Legen wir an einen elektrischen Leiter eine Spannung an, dann beginnt ein Strom zu fließen. Ladungsträger, die sich in dem Leiter frei bewegen können (bei einem Metall sind es Elektronen) bewegen sich, angetrieben durch das elektrische Feld. Befinden sich viele gleichartige Ladungsträger an einem Punkt, dann erhöht sich das entstehende elektrische Feld (die elektrische Spannung wird größer) und damit die wirkende Kraft auf die freien Elektronen. Die Intensität ihrer Bewegung steigt. In der Elektrotechnik heißt es dann, daß die Stromstärke zunimmt.
Es gibt hier also einen fundamentalen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung: je höher die elektrische Spannung zwischen zwei Punkten, desto höher ist auch der elektrische Strom zwischen diesen Punkten.
Ein kleines Gedankenexperiment mit Murmeln
Wir machen einmal nun ein kleines Gedankenexperiment: Ein Holzbrettchen wird waagerecht auf den Tisch gelegt. Dieses Brettchen symbolisiert in unserem Experiment ein Stück Kupfer, einen elektrischen Leiter. Auf das Brettchen legen wir kleine Murmeln - das sind unsere Elektronen, sie sind frei beweglich. Nun heben wir das Brettchen an einer Seite leicht an: die Murmeln bewegen sich alle in eine Richtung, nach unten. Diese gerichtete Bewegung der Elektronen entspricht dem elektrischen Strom.
Heben wir das Brettchen an dieser einen Seite stärker an, so werden die Murmeln schneller nach unten rollen. Dieser Höhe, mit der wir das Brettchen in unserem Gedankenexperiment auf der einen Seite anheben, entspricht in der Elektrotechnik die elektrische Spannung. In unserem Gedankenexperiment bringen wir auf diesem Brettchen eine Anzahl von Nägel an - es entsteht ein regelrechtes "Nagelbrett". Die Nägel werden unregelmäßig angeordnet, aber dennoch einigermaßen gleichmäßig verteilt.
Die Murmeln werden wieder auf das Brett gelegt, wieder wird das Brettchen auf einer Seite angehoben. Die Murmeln bewegen sich alle wieder in eine Richtung. Aber: auf ihrem Weg nach unten stoßen die Murmeln immer wieder auf Nägel. Die Wahrscheinlichkeit, daß eine Murmel ohne Zusammenstoß mit einem Nagel nach unten rollt, ist so gering, daß dieser Fall nie eintritt.
Wir haben einen elektrischen Widerstand!
Auch wenn es nun länger dauert: alle Murmeln gelangen am Ende zum unteren Rand des Brettchens. Der schnellen Bewegung nach unten haben wir etwas entgegengesetzt. Etwas, was es den Murmeln erschwert, sich in die gewünschte Richtung zu bewegen. In unserem Gedankenexperiment haben wir in den gedachten "Stromkreis" einen elektrischen Widerstand eingebaut. Je mehr Nägel wir in das Brett einschlagen, desto langsamer gelangen die Murmeln nach unten, desto höher ist also der elektrische Widerstand. In der Elektrotechnik sagt man dann auch, daß ein Widerstand den "Strom in einem Schaltkreis begrenzt".
Unser Experiment führt zu einem Gesetz
Man kann es übrigens auch anders formulieren: Um einen bestimmten Strom fließen zu lassen (Gedankenexperiment: eine bestimmte Anzahl von Murmeln in einer bestimmten Zeit auf dem Nagelbrett nach unten rollen zu lassen) benötigt man eine bestimmte Spannung (Gedankenexperiment: Das Nagelbrett muß auf der einen Seite eine bestimmte Höhe angehoben werden). Der elektrische Widerstand kann gemessen werden, seine Einheit ist "Ohm", abgekürzt "Ω".
Das "Ohmsche Gesetz"
Das "Ohmsche Gesetz" besagt, daß in einem Stromkreis die Stromstärke immer proportional zur angelegten Spannung ist. Der "Proportionalitätsfaktor" ist der elektrische Widerstand. (Wenn man die Formelzeichen "U" für Spannung, "I" für Strom und "R" für Widerstand benutzt, dann lautet das "Ohmsche Gesetz" als Formel: U= R * I).
Der elektrische Widerstand eines elektrischen Leiters wird kleiner, wenn man seinen Querschnitt vergrößert. In unserem Gedankenexperiment können wir uns das mit einer Pappröhre verdeutlichen, in die von außen Nägel gesteckt wurden. Läßt man von oben Murmeln durch die Pappröhre fallen, dann können umso mehr Murmeln in kürzerer Zeit durch die Röhre fallen, je größer der Durchmesser der Röhre ist.
Hat das Gedankenexperiment mit der wirklichen Bewegung der Elektronen zu tun?
Das hat es tatsächlich! Wir können uns in einem elektrischen Leiter die gedachten Nägel als Atome vorstellen. Tatsächlich kommt es bei der Wanderung der Elektronen zu Zusammenstößen mit den Atomen, die ja nicht wandern können, sondern fest "eingebaut" im elektrischen Leiter sind. Bei diesen Zusammenstößen geht elektrische Energie verloren, die sich in Wärmeenergie wandelt. Auch hier gilt: je höher die Spannung, desto höher der Strom und desto intensiver sind die Zusammenstöße der Elektronen mit den Atomen - und desto wärmer wird es im elektrischen Leiter.
Elektrische Widerstände in der Praxis
In elektronischen Schaltungen werden oft elektrische Widerstände benötigt. Wie in unserem oberen Bild zu sehen sind das oft Keramikkörper mit einer Beschichtung und Anschlußdrähten. Aber auch ein Glühlämpchen oder ein kleiner Elektromotor sind elektrische Widerstände. Besonders beim Glühlämpchen kann man gut beobachten, wie elektrischer Strom in Wärmeenergie gewandelt wird. Sie leuchten nicht nur, sondern werden fühlbar warm.
Verstellbare Widerstände
Es gibt auch verstellbare Widerstände, denken wir nur an den Lautstärkeregler eines Radios. Solche verstellbaren Widerstände heißen "Potentiometer".
Gibt es auch elektrische Leiter ohne Widerstand?
Ja! Sie heißen "Supraleiter" und es gibt sie nur bei sehr, sehr tiefen Temperaturen. Um sie zu bekommen, ist ein hoher Aufwand nötig.
Hier finden Sie eine Auswahl gut gemachter Elektronikbaukästen.
Foto oben: © Sascha Wilsrecht - Fotolia.com
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