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Elektrizität

Ladung, Stromstärke, Spannung und Widerstand, danach das ohmsche Gesetz, Reihen- und Parallelschaltungen, Leistung, die Stromrechnung und Sicherheit. Im Stromkreislabor baust du Schaltungen aus Batterien, Lampen, Widerständen, Schaltern und Sicherungen. Dabei werden alle Stromstärken laufend berechnet.

Fortschritt

Über diesen Kurs

Benjamin Franklin konnte beobachten, was elektrische Ladung bewirkt, ohne ihre Ursache zu kennen. Im 18. Jahrhundert (1700er-Jahre) legte er fest, welche Ladungsart positiv heißen sollte. Elektronen konnte er nicht sehen. Später zeigte sich, dass die Ladung der Elektronen nach seiner Festlegung negativ ist. Diese alte Festlegung gilt noch heute: Die eingezeichnete Stromrichtung im Schaltkreis entspricht der Bewegung positiver Ladung, also der Gegenrichtung zur tatsächlichen Bewegung der Elektronen im Draht. Ein Elektron trägt 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Ein Coulomb entspricht damit etwa 6.24 Milliarden Milliarden Elektronen.

Die sieben Einheiten beginnen mit Ladung, dann folgen Stromstärke, Spannung und Widerstand. Eine Lastwagenbatterie, die in 4 Sekunden 720 Coulomb durch den Anlasser schickt, liefert 180 Ampere. Es folgen das ohmsche Gesetz und Reihenschaltungen: Zwei Lampen mit je 12 Ω an einer 6-V-Batterie erhalten jeweils 3 V. In der Parallelschaltung fließen durch dieselben Lampen je 0.5 A, die Batterie liefert also 1 A. Danach geht es um Leistung und Stromrechnung: Eine 60-W-Lampe verbraucht in 1000 Stunden 60 kWh. Bei 12 Cent pro kWh kostet das $7.20. Die letzte Einheit zur Sicherheit erklärt, dass 10 bis 20 mA durch den Körper die Hand an einem Draht festkrampfen lassen können. Im Schaltkreis-Labor baust du Schaltungen aus Batterien, Lampen, Widerständen, Schaltern und Sicherungen und siehst die berechneten Stromstärken. Öffne einen Schalter und beobachte, wie eine Lampe in der Reihenschaltung ausgeht, in der Parallelschaltung aber nicht. Schließt du eine Schleife, kannst du einen Kurzschluss erzeugen.

Ohm führte seine Versuche 1825 und 1826 mit einer nahe am Draht aufgehängten Magnetnadel durch, denn Strommessgeräte waren noch nicht erfunden. 1827 veröffentlichte er das Gesetz. Die Smithsonian Libraries weisen darauf hin, dass seine Arbeit zunächst verspottet wurde.

Bevor du anfängst

Das Ohmsche Gesetz ist eine Gleichung in einer Zeile, und die Einheiten zu Reihen- und Parallelschaltung addieren und dividieren Widerstände, daher deckt die Algebra aus Lineare Gleichungen ab, was du brauchst. Ein kurzer Blick in Atome hilft bei der Eingangseinheit zu Elektronen und Ladung.

Wenn du fertig bist

Danach kannst du die Stromstärke aus Ladung und Zeit berechnen, mit dem Ohmschen Gesetz einen Widerstand oder Strom finden und die Gesamtwerte von Widerständen in Reihe und parallel bestimmen. Du wandelst außerdem Watt und Stunden in Kilowattstunden und eine Rechnung um, sagst, warum zwei Lampen in Reihe schwächer leuchten als eine, und erklärst, was eine Sicherung im Stromkreis tut.

  1. 1Elektrische LadungDer Betrag der Ladung eines Elektrons ist 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Coulomb. Ein Coulomb entspricht damit dem Ladungsbetrag von ungefähr 6.24 Trillionen Elektronen.
  2. 2Stromstärke, Spannung und WiderstandEine Lastwagenbatterie, die in 4 Sekunden 720 Coulomb durch den Anlasser schickt, liefert eine Stromstärke von 180 Ampere.
  3. 3Das ohmsche GesetzEin Autoscheinwerfer, der an einer Batterie mit 12.0 V eine Stromstärke von 2.50 A aufnimmt, hat einen Widerstand von 12.0 ÷ 2.50 = 4.80 Ω.
  4. 4ReihenschaltungenZwei Lampen mit je 12 Ω in Reihe an einer Batterie mit 6 V erhalten jeweils 3 V bei 0.25 A. Jede leuchtet mit einem Viertel der Leistung einer einzelnen Lampe.
  5. 5ParallelschaltungenZwei Lampen mit je 12 Ω parallel an 6 V nehmen jeweils 0.5 A auf. Die Batterie liefert also 1 A, doppelt so viel wie bei einer einzelnen Lampe.
  6. 6Elektrische Leistung und die StromrechnungEine Lampe mit 60 W verbraucht in 1000 Stunden 60 kWh. Bei 12 Cent pro kWh kostet das $7.20.
  7. 7Elektrische SicherheitEin Strom von etwa 10 bis 20 mA durch den Körper kann die Hand so verkrampfen, dass sie einen Draht nicht loslassen kann. Ein durchnässter Mensch hat möglicherweise nur 10 kΩ Widerstand.

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Quellen zu diesem Kurs (14)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
  • 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
  • 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
  • 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
  • 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
  • 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
  • 21.1 Resistors in series and parallel
  • 21.2 Electromotive force and internal resistance
  • 21.3 Kirchhoff's rules
  • 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
  • NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
  • Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
  • Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
  • IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).

Abgerufen: 2026-10-17