Physik · P6 · Elektrischer Stromkreis
Wasserstromkreis und Stromkreis
Strom und Spannung kann man nicht sehen. Ein Modell hilft: Im geschlossenen Wasserstromkreis treibt eine Pumpe Wasser durch Rohre, die ganz mit Wasser gefüllt sind. Links siehst du den Wasserstromkreis, rechts den passenden elektrischen Stromkreis. Beide Seiten hängen an denselben Einstellungen.
So gehst du vor
- 1Stelle den Antrieb ein und sieh zu, wie Wasser und Elektronen wandern. Ihr Tempo zeigt den Durchfluss bzw. die Stromstärke.
- 2Vergleiche die Messgeräte vor und hinter der Turbine bzw. Lampe.
- 3Ändere die Engstellen, schalte zwei Bauteile in Reihe oder parallel und beobachte beide Seiten.
- 4Drehe den Hahn zu und trenne den Kreis auf. Wo passt das Modell, wo nicht?
Wasserstromkreis
Elektrischer Stromkreis
Schaltung
Bauteile
Antrieb: Pumpe ↔ Batterie
6,0 VDie Pumpe erzeugt einen Druckunterschied von 0,60 bar, die Batterie die Spannung U = 6,0 V.
Turbine ↔ Lampe
Wasser vor
0,50 Ls
Strom vor
0,50 A
Wasser hinter
0,50 Ls
Strom hinter
0,50 A
„vor“ und „hinter“: vor und hinter der Turbine bzw. Lampe.
I = UR = 6,0 V12 Ω = 0,50 A
Strom wird nicht verbraucht, Energie wird abgegeben. Aus der Turbine fließt genauso viel Wasser heraus, wie hineinfließt. Genauso kommen aus der Lampe so viele Elektronen heraus, wie hineingehen. Turbine und Lampe nehmen dem Strom Energie ab, nicht Wasser oder Elektronen.
Was im Modell wofür steht
| Wasserstromkreis | elektrischer Stromkreis |
|---|---|
| Pumpe | Batterie, Quelle |
| Druckunterschied: 0,60 bar | Spannung: U = 6,0 V |
| Wasserstromstärke: 0,50 Ls | Stromstärke: I = 0,50 A |
| Turbine, Engstelle im Rohr | Lampe, Motor, Widerstand R |
| Hahn | Schalter |
| Rohre voller Wasser | Leitungen voller freier Elektronen |
| Druck an einer Stelle | Potenzial |
Der Maßstab zwischen beiden Seiten ist frei gewählt: 1 V entspricht hier 0,1 bar, 1 A entspricht 1 Liter in jeder Sekunde. Die Lampen werden wie feste Widerstände behandelt; eine echte Glühlampe hat warm einen größeren Widerstand als kalt. Gezeigt sind die Elektronen, sie wandern außen vom Minuspol zum Pluspol. Die technische Stromrichtung zeigt andersherum.
Wo das Modell nicht passt
- Offenes Rohr, offene Leitung. Trennt man ein Wasserrohr auf, läuft das Wasser aus. Zieht man ein Kabel ab, bleiben die Elektronen im Draht, es fließt nur kein Strom mehr. Probiere „Kreis auftrennen“. Hahn zu und Schalter offen passen dagegen gut zusammen: Beide stoppen den Strom im ganzen Kreis, und Rohre wie Leitungen bleiben voll.
- Masse und Trägheit. Wasser ist schwer. Dreht man einen Hahn schlagartig zu, drückt das strömende Wasser noch nach, und es schlägt im Rohr. Eine Pumpe braucht einen Moment, bis das Wasser in Fahrt ist. Elektronen haben fast keine Masse: Der Strom setzt praktisch sofort ein und hört sofort auf.
- Langsame Elektronen, schnelles Signal. Im Bild wandern Wasser und Elektronen gleich schnell. In Wirklichkeit kriechen die Elektronen: Bei 1 A in einem Kupferdraht mit 1 mm² Querschnitt kommen sie nur etwa 0,07 mm in jeder Sekunde voran. Die Lampe leuchtet trotzdem sofort, denn die Leitung ist schon voll, und der Anstoß läuft fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Draht.
- Druck und Potenzial. Wasser strömt vom hohen zum niedrigen Druck. Die Elektronen sind negativ geladen und wandern vom Minuspol (niedriges Potenzial) zum Pluspol (hohes Potenzial). Druck und Potenzial passen deshalb nur zur technischen Stromrichtung zusammen.
Aufträge
- Wähle ein Bauteil. Vergleiche die Anzeigen vor und hinter der Turbine bzw. Lampe. Wird Wasser bzw. Strom verbraucht? Was bekommen Turbine und Lampe?
- Verdopple den Antrieb. Stelle ihn zurück und mache die Engstelle enger, sodass sich ihr Widerstand verdoppelt. Was passiert jeweils mit dem Durchfluss und der Stromstärke?
- Schalte zwei gleiche Lampen erst in Reihe, dann parallel. Wo ist die Stromstärke in der Hauptleitung größer? Erkläre mit dem Wassermodell.
- Drehe den Hahn zu, dann wieder auf, und trenne danach den Kreis auf. Beschreibe, was im Rohr und in der Leitung passiert. Wo passt das Modell, wo nicht?