Reihenschaltungen

Zwei 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.

Ein Weg für den Strom

In einer Reihenschaltung sind die Bauteile hintereinander verbunden. Es gibt daher nur einen Weg durch den Stromkreis. Jedes Coulomb, das die Batterie verlässt, muss nacheinander alle Bauteile durchlaufen. Daraus folgt die erste Regel der Reihenschaltung: Die Stromstärke ist überall im Stromkreis gleich. Ein Strommessgerät zeigt vor der ersten Lampe, zwischen den Lampen und hinter der letzten denselben Wert an. Ladung kann sich nirgends ansammeln. Was in ein Bauteil hineinfließt, muss auch wieder herausfließen.

Widerstände addieren sich

An jedem Bauteil fällt ein Teil der Batteriespannung ab. Alle Spannungsabfälle im Stromkreis müssen zusammen die Batteriespannung ergeben, weil jedes Coulomb die gesamte zuvor aufgenommene Energie wieder abgibt. Bei gleicher Stromstärke I durch alle Bauteile betragen die Spannungsabfälle I R₁, I R₂ und so weiter. Ihre Summe ist I (R₁ + R₂ + ...). Die gesamte Kette wirkt deshalb wie ein einzelner Widerstand R = R₁ + R₂ + R₃ + ... . Zusätzliche Bauteile in Reihe erhöhen also immer den Gesamtwiderstand und verringern die Stromstärke.

Eine Beispielrechnung

Nimm die Ausgangsschaltung im Labor: eine Batterie mit 6 V und zwei Lampen mit je 12 Ω in Reihe. Der Gesamtwiderstand beträgt 12 + 12 = 24 Ω, die Stromstärke also 6 ÷ 24 = 0.25 A. An jeder Lampe liegen V = 0.25 × 12 = 3 V an. Beide Spannungsabfälle ergeben wie erwartet 6 V. Eine einzelne Lampe an derselben Batterie würde 0.5 A aufnehmen und die vollen 6 V erhalten. OpenStax rechnet ein Beispiel mit verschiedenen Widerständen vor: 1.00 Ω, 6.00 Ω und 13.0 Ω in Reihe an 12.0 V. Insgesamt sind es 20.0 Ω bei 0.600 A. Die Spannungsabfälle betragen 0.600 V, 3.60 V und 7.80 V, zusammen 12.0 V. Der größte Widerstand erhält also den größten Spannungsanteil.

Stärken und Schwächen der Reihenschaltung

Weil es nur einen Stromweg gibt, steuert ein einzelner Schalter an beliebiger Stelle alle Bauteile. Genau so arbeitet ein Lichtschalter: Er liegt in Reihe mit der zugehörigen Lampe. Auch Sicherungen und Leitungsschutzschalter werden in Reihe eingebaut, damit der gesamte Strom durch sie fließen muss. Dieselbe Eigenschaft ist zugleich die Schwäche der Reihenschaltung. Brennt eine Lampe durch, reißt ihr Glühfaden und unterbricht den Stromkreis. Auch alle anderen Lampen der Kette erlöschen. Probiere das im Labor aus, indem du eine Lampe entfernst.

Wenn du weitere Lampen in Reihe hinzufügst, leuchten alle schwächer. Bei drei Lampen mit je 12 Ω an 6 V beträgt der Gesamtwiderstand 36 Ω und die Stromstärke 6 ÷ 36 ≈ 0.167 A. Jede Lampe erhält nur 2 V. Die Batteriespannung verteilt sich auf immer mehr Bauteile, und für jedes bleibt ein kleinerer Anteil. Batterien lassen sich selbst in Reihe schalten, sodass sich ihre Spannungen addieren: Zwei Zellen mit je 1.5 V hintereinander ergeben 3 V, vier ergeben 6 V. Wird eine davon umgekehrt eingesetzt, wird ihre Spannung stattdessen abgezogen.