nichtlinearem Verhalten wie Halbleiterbauelemente, magnetische Bauelemente (Drosseln, Transformatoren) und die Glühlampe kommen zum Einsatz.
Ein Widerstand darf bei Spannungsquellen beliebig groß werden. Ein geöffneter Schalter stellt in diesem Sinne einen unendlich hohen Widerstand dar. Er darf aber nicht beliebig klein werden, denn dann kommt es zum Kurzschluss. Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt nur von dem Innenwiderstand der Spannungsquelle ab. Bei leistungsstarken Quellen kann der hohe Strom den Leiter schmelzen, einen Brand verursachen oder einen Akkumulator explodieren lassen.
Leiter, Schalter
Die in Schaltbildern gezeichneten Verbindungen werden als verlustlos angesehen. Soweit ein realer elektrischer Leiter der Idealisierung von vernachlässigbar kleinen Leitungsbelägen nicht genügt, muss er wie ein Verbraucher angesehen werden.
Der gezeichnete Schalter ist einpolig ausgeführt. Er kann den Stromkreis unterbrechen oder schließen. Für eine potentialfreie Trennung des Verbrauchers von einer nicht potentialfreien Quelle ist ein zweipoliger Schalter erforderlich, der beide Leiter unterbricht. Sonst kann der Verbraucher weiterhin an gefährlicher Spannung (gegenüber „Masse“) liegen, auch ohne dass ein elektrischer Strom fließt.
Reihen- und Parallelschaltung
oben in Reihenschaltung: ohne Verzweigung,
unten in Parallelschaltung: mit Verzweigung
Mit weiteren Quellen oder Verbrauchern entstehen je nach deren Anordnung Reihen- oder Parallelschaltungen. Sind alle Bauelemente ohne Verzweigung hintereinander geschaltet, so handelt es sich um eine Reihenschaltung. Sie werden alle von demselben Strom durchflossen. Die Gesamtspannung teilt sich auf die einzelnen Bauteile auf.
Sind Bauelemente parallel zueinander geschaltet, so bieten sich dem Strom mehrere Wege. Jeden einzelnen dieser Wege nennt man Stromzweig.[3] An parallelen Verbrauchern liegt dieselbe Spannung. Der Gesamtstrom teilt sich auf die einzelnen Zweige auf.
Schaltungen, die sowohl Elemente von Reihenschaltungen als auch Parallelschaltungen enthalten, nennt man gemischte Schaltungen. Jede gemischte Schaltung lässt sich auf Reihen- und Parallelschaltungen zurückführen. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Schaltungen werden durch die kirchhoffschen Regeln beschrieben.
Eine Anzahl weiterer Schaltungen werden unter Elektrische Schaltung aufgeführt. Eine stärker generalisierte Behandlung findet sich unter Netzwerk (Elektrotechnik).
Weblinks
Einzelnachweise
- Marcelo Alonso, Edward J. Finn: Physik. Oldenbourg, 2000, S. 481.
- Heinz Josef Bauckholt: Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik. Carl Hanser, 2013, S. 46.
- Lothar Papula: Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 1. Springer Vieweg, 2014, S. 36.