1) elektrische Schaltungen

Elektrische Schaltungen – Wie Stromkreise aufgebaut und berechnet werden

Elektrische Schaltungen (Stromkreise) bilden die Grundlage fast aller technischen Anwendungen – von der einfachen Lampe bis zum Computer. In der Physik untersuchen wir vor allem Gleichstromschaltungen mit Widerständen, Spannungsquellen und Messgeräten.

Grundbegriffe

In einer elektrischen Schaltung spielen mehrere Größen eine Rolle:

• Spannung U (in Volt, V) – „treibt“ die Ladungen an
• Stromstärke I (in Ampere, A) – beschreibt, wie viele Ladungen pro Zeit fließen
• Widerstand R (in Ohm, Ω) – „bremst“ den Stromfluss
• Leistung P (in Watt, W) – gibt an, wie viel Energie pro Zeit umgesetzt wird

Zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand gilt das Ohmsche Gesetz:

$U = R \cdot I$

Reihenschaltung (Serienschaltung)

Bei einer Reihenschaltung sind die Bauteile nacheinander in einem einzigen Strompfad geschaltet.

Merkmale der Reihenschaltung

• Der gleiche Strom fließt durch alle Bauteile:

$I_\text{gesamt} = I_1 = I_2 = \dots$

• Die Gesamtspannung ist die Summe der Teilspannungen:

$U_\text{gesamt} = U_1 + U_2 + \dots$

• Die Gesamtwiderstand ist die Summe der Einzelwiderstände:

$R_\text{ges} = R_1 + R_2 + \dots$

Konsequenzen

• Fällt ein Bauteil aus (z. B. eine Lampe), ist der gesamte Stromkreis unterbrochen.
• Je mehr Widerstände in Reihe, desto größer der Gesamtwiderstand und desto kleiner der Strom.

Parallelschaltung

Bei einer Parallelschaltung sind alle Bauteile an die gleiche Spannung gelegt. Es gibt mehrere Strompfade.

Merkmale der Parallelschaltung

• Über allen Zweigen liegt die gleiche Spannung:

$U_\text{gesamt} = U_1 = U_2 = \dots$

• Die Gesamtstromstärke ist die Summe der Teilströme:

$I_\text{gesamt} = I_1 + I_2 + \dots$

• Für den Gesamtwiderstand gilt:

$\frac{1}{R_\text{ges}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots$

Konsequenzen

• Fällt ein Bauteil aus, können die anderen trotzdem weiter funktionieren, weil es mehrere Stromwege gibt.
• Mehr parallele Zweige → Gesamtwiderstand wird kleiner, Gesamtstrom wird größer.

Gemischte Schaltungen

In der Praxis bestehen viele Schaltungen aus Kombinationen von Reihen- und Parallelschaltungen. Man vereinfacht solche Schaltungen schrittweise:

1. Teilbereiche erkennen (z. B. zwei Widerstände in Reihe).
2. Diese ersetzen durch einen äquivalenten Gesamtwiderstand.
3. Neu entstandene Schaltung erneut untersuchen (vielleicht entsteht nun eine Parallelschaltung usw.).

So kann man komplexe Schaltungen auf einfache Grundformen zurückführen und berechnen.