Stromstärke und Spannung in Parallel- und Reihenschaltung

Einfache Stromkreise hast Du bereits kennengelernt. Wenn du eine Glühlampe zum Leuchten bringen möchtest, brauchst Du nur eine Batterie, zwei Kabel und vielleicht noch einen Schalter, wenn Du die Lampe an- und ausschalten möchtest, ohne die Kabel abzustecken.

Physik; Elektrische Ladung und Elektrisches Feld; 1. Sek / Bez / Real; Stromstärke und Spannung in Parallel- und Reihenschaltung — Einfacher Stromkreis mit Glühlampe und Batterie

Aber was passiert, wenn Du zwei Glühlampen zum Leuchten bringen möchtest? Wo/wie wird die zweite Glühlampe in die Schaltung eingebaut? Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Eine Parallelschaltung oder eine Reihenschaltung.

Parallelschaltung

Physik; Elektrische Ladung und Elektrisches Feld; 1. Sek / Bez / Real; Stromstärke und Spannung in Parallel- und Reihenschaltung

In einer Parallelschaltung werden elektrische Geräte parallel zueinander geschaltet.

Wie Du in der Schaltskizze sehen kannst, sind die beiden Glühlampen parallel zueinander im Stromkreis eingebaut. Würde eine der beiden Glühlampen kaputtgehen, wäre der Stromkreis immer noch intakt. Du könntest auch jeweils einen Schalter für beide Glühlampen einbauen und die Glühlampen separat ein- oder ausschalten. Die Lampen sind sozusagen voneinander unabhängig.

Stromstärke und Spannung in der Parallelschaltung

Wenn man die Spannung mit einem Antrieb für die fliessenden Ladungen im Stromkreis vergleicht, so ist es naheliegend, dass in einer Parallelschaltung die Spannung an allen elektrischen Geräten gleich gross ist. In einer Parallelschaltung gilt also für die Spannung, welche an den parallel geschalteten elektrischen Geräten gemessen werden kann:

$U = U_{ges} = U_1 = U_2$

Beispiel

Wenn du eine Mehrfachsteckdose in deine Steckdose zu Hause einsteckst, so kannst du plötzlich statt eines elektrischen Gerätes vier oder fünf anstecken. Da elektrische Geräte alle auf eine Netzspannung von $230\,V$ ausgerichtet sind, muss jeder Anschluss einer Mehrfachsteckdose immer noch dieselbe Spannung liefern, wie die Wandsteckdose. Hier wird also eine Parallelschaltung verwendet.

Was passiert nun mit der Stromstärke? Die Stromstärke beschreibt, wie viele Ladungen in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Leiters fliessen. Da die Spannung (also unser Antrieb) gleich gross bleibt, können wir uns vorstellen, dass vor der Verzweigung eine bestimmte Anzahl an Ladungen "unterwegs" ist, welche sich dann auf die zwei elektrischen Bauteile aufteilen muss. Jede Ladung muss sich also an der Abzweigung "entscheiden", ob sie zu der einen Glühlampe oder zu der anderen Glühlampe fliessen will. Dabei wird die Ladung immer den leichteren Weg wählen, also den mit einem kleineren elektrischen Widerstand. Die Gesamtstromstärke teilt sich also in einer Parallelschaltung, je nach Widerstand der Bauteile, auf diese auf.

$I = I_{ges} = I_1 + I_2$

Ausserdem liegt, wie bereits beschrieben, eine indirekte Proportionalität zwischen den Widerständen $R_1$ und $R_2$ und den Teilstromstärken $I_1$ und $I_2$ der einzelnen Bauteile vor:

$I = I_{ges} = I_1 + I_2$ $\dfrac{R_1}{R_2} = \dfrac{I_2}{I_1}$

Reihenschaltung

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In einer Reihenschaltung werden elektrische Geräte in Reihe zueinander geschaltet.

Wie Du in der Schaltskizze sehen kannst, sind die beiden Glühlampen in Reihe bzw. in Serie zueinander im Stromkreis eingebaut. Würde eine der beiden Glühlampen kaputtgehen, wäre der Stromkreis unterbrochen und alle Glühlampen würden ausgehen. Die Lampen sind sozusagen voneinander abhängig.

Stromstärke und Spannung in der Reihenschaltung

Betrachten wir wieder die Spannung als Antrieb für die fliessenden Ladungen im Stromkreis, so stellen wir fest, dass in einer Reihenschaltung der Antrieb auf die in Reihe geschalteten Bauteile aufgeteilt werden muss. Du kannst dir das vorstellen wie in einem Wasserkreislauf, mit einer Pumpe als Gesamtantrieb und einzelnen Wasserrädern, die hintereinander eingebaut sind. Der Antrieb der Pumpe muss sich auf die Antriebe der einzelnen Wasserräder verteilen. Aber wie genau verteilt sich die Spannung? Da, wo am meisten Widerstand ist, muss auch am meisten angetrieben werden. Die Teilspannung ist also an dem Bauteil am grössten, welches auch den grössten elektrischen Widerstand hat.

Es gilt also:

$U = U_{ges} = U_1 + U_2$

$\dfrac{R_1}{R_2} = \dfrac{U_1}{U_2}$

Es liegt eine direkte Proportionalität zwischen den Widerständen $R_1$ und $R_2$ und den Teilspannungen $U_1$ und $U_2$ der einzelnen Bauteile vor.

Wie sieht es mit der Stromstärke aus? Die Stromstärke beschreibt, wie viele Ladungen in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Leiters fliessen. Da die Bauteile hintereinander in den Stromkreis eingebaut sind und unterwegs keine Ladungen verloren gehen, muss auch an jedem Bauteil gleich viel Strom ankommen. Die Stromstärke ist also konstant.

$I = I_{ges} = I_1 = I_2$

Die Gesamtstromstärke unterscheidet sich allerdings je nachdem wie viele Bauteile eingebaut sind und wie gross deren elektrische Widerstände sind.

Beispiel

Betrachten wir eine Lichterkette mit sechs identischen Glühlämpchen. Alle Glühlämpchen haben dadurch auch denselben elektrischen Widerstand.

Was passiert, wenn eine Glühlampe kaputtgeht? Wenn eine Glühlampe kaputtgeht, wird die ganze Lichterkette nicht mehr funktionieren, weil der Stromkreis unterbrochen wird.
Du misst die Stromstärke an der ersten Glühlampe und dann an der letzten. Was fällt dir auf? Da die Glühlampen in Reihe geschaltet sind, wird die gemessene Stromstärke an jeder Glühlampe gleich gross sein.
Du kaufst jetzt noch eine zweite Lichterkette, welche identische Glühlämpchen hat, wie die erste. Allerdings sind in dieser Lichterkette nur vier Glühlampen eingebaut. Was kannst du über die Stromstärke sagen, die du an einer der Glühlampen messen kannst? Die Stromstärke wird kleiner sein, als die, die du für die erste Lichterkette gemessen hast, weil der Gesamtwiderstand der vier Glühlampen kleiner ist als der Gesamtwiderstand der sechs Glühlampen.