Elektrischer Strom
Inhaltsverzeichnis
Versuch 1: Blitze
Aufbau und Durchführung
Versuchsaufbau zum Versuch 1
Wir hängen 2 Kugeln an Kabeln auf und schließen diese an eine Influenzmaschine an. Diese Influenzmaschine trennt bei Rotation - wie bei der Reibung von Kunststoffstab an Wolle - die elektrische Ladung.
Beobachtung
Drehen wir die Influenzmaschine, so beobachten wir, dass sich die beiden Kugeln gegenseitig anziehen. Außerdem können wir beobachten, dass ein Blitz entsteht, wenn sich die Kugeln zu nahe kommen.
Erklärung
Die Erklärung für die Anziehung gibt es im Kapitel elektrische Ladung.
Beide Kugeln sind unterschiedlich geladen. Aus dem Alltag kennen wir bereits, dass die Natur versucht, sämtliche Ungleichheiten auszugleichen. Öffnen wir beispielsweise ein Fenster, so gleichen sich die Außen- und Innentemperatur einander an.
Genauso passiert es mit der elektrischen Ladung ebenfalls, auch diese will sich ausgleichen. Da eine Kugel zu viele Elektronen (d.h. negativ geladen ist) und die andere Kugel zu wenige Elektronen besitzt (d.h. positiv geladen ist) wollen sich diese Ladungen ausgleichen, so dass beide Kugeln gleich viele Elektronen besitzen.
Ist der Unterschied der Ladungen groß genug, so können diese sogar durch die Luft springen, und erzeugen dabei einen Blitz.
Anmerkung: Mit dem genaueren Verständis für den Aufbau der Atome kann gezeigt werden, dass (bei einem normalen Stromkreis) lediglich die Elektronen sich bewegen können und die Protonen fest im Atomkern gebunden sind. Deshalb macht es Sinn, von zu vielen bzw. zu wenigen Elektronen zu sprechen und die Protonen außen vor zu lassen. Siehe auch Atommodell.
Versuch 2: Wassermodell, Antrieb und Strom
Versuchsaufbau und Durchführung
Der Wasserkreislauf als Modell des elektrischen Stromkreislaufs.
Den elektrischen Stromkreis können wir mit einem Wasserkreislauf vergleichen. Hierbei haben wir oben zwei Wassersäulen, welche durch verschiedene Schläuche verbunden sind.
Den Wasserstand in den Wassersäulen können wir mithilfe einer Pumpe verändern, die einzelnen Schläuche lassen sich mit einem Ventil verschließen und öffnen, wir betrachten zunächst nur den zweiten Schlauch von oben.
Wir pumpen das gesamte Wasser aus der linken in die rechte Wassersäule und öffnen dann das Ventil.
Beobachtung
Nachdem das Ventil geöffnet wurde strömt das Wasser aus der hohen rechten Wassersäule durch den Schlauch in die linke Wassersäule. Das passiert so lange, bis das Wasser auf beiden Seiten gleich hoch steht.
Erklärung
Wie bereits im ersten Versuch, "will" sich der Wasserdruck auch hier ausgleichen. Dazu fließt das Wasser von der hohen Wassersäule, d.h. von der Seite mit hohem Druck, zur niedrigen Wassersäule, d.h. zur Seite mit niedrigem Druck. Es ist klar, dass dabei natürlich der Druck der hohen Wassersäule stetig geringer wird während sich der Druck der niedrigen Wassersäule erhöht. Das passiert nur so lange, bis der Druck auf beiden Seiten gleich ist, d.h. das Wasser in beiden Säulen gleich hoch steht.
Wir können anders formulieren: Die unterschiedlichen Höhen der Wassersäulen erzeugen einen Druckunterschied. Dieser Druckunterschied treibt - wenn das Ventil geöffnet wird - das Wasser an und sorgt für einen Wasserstrom.
Oder allgemein: Ein Druckunterschied ist der Antrieb eines Stromes.
