Einfacher Stromkreis

Worum geht es?

Eine Glühlampe leuchtet nur, wenn sie in einem geschlossenen Stromkreis liegt: Von einem Pol der Batterie muss ein durchgehender Weg aus Leitern durch die Lampe zum anderen Pol führen. Ein Schalter öffnet oder schließt diesen Weg. Ist er offen, ist der Stromkreis unterbrochen (offener Stromkreis) und es fließt kein Strom.

Elektronen: In Metallen gibt es frei bewegliche, negativ geladene Elektronen. Sie sind überall in den Leitungen vorhanden – auch wenn kein Strom fließt. Wird der Stromkreis geschlossen, setzen sich alle gleichzeitig in Bewegung: außerhalb der Batterie vom Minuspol (−) zum Pluspol (+). Die Batterie treibt sie an wie eine Pumpe; in der Lampe werden sie nicht verbraucht – genauso viele Elektronen fließen hinein wie heraus.

Technische Stromrichtung: Sie wurde festgelegt, bevor man die Elektronen kannte, und zeigt außerhalb der Batterie vom Pluspol zum Minuspol – also entgegen der Bewegung der Elektronen. In Schaltplänen wird meist die technische Stromrichtung eingezeichnet.

Schaltplan: Statt Bauteile abzuzeichnen, verwendet man genormte Schaltzeichen (DIN EN 60617) und zeichnet Leitungen als gerade Linien:

• Batterie: langer dünner Strich = Pluspol, kurzer dicker Strich = Minuspol
• Glühlampe: Kreis mit Kreuz, Elektromotor: Kreis mit M
• Schalter: ein Strich, der den Leiter unterbricht (offen) oder schließt
• Sicherung: Rechteck, durch das der Leiter längs verläuft

Leiter und Nichtleiter: Metalle und Graphit leiten den elektrischen Strom (Leiter). Holz, Kunststoff, Gummi und Glas leiten ihn nicht (Nichtleiter oder Isolatoren). Isolatoren schützen uns, z. B. als Kunststoffhülle um Kabel.

Kurzschluss: Werden die beiden Anschlüsse der Lampe – und damit die Pole der Batterie – durch einen Leiter fast ohne Widerstand verbunden, fließt der Strom an der Lampe vorbei. Die Lampe geht aus, die Stromstärke steigt stark an: In der Simulation von etwa $0{,}3\,\text{A}$ auf etwa $6\,\text{A}$. Leitung und Batterie werden heiß – es besteht Brandgefahr. Eine Sicherung schützt davor: Ihr dünner Draht schmilzt bei zu großer Stromstärke durch und unterbricht den Stromkreis.

Ausprobieren

1. Tippe auf den Schalter. Beobachte die Elektronen: Setzen sie sich erst an der Batterie in Bewegung oder überall gleichzeitig?
2. Vergleiche Aufbau und Schaltplan. Welches Schaltzeichen gehört zu welchem Bauteil? Fahre mit der Maus über die Bauteile oder tippe sie an.
3. Ersetze die Lampe durch einen Motor oder eine Klingel. Motor · Klingel
4. Schalte auf die technische Stromrichtung um und vergleiche mit der Bewegung der Elektronen. Technische Stromrichtung
5. Tippe auf die lose Leitung, sodass sie über der Lampe liegt. Was passiert mit der Lampe und mit der Stromstärke? Kurzschluss
6. Baue eine Sicherung ein und stelle dann den Kurzschluss her. Mit Sicherung
7. Prüfe alle Gegenstände in der Prüfstrecke: Welche leiten? Leitertest

Aufgaben

Aufgabe 1: Schaltplan zeichnen

Zeichne den Schaltplan eines Stromkreises aus Batterie, Schalter und Elektromotor. Vergleiche dann mit der Simulation.

Aufgabe 2: Leiter oder Nichtleiter?

Sage zuerst vorher, welche der acht Gegenstände den Strom leiten. Prüfe dann mit der Prüfstrecke. Aufgabe laden

Aufgabe 3: Woher kommen die Elektronen?

Lena meint: „Wenn ich den Schalter schließe, laufen die Elektronen aus der Batterie los. Bis sie bei der Lampe sind, dauert es einen Moment.“ Was stimmt daran nicht?

Aufgabe 4: Kurzschluss

Warum geht die Lampe aus, wenn eine Leitung über ihren beiden Anschlüssen liegt – obwohl der Stromkreis geschlossen ist? Warum ist das gefährlich? Aufgabe laden

Aufgabe 5: Sicherung

Die Sicherung ist durchgeschmolzen. Tom will sie durch ein Stück Draht ersetzen, „weil das auch leitet“. Was sagst du ihm?

Ideen für den Unterricht

• Einsatz: Einführung des elektrischen Stromkreises, Schaltzeichen und Schaltpläne, Leiter und Isolatoren, Kurzschluss und Sicherung (Klasse 7/8, je nach Lehrplan auch früher). Aufbau und Schaltplan stehen nebeneinander; beim Überfahren eines Bauteils wird es in beiden Darstellungen markiert. Mit view=plan bzw. view=real wird nur eine Darstellung gezeigt, mit flow=none sieht man – wie im echten Versuch – nur die Wirkungen des Stroms.
• Modell: Flachbatterie $4{,}5\,\text{V}$ mit Innenwiderstand $0{,}7\,\Omega$, Glühlampe $4{,}5\,\text{V}\,/\,0{,}3\,\text{A}$, Motor und Klingel vereinfacht als Widerstände, Sicherung $1\,\text{A}$. Die Geschwindigkeit der Punkte ist nur ein Maß für die Stromstärke; echte Elektronen driften viel langsamer. Was in der Batterie geschieht, wird nicht gezeigt. Die Kurzschlussstromstärke hängt bei echten Batterien von Alter und Bauart ab.
• Häufige Stolpersteine:
  • „Der Strom wird in der Lampe verbraucht.“ – Es fließen genauso viele Elektronen zurück; umgewandelt wird Energie.
  • „Die Elektronen kommen aus der Batterie.“ – Sie sind überall im Leiter vorhanden.
  • „Eine Leitung zur Lampe genügt.“ – Es braucht einen geschlossenen Kreis mit Hin- und Rückleitung.
  • „Kurzschluss heißt kurze Leitung.“ – Entscheidend ist der fehlende Widerstand zwischen den Polen.
• Sicherheit: Experimente an der Steckdose sind lebensgefährlich. Auch Akkus (z. B. Lithium-Akkus) dürfen nie kurzgeschlossen werden.