Stromkreis: Definition, Typen, Komponenten (mit Beispielen und Diagrammen)

Die elektrische Verkabelung in Ihrem Haus, die Ihren Laptop, Ihr Telefonladegerät und kleinere Werkzeuge wie Kühlschränke und Herde in Betrieb hält, besteht aus einer Reihe von miteinander verbundenen Stromkreisen. Diese werden an jede Stromquelle angeschlossen, die Ihr Zuhause mit Strom versorgt.

Der Zweck von Kreisläufen besteht darin, Strom und sein beträchtliches Energiepotential genau dorthin zu bringen, wo er hin muss, und dabei die potenziell schädlichen Auswirkungen von Strom einzudämmen.

Was geht in all diesen Drähten vor, die selbst meist außer Sichtweite sind? Um mit den Grundlagen zu beginnen, bewegen sich freie Elektronen aus physikalischen Gründen, die später beschrieben werden, in Gegenwart eines elektrischen Feldes. Wenn ihnen ein geschlossener Pfad gegeben wird, in dem sie fließen können, kann ein elektrischer Stromkreis erstellt werden.

Eine einfache Schaltung besteht nur aus einer Spannungsquelle (elektrische Potentialdifferenz); ein Medium, durch das Elektronen fließen können, normalerweise ein Draht; und eine Quelle des elektrischen Widerstands in der Schaltung. Die meisten Beispiele aus der Praxis sind jedoch weitaus komplexer, und es gibt mehrere Arten von Stromkreisen, die alle für den effizienten Stromfluss unerlässlich sind.

Die grundlegenden konzeptionellen Elemente in der Welt der Elektrizität sind Strom, Spannung und Widerstand. Bevor man diese erforscht, ist es notwendig, etwas tiefer zu blicken, zurück auf die Idee der freien Elektronen. Ein Elektron trägt konventionsgemäß eine negative Ladung mit einer Größe von 1,60 × 10^-19 Coulomb oder C. Da der Elektronenfluss den Strom bestimmt, fließen Ladungen in einem Stromkreis vom Minuspol weg und in Richtung Pluspol.

Die "Einheitsladung" in der Physik ist als positiv normiert und hat die gleiche Größe wie die Ladungeauf einem Elektron. Eine positive Ladung, die in der Nähe eines positiven Pols platziert wird, erfährt eine "Abstoßung" und "will" sich vom Pol wegbewegen, umso stärker, je näher der Abstand gegen Null geht. In diesem Zustand hat die Ladung ein höheres elektrisches Potential als in einiger Entfernung.

Somit fließt eine "Ladung" ("positiv" ist impliziert, sofern nicht anders angegeben) von Bereichen höherer Spannung zu Bereichen niedrigerer Spannung. Dies ist die Potenzialdifferenz oder Spannung, auf die in der Physik Bezug genommen wird, und ihre Größe bestimmt teilweise den Stromfluss in einem Stromkreis. Elektrischer Strom kommt in Form von Wechselstrom (ein "zitternder", phasischer Fluss) und Gleichstrom (gleichförmiger Fluss) vor; Letzteres ist der moderne Standard im Einsatz in Stromnetzen.

• Der Stromfluss wird mit einem Gerät namens an. gemessenAmperemeter. Das gleiche Gerät kann normalerweise alsVoltmeterPotentialdifferenz zu messen.

Der vorherige Abschnitt kann weitgehend durch ein einfaches mathematisches Gesetz, das Ohmsche Gesetz genannt wird, zusammengefasst werden:

woichist aktuell inAmpere(C/s), V ist Spannung oder Potentialdifferenz, inVolt(Joule pro C oder J/C; beachte den Energieterm im Nenner) undRist der Widerstand inOhm​ (Ω).

In einer Reihenschaltung sind die Widerstände einzelnerWiderständewerden addiert, um den Widerstand der gesamten Schaltung zu berechnen. Bei Parallelschaltungen, über die Sie gleich lesen werden, gilt:

woR₁, R₂und so weiter sind die einzelnen Werte derneinWiderstände in der Parallelschaltung.

Ein Stromkreis ist eine geschlossene Schleife, durch die aufgrund einer treibenden Spannung elektrische Ladung fließt. Strom ist die Flussrate, gemessen als Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit einen bestimmten Punkt im Stromkreis passiert.