Versuch 3: Wassermodell, Stromstärke
Aufbau und Durchführung
Das Wassermodell
Mithilfe eines Sensors und einer Pumpe können wir einen festen Druckunterschied der beiden Wassersäulen einstellen. In diesem Versuch wollen wir untersuchen, welche Auswirkungen eine Änderung dieses Druckunterschiedes hat.
Beobachtung
Ändern wir die Höhe der Wassersäulen und damit den Druckunterschied, so ändert sich auch die Drehgeschwindigkeit des eingebauten Wasserrades.
Erklärung
Je größer der Druckunterschied ist, desto größer ist das Bestreben der Natur, diesen auszugleichen. Dieser Druckunterschied lässt sich aber ausgleichen indem Wasser von der höheren zur niedrigeren Wassersäule fließt.
Daraus folgt unmittelbar: wenn der Druckunterschied groß ist, so fließt das Wasser "schneller" wie wenn der Druckunterschied nur gering ist. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass nicht unbedingt die Geschwindigeit eine Rolle spielt, sondern nur die Menge an Wasser, die in einem bestimmten Zeitraum durch die Leitung fließt.
Betrachten wir für diese Überlegung zwei unterschiedlich dicke Schläuche: Um die gleiche Menge an Wasser durch die Schläuche fließen zu lassen muss natürlich das Wasser im dünneren Schlauch "schneller" fließen als im dicken Schlauch.
Wir nehmen deshalb nicht die Geschwindikeit 
, sondern wie oben schon geschrieben die Menge des Wassers, also z.B. das Anzahl der Wasserteilchen, pro Zeit, also 
.
Übertragung auf den elektrischen Stromkreis
Einfacher elektrischer Stromkreis
Die selben Überlegungen, die wir gerade für den Wasserkreislauf gelten analog auch für den elektrischen Stromkreis. Wie wir im ersten Versuch gesehen haben, versucht die Natur, auch die Ladungsdifferenz auszugleichen. Dies kann entweder wie im Versuch per Blitzschlag passieren oder über ein angeschlossenes Kabel. Wir können deshalb das Kabel im elektrischen Stromkreis mit den Schläuchen im Wasserkreislauf vergleichen. Genauso können wir die folgenden Elemente analog betrachten:
| Wasserkreis | elektrischer Stromkreis |
|---|---|
| Wasserteilchen | Ladung bzw. Elektronen |
| Schläuche | Kabel |
| Ventil | Schalter |
| Wassersäulen | Batterie |
| Wasserrad | Lampe bzw. Verbraucher |
Antrieb des elektrischen Stromes
Wie wir im Wassermodell gesehen haben, brauchen wir für einen Stromfluss eine Druckdifferenz. Verknüpfen wir dieses Wissen mit dem aus Versuch 1, so können wir daraus schließen, dass wir die Druckdifferenz des Wassers mit der Ladungsdifferenz im elektrischen Stromkreis vergleichen können. Wir nennen diese auch Potenzialdifferenz oder Spannung, näheres dazu im Kapitel elektrische Spannung.
Diese Spannung, welche beispielsweise auch in einer Batterie erzeugt wird, erzeugt in einem angeschlossenen Kabel einen elektrischen Strom. Auch hier gilt wieder: Die Spannung ist der Antrieb für einen (elektrischen) Strom.
Genauso, wie wir gesehen haben, dass sich das Wasserrad unterschiedlich schnell dreht, können wir diesen Effekt auch im elektrischen Stromkreis zeigen: je höher die elektrische Spannung, desto heller brennt auch das Lämpchen:
Lampe bei 1,5V Spannung
Lampe bei 3V Spannung
Lampe bei 6V Spannung
Die elektrische Stromstärke
Wie beim Wassermodell bezeichnen wir analog im Stromkreis die Menge der Ladung, die in einer bestimmten Zeit durch unseren Stromkreis fließt als (elektrische) Stromstärke:
