Strom – Die Grundlagen

Wenn du mit deinem Arduino erfolgreiche Projekte umsetzen willst, wirst du dich wohl oder übel mit dem Thema der Elektrotechnik befassen müssen. Auf den ersten Blick ist das Themengebiet sehr umfassend.. aber keine Sorge wir nehmen dich an die Hand und versuchen dir den Einstieg möglichst einfach zu machen. Aus diesem Grund fangen wir bei den Wurzeln an und erklären dir das Zusammenspiel von Strom Spannung und Widerstand in einer Reihe von Artikeln.

Das heutige Thema wird sich mit den Grundlagen des Stroms befassen. Sei also voller Spannung!

Elektrischer Strom – Voraussetzungen *

Es fließt Strom. Hast du diese Aussage schon einmal gehört?
Dieser einfache Satz hat definitiv einen wahren Kern, denn du kannst dir Strom wie einen Fluss vorstellen. Die Gemeinsamkeiten werden dich beeindrucken.

Damit ein Fluss fließen kann benötigt er zuallererst Wasser – genauer gesagt Wassermoleküle (kleinste Form von Wasser). Nur mit Wasser ist ein Fluss noch lange kein Fluss. Es braucht noch einen Höhenunterschied, so dass das Wasser von einer Quelle (z.B. Berg) in eine Senke (z.B. Meer) fließt.

Strom kannst du dir analog vorstellen. Anstatt der Wassermoleküle wird von Elektronen gesprochen – einer Ladung. Diese Elektronen „fließen“ analog zum Höhenunterschied von der Quelle in die Senke, wenn eine Spannung anliegt (Ladungsdifferenz).

Abbildung 1 – Voraussetzungen für Stromfluss

Strom – Stromstärke *

Damit hast du bereits verstanden, was die Voraussetzungen für einen Stromfluss sind. Gilt zu klären wie viel Strom fließt:

Das „wie viel“ wird als sogenannte Stromstärke (I) bezeichnet und gibt an wie viele Ladungen (ΔQ) pro Zeit (Δt) durch einen Querschnitt eines Leiters fließen. Bei unserem Fluss wäre dies die Wassermenge pro Zeit. Die Stromstärke wird in der Einheit Ampere angegeben und mit A abgekürzt.

Die Stromstärke ist als Formel definiert durch:

 

{I=\frac {ΔQ} {Δt}}

I = Stromstärke
ΔQ = Anzahl Ladungen
Δt = Zeit

Gängige Stromstärken *

Damit du einen Überblick bekommst, welche Stromstärken realistisch sind, findest du einige Beispiele in unserer Tabelle:

Kopfhörer1mA
Rote LED20mA
Glühbirne 60W260mA
Haushaltsgeräte0.1A - 10A
Elektroschweißgerät500A
Blitz10000A - 100000A

Strom – Stromrichtung *

Wenn du dir Abbildung 1 genauer angesehen hast, ist dir bestimmt die Frage aufgekommen, wie Strom fließen kann, wenn die beiden Enden nicht verbunden sind. Richtig erkannt!

Zwischen Plus und Minus (auch Pole genannt) muss eine Verbindung hergestellt werden. Die Verbindung muss dabei elektrisch leitfähig (z.B. Kupfer) sein. Damit der Schaltkreis (= geschlossener Kreis zwischen den Polen) einen Sinn erfüllt, sollte er einen Verbraucher enthalten (z.B. Glühbirne).

Wenn du einen Schaltkreis aufbauen willst, sollte dich auch interessieren in welche Richtung der Strom fließt. Die Richtung spielt tatsächlich eine wichtige Rolle, da es Bauteile gibt, die du besser in Stromrichtung verbaust (z.B. eine Diode).

Als der Strom entdeckt wurde, war bereits bekannt, dass es zwei Pole gibt. Weil es zu diesem Zeitpunkt keiner besser wusste, hat sich durchgesetzt, dass der Strom vom Pluspol zum Minuspol bewegt. Dies wird heute als technische Stromrichtung bezeichnet.

