Elektrotechnik: Übungs-Testlets für den TestAS

In einem Stromkreis treibt eine Spannungsquelle wie eine Batterie einen Strom durch Leiter und Bauteile. Das ohmsche Gesetz besagt, dass die Stromstärke I durch einen Widerstand proportional zur Spannung U an ihm ist: U = R·I, wobei R der Widerstand in Ohm (Ω) ist. Die in einem Bauteil umgesetzte elektrische Leistung ist P = U·I.

U = R·I P = U·I Reihe: R = R1 + R2 parallel: 1/R = 1/R1 + 1/R2

Bauteile können in Reihe oder parallel geschaltet werden. In einer Reihenschaltung fließt durch alle Bauteile derselbe Strom, die Spannungen an ihnen addieren sich zur Quellenspannung, und der Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände. Fällt ein Bauteil aus und unterbricht den Kreis, fließt nirgends mehr Strom, wie bei alten Weihnachtslichterketten.

In einer Parallelschaltung liegt an allen Bauteilen dieselbe Spannung, die Ströme durch sie addieren sich zum Gesamtstrom, und der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Haushaltsgeräte sind parallel geschaltet, damit jedes die volle Netzspannung erhält und unabhängig geschaltet werden kann. Diese Regeln folgen aus den kirchhoffschen Gesetzen: An jedem Knoten ist die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden (Knotenregel), und in jeder geschlossenen Masche addieren sich die Spannungen zu null (Maschenregel).

Je mehr Geräte parallel eingeschaltet sind, desto kleiner ist der Gesamtwiderstand und desto größer der Gesamtstrom. Sicherungen und Leitungsschutzschalter unterbrechen den Kreis, wenn der Strom einen sicheren Wert überschreitet, damit sich die Leitungen nicht überhitzen.

Ein Techniker prüft zwei Anordnungen derselben zwei Widerstände, R1 = 4 Ω und R2 = 6 Ω, an einer 12-V-Batterie, deren Innenwiderstand vernachlässigt werden kann.

Messgeräte müssen richtig angeschlossen werden. Ein Amperemeter, das die Stromstärke misst, wird in Reihe mit dem Bauteil geschaltet, damit derselbe Strom hindurchfließt, und hat einen sehr kleinen Widerstand. Ein Voltmeter wird parallel zu dem Bauteil geschaltet, dessen Spannung es misst, und hat einen sehr großen Widerstand, damit es fast keinen Strom aufnimmt. Ein Amperemeter parallel zu einer Batterie würde einen Kurzschluss verursachen und könnte das Gerät zerstören. Bei praktischen Rechnungen vereinfachen Ingenieure eine Schaltung meist schrittweise und ersetzen Reihen- oder Parallelgruppen von Widerständen durch ihren Ersatzwiderstand, bis nur noch einer übrig ist.

Elektrischer Strom ist fließende elektrische Ladung. Seine Einheit, das Ampere (A), entspricht einer Ladung von einem Coulomb, die pro Sekunde an einer Stelle vorbeifließt. Die Spannung, gemessen in Volt (V), ist die pro Ladung übertragene Energie; sie treibt den Strom durch einen Stromkreis. Der Widerstand eines Bauteils in Ohm bestimmt, wie viel Strom bei einer bestimmten Spannung fließt (ohmsches Gesetz, U = R·I). Der Widerstand eines Drahtes nimmt mit seiner Länge zu und mit seiner Querschnittsfläche ab, und er hängt vom Material ab: Kupfer und Aluminium leiten gut und werden deshalb für Kabel verwendet.

P = U·I E = P·t R = ρ·l ÷ A 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s

In Europa liefern Haushaltssteckdosen eine Wechselspannung von etwa 230 V. Jedes Gerät ist mit seiner Leistung in Watt gekennzeichnet: Die Leistung P, die pro Sekunde umgesetzte Energie, ist Spannung mal Stromstärke. Ein Wasserkocher mit 2 300 W zieht also einen Strom von 10 A. Die in einer Zeitspanne verbrauchte Energie ist Leistung mal Zeit. Stromversorger rechnen die Energie in Kilowattstunden ab: Ein Gerät mit 1 kW Leistung, das eine Stunde läuft, verbraucht 1 kWh, das sind 3,6 Millionen Joule.

Stromkreise im Haushalt sind durch Leitungsschutzschalter oder Sicherungen geschützt, meist für 16 A. Übersteigt der Gesamtstrom in einem Stromkreis diesen Wert, etwa wenn mehrere leistungsstarke Geräte am selben Stromkreis laufen, löst der Schalter aus, damit die Kabel nicht überhitzen. Ein Fehlerstromschutzschalter vergleicht zusätzlich den hin- und den zurückfließenden Strom; fließt ein Teil des Stroms ab, etwa über eine Person, die ein defektes Gerät berührt, schaltet er in einem Bruchteil einer Sekunde ab.

Elektrische Ladungen üben Kräfte aufeinander aus. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Nach dem coulombschen Gesetz ist die Kraft zwischen zwei Punktladungen proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands: Verdoppelt man den Abstand, sinkt die Kraft auf ein Viertel. Diese Kraft hält Atome und Moleküle zusammen und verursacht elektrostatische Aufladung.

Viele Geräte verbrauchen Energie, auch wenn sie ausgeschaltet, aber noch eingesteckt sind: der sogenannte Standby-Verbrauch. Auch wenn jedes Gerät nur wenig Leistung braucht, kann die Summe einen spürbaren Teil der Stromrechnung eines Haushalts ausmachen.