Elektrischer Stromkreis

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Einleitung

Elektrischer Stromkreis, allgemeine Bezeichnung für die beliebige Zusammenschaltung von einer oder auch mehrerer Stromquellen und verschiedenen elektronischen Einheiten (z. B. Widerstände, Kondensatoren, Transistoren etc.). Ein geschlossener Stromkreis liegt dann vor, wenn der Strom von einer Quelle über einen elektrischen Leiter alle angeschlossenen Stationen des Kreises durchläuft und zurück zum Ausgangspunkt fließt. Im Gegensatz dazu ist in einem offenen Stromkreis kein Stromfluss möglich – z. B. auf Grund eines geöffneten Schalters. Bei einem so genannten Kurzschluss (ebenfalls ein geschlossener Stromkreis) sind beide Pole der Stromquelle direkt miteinander verbunden, also ohne zwischengeschaltete Einheiten. Die Berechnung von elektrischen Stromkreisen gelingt mit Hilfe der Kirchhoff’schen Regeln (siehe unten).

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Ohm’sches Gesetz

In einem elektrischen Stromkreis fließt der Strom nach zahlreichen festgelegten Regeln. Ein grundlegendes Gesetz für den Stromfluss ist das Ohm’sche Gesetz, das nach seinem Entdecker Georg Ohm benannt wurde. Nach diesem Gesetz ist der Betrag des Stromes in einem Stromkreis aus reinen Widerständen direkt proportional (verhältnisgleich) zur Spannung und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises. Die Formel wird normalerweise mit der Formel

I = U/R

ausgedrückt, wobei I der Strom in Ampere (Symbol: A), U die Spannung in Volt (Symbol: V) und R der Widerstand in Ohm (Symbol: Ω) ist (siehe elektrische Einheiten). Das Ohm’sche Gesetz gilt für alle elektrischen Stromkreise, sowohl für Gleichstrom (gleich bleibende Fließrichtung) als auch für Wechselstrom (zeitlich wechselnde Fließrichtung). Allerdings müssen für die Analyse komplexer Schaltkreise zusätzliche Prinzipien beachtet werden, ebenso für Wechselstromkreise mit Induktivität (siehe Induktion) und Kapazität (siehe unten).

In einer so genannten Reihenschaltung (auch Serienschaltung) sind alle Geräte bzw. Elemente des Stromkreises hintereinander aufgebaut. Mit einfachen Worten ausgedrückt ist der Ausgang der vorhergehenden Einheit mit dem Eingang der folgenden verbunden, es besteht also keine Aufzweigung. Im Gegensatz dazu ermöglichen Parallelschaltungen mehrere Stromzweige – in diesem Fall sind sowohl Ein- als auch Ausgänge untereinander verbunden. Wenn zwei oder mehr Widerstände sich in einer Reihenschaltung befinden, errechnet sich der Gesamtwiderstand als Summe aller Einzelwiderstände. Sind die Widerstände jedoch parallel geschaltet, wird der Gesamtwiderstand nach folgender Formel berechnet:

In einer Parallelschaltung werden alle Einzelstationen wie beispielsweise Glühlampen (siehe elektrische Beleuchtung) oder elektrische Schalter so angeordnet, dass alle positiven (+) Pole, Elektroden und Anschlüsse an einen elektrischen Leiter angeschlossen sind und alle negativen (-) an einen anderen Leiter, so dass mehrere Stromzweige entstehen. Der Wert zweier gleicher paralleler Widerstände entspricht der Hälfte des Wertes eines einzelnen Widerstandes. In jedem Fall ist der Gesamtwert von parallel geschalteten Widerständen kleiner als der Wert des kleinsten der betroffenen Widerstände. In Wechselstromkreisen und anderen Stromkreisen mit veränderlichen Strömen müssen noch weitere Schaltkomponenten außer den Widerständen betrachtet werden.

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Kirchhoff’sche Regeln

Sind in einem Stromkreis eine Anzahl miteinander verbundener Zweige enthalten, treffen zwei andere Gesetze für die Bestimmung des Stromflusses in den Verzweigungen zu. Diese Regeln wurden von Gustav Robert Kirchhoff entdeckt.

Nach der ersten Kirchhoff’schen Regel (Knotenregel) entspricht in jedem Knoten (Verzweigung) eines Stromkreises mit gleich bleibenden Stromfluss die Summe der zu diesem Knoten fließenden (positiv gerechneten) Ströme der Summe der abfließenden (negativ gerechneten) Ströme.

Die zweite Regel (Maschenregel) stellt fest, dass angefangen bei einem beliebigen Startpunkt innerhalb des Netzes, bei Verfolgung eines beliebigen geschlossenen Weges bis zum Startpunkt zurück (das ist eine Masche im Stromnetz), die Summe der aufgetretenen Urspannungen (von der Stromquelle) der Summe der Spannungsabfälle

(U = IR)

über alle durchlaufenen Widerstände, einschließlich der inneren Widerstände der Stromquelle, entspricht. Die Zählrichtung der Urspannungen erfolgt vom positiven Pol zum negativen Pol der Stromquelle. Die zweite Regel ist im Prinzip eine Erweiterung des Ohm’schen Gesetzes.

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Impedanz (Wechselstromwiderstand)

Die Anwendung des Ohm’schen Gesetzes auf Wechselstromkreise wird durch die Tatsache kompliziert, dass dort immer Kapazität und Induktivität auftreten. Die Induktivität sorgt dafür, dass der Spitzenwert eines Wechselstromes gegenüber der Spannungsspitze verzögert wird. Die Kapazität bewirkt eine Verzögerung der Spannungsspitze gegenüber dem Stromspitzenwert. Kapazität und Induktivität behindern den Wechselstromfluss und müssen daher in Berechnungen des Stromflusses einbezogen werden. Der Strom in Wechselstromkreisen kann graphisch mit Hilfe von Vektoren oder anhand der algebraischen Gleichung

bestimmt werden. Dabei entspricht L der Induktivität, C der Kapazität und f der Frequenz des Stromes. Die Impedanz des Wechselstromkreises wird mit dem Buchstaben Z abgekürzt und der Betrag als Scheinwiderstand bezeichnet. Das Ohm’sche Gesetz für Wechselstromkreise wird dann durch die einfache Formel

I = E/Z

beschrieben.