Kap 7 - Elektrik 7.4 Elektrischer Widerstand 7.4.1 Schaltung von Messgeräten Um Aussagen über den Stromfluss in Leitern machen zu können, ist es notwendig, die Spannung und die Stromstärke zu messen. Dies geschieht mit Hilfe von Spannungs- bzw. Stromstärkemessgeräten. Merke ! Spannungsmesser werden immer parallel und Stromstärkemesser immer in Reihe geschaltet. 7.4.2 Modellvorstellung des elektr. Widerstands Den Grund für den Widerstand in einem Leiter stellen die Atomrümpfe dar. Die sich bewegenden freien Elektronen stoßen im Leiter auf Atomrümpfe. Dadurch wird ihre Geschwindigkeit gehemmt. Die Atomrümpfe, die nun ihrerseits wieder in Schwingungen geraten, stoßen andere Elektronen an. Diese stoßen wiederum auf Atomrümpfe. So wird die elektrische Energie im Endeffekt im Leiter zwar transportiert, sie wird aber auch je nach Material, Temperatur und Durchmesser des Leiters auf Widerstand stoßen. Durch die Elektronen- und Atomrupfbewegungen erwärmt sich der Leiter. Je höher die Temperatur des Leiters, desto höher der Widerstand im Leiter. Bei einigen Legierungen wird jedoch der Widerstand nicht von der Temperatur des Leiters beeinträchtigt (siehe Konstantan). Man kann sich diese Eigenschaft zu Nutze machen, wenn man Widerstände herstellt (siehe Kaltleiter und Heißleiter PTC und NTC Widerstände). Der elektrische Widerstand bestimmt die Stromstärke. Je größer der Widerstand, desto weniger Elektronen fließen in einem Leiter, d.h. desto geringer ist die Stromstärke. Kap 7 - Elektrik Will man die Stromstärke bei gleichem Widerstand erhöhen, so muss man die Spannung erhöhen. Unsere Überlegungen erlauben folgenden Schluss: U und I sind direkt proportional zueinander: U~I U = R · I R = U : I R steht für Widerstand und wird in Ώ (Ohm) gemessen. Merke! Wenn diese Proportionalität gegeben ist, dann spricht man vom Ohmschen Gesetz. Diese Proportionalität ist jedoch nur in den seltensten Fällen gegeben. Ansonsten wird das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke schlicht als „elektrischer Widerstand“ bezeichnet. Warum die Glühbirne durchbrennt. Der Glühdraht von Glühbirnen besteht aus Wolframdraht. Dieser erreicht beim Leuchten der Lampe eine Temperatur von bis zu 2500 °C. Nach und nach verdampft ein Teil des Wolframs. Da beim Einschalten der Lampe kurzzeitig ca. 10 mal so viel Strom fließt, wie beim späteren „normalen“ Betrieb, verdampft das Wolfram meistens an der Stelle, wo der Draht am dünnsten ist. Weil es aber in der Herstellung von Glühdrähten nicht möglich ist, Drähte mit durchgehend gleichem Durchmesser zu produzieren, hat jeder Glühdraht eine dünnste Stelle, die irgendwann, meist beim Einschalten der Lampe, durch und durch verdampft ist, sodass die Lampe durchbrennt. Kap 7 - Elektrik 7.4.3 Wovon hängt der elektrische Widerstand noch ab? Der Widerstand eines Drahtes ist von der Länge, dem Material, der Querschnittsfläche und von der Temperatur des Drahtes abhängig. Im Bezug auf die Länge eines Drahtes und wie sie den Widerstand des Drahtes beeinflusst, gilt: R~l Die Querschnittsflächen und Widerstände von Drähten sind hingegen zueinander indirekt proportional: R~1/A Weiterhin gilt: R · A / l = konst. = ρ bzw. R = ρ · l / A Die Konstante ρ (Rho) hängt vom Material des Leiters ab. Spezifischer Widerstand ρ einiger Stoffe bei 20 °C Stoff Platin Gold Silber Eisen Stahl Konstantan Wolfram Nickel Aluminium Kohle ρ in Ώ · mm2 : m 0,11 0,02 0,016 0,1 ca. 0,13 0,5 0,055 0,087 0,027 50 - 100 Kap 7 - Elektrik Fragen dazu Beschreibungen der im Unterricht gemachten Versuche zurück