In diesem DIY-Projekt baust du einen einfachen Stromkreis und lernst so die Grundlagen der Elektronik!
Elektrischer Stromkreis
Damit elektrischer Strom fließt, braucht man einen geschlossenen Stromkreis. Der einfachste Stromkreis besteht aus zwei Elementen: Aus einer elektrischen Quelle, die man auch als (Leistungs-)Erzeuger bezeichnet und einem elektrischen Gerät oder Bauteil, welches (Leistungs-)Verbraucher genannt wird. In diesem Kinderexperiment ist die LED (Leuchtdiode) der Verbraucher und die Batterie der Erzeuger. Des Weiteren benötigt ein Stromkreis noch Leiter (Kabel), damit der Strom zwischen Erzeuger und Verbraucher fließen kann. Häufig haben Stromkreise noch einen Schalter, der den Stromkreis durch Betätigung schließt oder unterbricht, sodass im Fall der LED das Licht an- und ausgeschaltet werden kann. Elektrische Stromkreise können mit Schaltzeichen und Schaltplänen vereinfacht dargestellt werden.
Das brauchst du für dein Projekt:
Als Stromfluss versteht man die in einem elektrischen Leiter in eine Richtung fließenden Elektronen. Elektronen sind Bestandteile von Atomen: Sie sind negativ geladen, befinden sich in der Elektronenhülle und sind klein und beweglich. Diese freibeweglichen Elektronen fließen immer vom Minuspol einer Stromquelle zum Pluspol. Die Flussrichtung ergibt sich aus einem Elektronenüberschuss am Minuspol und einem Elektronenmangel am Pluspol; das wird auch als Spannung bezeichnet. Die Spannung ist die Voraussetzung dafür, dass in einem Stromkreis überhaupt Strom fließt und gibt an wie groß der Antrieb ist, mit dem die Elektronen durch den Leiter fließen. Spannung wird in Volt (V) angegeben. Eine weitere wichtige Größe ist die Stromstärke, welche in Ampere (A) angegeben wird. Sie gibt die Menge der Elektronen an, die in einem gewissen Zeitraum durch den Leiter fließen. Vergleicht man Strom mit Wasser, dann gibt die Stromstärke an, wie viel Wasser fließt und die Spannung wie schnell es fließt.
Leiter, Quelle und Verbraucher
Die Leitfähigkeit ist vom Stoff abhängig. Gute Leiter sind meistens Metalle. Das liegt daran, dass Metalle viele freibewegliche Elektronen haben, da diese nicht so fest am positiv geladenem Atomkern festgehalten werden. Wird eine Spannung angelegt, so werden die frei beweglichen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol „gedrückt“. Gummi oder Plastik zum Beispiel haben keine freibeweglichen Elektronen, diese werden fest an den Atomkernen gehalten. Diese Stoffe leiten keinen Strom und sind daher gute Isolatoren.
Elektrische Energie stammt fast immer aus einer Spannungsquelle. Eine Spannungsquelle kann zum Beispiel eine Batterie oder Akkumulator (Akku) sein. Aber eben auch der Strom aus der Steckdose stellt eine Spannungsquelle dar. Unter einer Batterie versteht man mehrere galvanische Zellen, die in Reihe geschaltet wurden. Schau dir dazu gerne den Versuch Batterie selber bauen an.
Ein Verbraucher ist ein Bauelement, dass elektrische Energie in eine andere Energieform umwandelt: Eine Glühbirne zum Beispiel verwandelt die elektrische Energie in Licht und Wärme. Dabei verschwindet der Strom jedoch nicht durch den „Verbrauch“, die Elektronen fließen immer noch zum Pluspol. Lediglich die Energie ihrer Bewegung wird für das Leuchten der Glühbirne benutzt.
LED und Vorwiderstand
Ein weiteres Element, dass sich in vielen Stromkreisen findet und das auch Einfluss auf den Leiter hat, ist der elektrische Widerstand. Wie der Name bereits vermuten lässt, behindert ein Widerstand den Stromfluss. Er gibt an wie viel elektrische Spannung benötigt wird, damit eine bestimmte Menge an Strom durch einen Leiter oder einen Verbraucher fließen kann. Gemessen wird der Widerstand in „Ohm“. Das Formelzeichen ist das sogenannte große Omega (Ω), ein Buchstabe des griechischen Alphabets.
Zwar ist der einfache Stromkreis, wie oben beschrieben, schon komplett, allerdings sollte eine LED immer einen Vorwiderstand geschaltet haben. Typische Widerstände bestehen meist aus Porzellan und sind mit einer dünnen, leitenden Schicht aus Kohle oder Metall überzogen. Vorwiderstand bedeutet, dass der Widerstand im Schaltkreis, zwischen Quelle und Verbraucher bzw. vor dem Verbraucher geschaltet ist. Dieser Widerstand verhindert, dass die LED überhitzt. Alleine kann die LED den Strom, den sie aufnimmt, nicht regulieren und würde bei einer zu hohen Spannung/Stromstärke kaputt gehen. Außerdem dienen Widerstände dazu, den Strom in elektrischen Schaltkreisen zu begrenzen, aufzuteilen oder umzuwandeln. Es gibt aber noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten von Widerständen.
Schaltpläne
Ein Schaltplan ist eine Darstellung, um die wesentlichen Elemente eines Schaltkreises anzugeben. Dabei zeigt er nicht, wie ein Schaltkreis in echt aussieht, sondern welche Teile im Schaltkreis verwendet werden. Er dient als Entwurf für einen Schaltkreis der später gebaut werden soll oder als Hilfswerkzeug, um die Funktionsweise eines Schaltkreises besser verstehen zu können, ohne sich den echten Schaltkreis anschauen zu müssen. Damit alle möglichen Bauteile genau identifiziert werden können, gibt es eine Vielzahl an Symbolen. Die Abbildung zeigt dir einen einfachen Schaltkreis und die Symbole für einen Schalter, einen Widerstand, einen Verbraucher, einen Leiter und eine Batterie.
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