Manchmal ist es hilfreich, sich den Strom in einem Kabelstromkreis als Analogie zu Wasser vorzustellen, das durch Rohre fließt. Wasser fließt von Regionen mit hoher potentieller Energie in Regionen mit niedriger potentieller Energie. Eine Quelle müsste dann Energie verwenden, um das Wasser nach oben zu heben, damit es bergab fließt. Um einen kontinuierlichen Wasserfluss zu haben, muss das Wasser, sobald es den Boden erreicht, wieder nach oben gehoben werden.Diese Aktion, das Wasser wieder nach oben zu heben, ist im Wesentlichen das, was eine Batterie oder Stromquelle in einem Stromkreis tut.​

Das Ziel einer Schaltung ist es, mit diesem Ladungsfluss etwas Nützliches zu tun. Alle Kreisläufe enthalten eine Art Widerstandselement, das den Ladungsfluss verlangsamt, so wie ein Damm den Wasserfluss aus einem Reservoir verlangsamt. Wird beispielsweise eine Glühbirne in einen Stromkreis eingefügt, verlangsamt sie den Ladungsfluss und wandelt die damit verbundene Energie in Licht um.

Oft ist es sinnvoll, ein Schaltbild zu skizzieren, wenn Sie eine Kombination vonV, ichundRund gebeten, nach der unbekannten Größe aufzulösen. Verwenden Sie dazu eine Reihe von Symbolen, um die Skizze zu vereinfachen.

•••Dana Chen | Wissenschaft

Diese Symbole werden dann mit geraden Linien verbunden, um einen Schaltplan zu erstellen.

•••Dana Chen | Wissenschaft

EINReihenschaltunghat Elemente, die in Reihe oder hintereinander ohne die Drahtverzweigung geschaltet sind. Der Strom, der durch alle in Reihe geschalteten Elemente fließt, ist gleich, egal wie viele Widerstände auf dem Weg angetroffen werden.

EINParallelschaltunghat Elemente, die parallel geschaltet sind – das heißt, ein Punkt in den Stromkreiszweigen, wobei die Drähte zu zwei verschiedenen Elementen führen, und dann vereinigen sich die Zweige wieder.Die Spannung an jedem parallel geschalteten Element ist gleich.​

Einoffener Kreislaufist eine, in der kein Strom fließen kann, weil die Schleife irgendwann unterbrochen wird. EINGeschlossener Stromkreisist eine, bei der die gesamte Schleife gebildet wird und Strom fließen kann. Letzteres ist offensichtlich interessanter zu studieren.

EINKurzschlussist eine, bei der die Widerstandselemente umgangen werden und der Stromfluss sehr hoch ist. Diese sind im Allgemeinen unerwünscht, und Geräte, die Leistungsschalter genannt werden, werden in Stromkreisen installiert, um die Stromkreis und Unterbrechung des Stromflusses zum Schutz vor Beschädigung des Stromkreises und der elektrischen Geräte sowie zum Schutz vor Feuer.

1. Eine Reihenschaltung besteht aus einer 9-V-Stromquelle (in diesem Fall einer Batterie) und vier Widerständen mit Widerstandswerten von 1,5, 4,5, 2 und 1. Wie ist der Stromfluss?

Berechnen Sie zunächst den Gesamtwiderstand. In Erinnerung an die Regel aus einem vorherigen Abschnitt lautet dies einfach 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Somit ist der Stromfluss

2. Stellen Sie sich nun die gleiche Spannung und vier Widerstände vor, aber mit den 1,5-Ω- und 4,5-Ω-Widerständen parallel und den anderen wie zuvor angeordnet. Wie ist der Stromfluss?

Berechnen Sie diesmal den Widerstand im parallelen Teil der Schaltung. Dies ist gegeben durch 1/R​ = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. ​Vergessen Sie nicht, den Kehrwert dieser Zahl zu nehmen, um zu erhaltenR​!Dies ist gegeben durch 1/0,89 = 1,13 Ω.

Sie können diesen Teil der Schaltung nun als einzelnes Widerstandselement mit einem Widerstand von 0,89 behandeln, und das gesamte Problem wird wie bei einer Reihenschaltung gelöst: R_Knirps = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Dadurch können Sie erneut nach Strom auflösen:V/R_Knirps= 9 V/4,13 Ω =2,18 A​.

3. Schließlich, aufbauend auf dem Aufbau im vorherigen Beispiel, kombinieren Sie die 2-Ω- und 1-Ω-Widerstände in einer Parallelschaltung, was zwei Sätze von Parallelschaltungen ergibt, die ihrerseits in Reihe geschaltet sind. Wie ist der aktuelle Fluss jetzt?

Nach dem Widerstand der neuen Parallelschaltung auflösen: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67. Der Gesamtwiderstand beträgt somit 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Der Strom in der neu überarbeiteten Schaltung beträgt somit 9 V/1,79 Ω =5,03 A​.

Diese Beispiele veranschaulichen, dass die Verteilung des Widerstands über parallele Widerstände den Stromfluss erhöht, indem der Gesamtwiderstand verringert wird, da sich die Spannung nicht ändert.