Nachdem sich einige Zeit später die Atomphysik mit dem Thema beschäftigt hat, ist aufgefallen, dass sich Elektronen vom Minuspol zum Pluspol bewegen. Aus dem Grund wurde die physikalische Stromrichtung eingeführt.

Schaltpläne sind per Standard immer aus Sicht der technischen Stromrichtung geschrieben.

Technische Stromrichtung

Physikalische Stromrichtung

 

Stromstärke in einem Schaltkreis mit einem Verbraucher ermitteln *

Eine der wichtigsten Werkzeuge, die du brauchst, ist die Berechnung der Stromstärke in einem Schaltkreis. Viele elektrische Bauteile haben eine Limitierung, wie viel Strom sie vertragen. Wieder andere Bauteile brauchen eine gewisse Stromstärke, um zu „funktionieren“.

Die Stromstärke lässt sich in einem Schaltkreis über eine einfache Formel ermitteln:

Spannung = Strom x Widerstand

U = R*I

{I=\frac {U} {R}}

Beispiel:

Wir haben eine Batterie, die 1.5V (Spannung) liefert. Wie groß ist die Stromstärke, wenn unser Verbraucher einen Widerstand von 100 Ohm hat?

{I=\frac {U} {R} = \frac {1.5V} {100Ohm} = 0.015A = 15mA}

 

Mit diesem Wissen bist du für die einfachsten Schaltungen gewappnet. Natürlich wird das Berechnen der Stromstärke bei komplexeren Schaltungen unter Umständen wesentlicher komplizierter. Mit solchen Schaltungen werden wir uns in einem anderen Artikel kümmern.

Strom – Umrechnungstabelle *

Du hast bestimmt dich bei unserer Beispielrechnung von gerade bestimmt gefragt, was mA bedeutet?
Die Abkürzung mA steht für milli Ampere und bedeutet tausendstel Ampere. Gerade bei der Stromstärke und insbesondere beim Einsatz von Mikrocontrollern wirst du es häufig mit kleinen Stromstärken zu tuen haben. Damit du eine Orientierung hast, wie elektrische Größen angegeben werden können haben wir dir das Wichtigste in einer Tabelle zusammengestellt:

PräfixSymbolMultiplikatorMacht der Zehn
TerraT1,000,000,000,000
GigaG1,000,000,000
MegaM1,000,000
Kilok1,000
--1
millim0,001
microu0,000,001
nanon0,000,000,001
picop0,000,000,000,001

Beispiele:

400mA = 0,4A

20uA = 0,02mA = 0,00002A

10MA = 10 000 kA = 10 000 000A

Kurzschluss *

Von einem Kurzschluss ist dann die Rede wenn die Pole zusammengeschlossen werden, ohne dass es einen Verbraucher in der Schaltung gibt.

Eine solche Schaltung macht technisch gesehen eher weniger Sinn, dennoch wird sie verwendet, um die maximale Stromstärke einer Spannungsquelle (z.B. Batterie) zu ermitteln.

In der Theorie würden wir anhand der Formel I=U/R behaupten, dass der Strom unendlich hoch sein müsste, da wir keinen Widerstand in unserer Schaltung verbaut haben.

In der Praxis ist das leider nicht so einfach.
Sowohl unsere Verbindung (z.B. Draht), als auch die Spannungsquelle haben einen Widerstand. Der Widerstand der Spannungsquelle wird als Innenwiderstand bezeichnet und in Schaltplänen oftmals als Ri dargestellt.

Der Kurzschlussstrom (oftmals angegeben als: Ik) wird bei den meisten Spannungsquellen in einem Datenblatt angegeben, ebenso der Innenwiderstand. Du musst dir allerdings nicht die Mühe machen das Datenblatt zu finden. Stattdessen empfehlen wir dir aus Übungsgründen den Kurzschlussstrom mit einem Multimeter zu ermitteln.

Das Digitalmultimeter – DMM *

Jeder der es mit dem Hobby der Elektrotechnik ernst meint sollte sich ein Digitalmultimeter zulegen. Dabei handelt es sich um ein Messgerät, welches dir die wichtigsten Kenngrößen der Elektrotechnik ermitteln kann (Spannung, Strom, Widerstand). Du wirst dieses Werkzeug immer wieder brauchen, insbesondere beim Messen von Widerständen oder um zu ermitteln welche Spannung an einem Bauteil abfällt. Als Anfänger empfehlen wir dir folgendes Modell (Enthalten sind bereits Krokodilklemmen, die dir das Leben insbesondere bei kleinen Bauteilen erleichtern):

Digitalmultimeter
  • 100% Sicherheit Eingebaute Doppelte Sicherung. In allen Bereichen Überlastungsschutz.
  • Automatisch Tester Misst AC/DC-Spannung, AC/DC-Strom, Widerstand, Frequenz, Durchgang, Diode, usw.
  • Hintergrundbeleuchtete Anzeige Mit drei ½-stelligen LCD-Anzeigen und Hintergrundlicht, wodurch die messergebnisse auch bei geringem licht gut zu erkennen sind.
  • Besondere Punkte Datenaufnahme, Maximale Wertaufnahme, Funktionsumschaltung, Automatisches Abschalten. Abtastgeschwindigkeit: 3 mal pro sekunde.
  • 9V-Batterie Vergessen Sie NICHT die 9V-Batterie einzulegen, bevor sie das digitale universalmessgerät nutzen, ansonsten funktioniert es nicht.

 

Kurzschlussstrom messen *

In diesem Abschnitt wollen wir zeigen, wie du den Kurzschlussstrom ermitteln kannst.
Du brauchst:

  1. Ein Digitalmultimeter (DMM )
  2. Eine Batterie deiner Wahl (Batterien )

Zu Beginn muss du dein Multimeter vorbereiten:

  1. Strommessung Einstellen (Drehschalter)
  2. Schwarze Messleitung in die COM-Buchse
  3. Rote Messleitung in die „Strom-Buchse“

Einstellungen DMM

Nun musst du lediglich die Batterie kontaktieren – Rot auf den Pluspol und Schwarz auf den Minuspol

Batterie Kontakt

Du kannst jetzt den Kurzschlussstrom ablesen – Achtung: auf diese Weise entladen wir die Batterie!

Kurzschlussstrom Ergebnis

Innenwiderstand berechnen *

Mithilfe unserer Messung bist du jetzt in der Lage den Innenwiderstand der Batterie zu ermitteln.

Mit der Formel:

{R=\frac {U} {I}}

Ergibt sich:

{R=\frac {1.5V} {5.12A} = 0.29Ohm}

Anmerkung:

Dieser Wert ist natürlich nicht genau, gibt aber einen Anhaltspunkt (deine Batterie sollte übrigens neu sein).
Wie der Innenwiderstand noch genauer ermittelt wird, werden wir dir in einem weiteren Artikel zeigen.

Empfehlungen – Elektrotechnik *

Wir wissen, dass insbesondere der Einstieg in die Welt der Elektrotechnik nicht einfach ist. Damit auch du ein Meister vom Fach werden kannst, empfehlen wir dir möglichst viel selber zu erarbeiten. Nur durch Theorie ist noch keiner Meister geworden. Am schnellsten lernst du, wenn du dir eigene Bausätze zulegst und durchstartest. Nebenbei ist es natürlich clever, dich auf unserer Webseite in die Theorien einzuarbeiten.

Einstieg in die Elektronik
  • Inhalt: 20 Bauteile, Püfkabel, CD ROM und Experimentieranleitung
  • Zusätzlich erforderlich: 4 x 1,5-V-Batterien (Typ AA)
  • 40 spannende Experimente
  • Für Kinder ab 14 Jahren
  • Elektronik, Hobby, Experiment, Strom, Stromkreise, bauen, fließen, Forschen, Technik, Prüfen, Licht, Beleuchtung

Letzte Aktualisierung am 22.09.2020 / Affiliate Links / Bilder von der Amazon Product Advertising API

Das könnte dich auch interessieren …

Eine Antwort

  1. 18. September 2020

    […] Strom – Die Grundlagen […]

Zum Anfang