Stromkreismodelle

In diesem Video fragen wir uns, welche Rolle Modelle in der Physik spielen. Danach lassen wir das Fahrradkettenmodell, das Wassermodell und das Elektronengasmodell auf den Laufsteg und zum Schluss wagen dann auch einen Blick hinter die Kulissen, in denen wir Strom als Elektronenfluss beschreiben.

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Stromkreise können ehrlich gesagt ziemlich kompliziert sein und selbst wenn man ganz genau hinschaut, sogar mit einem Mikroskop, kann man in den Drähten von einem Stromkreis nicht wirklich viel erkennen. Damit Stromkreise trotzdem verständlich und anschaulich sind, nehmen wir in der Physik gerne Modelle. Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung von einer Sache, die einen bestimmten Aspekt dieser Sache besonders gut erklärt.

Ein Beispiel für ein solches Modell ist ein Crashtest-Dummy. Dummies haben nicht dieselben Gefühle wie echte Personen. Sie müssen nichts essen, uns auch nicht aufs Klo. Weil diese zentralen Aspekte fehlen, handelt es sich bei einem Dummy um eine vereinfachte Darstellung eines Menschen. Allerdings haben Dummies und Menschen ungefähr denselben Körperbau und ein ähnliches Gewicht. Unser Modell Dummy ist deshalb für einen Crashtest gut geeignet. Aber Vorsicht: Jedes Modell hat seine Grenzen. Für andere Aspekte des Menschseins ist unser Modell Dummy dann schon wieder weniger gut geeignet. Von den sportlichen Leistungen eines Dummys auf die eines Menschen zu schließen ist z.B. keine gute Idee.

Man benutzt Modelle in der Physik immer dann, wenn man ein kompliziertes Objekt, hier den Menschen, untersuchen möchte. Dabei wird das wirkliche Objekt stark vereinfacht. Neben diesen gegenständlichen Modellen gibt es auch noch theoretische Modelle. Dabei handelt es sich nicht um ein wirkliches Objekt wie unseren Dummy. Theoretische Modelle sind rein gedanklicher Natur. Wenn wir zum Beispiel beschreiben wollen, wie sich Licht durch den Raum bewegt, dann benutzen wir das Modell des Lichtstrahls. Ein Lichtstrahl ist ein unendlich dünnes Lichtbündel. In der Realität hat jedes Lichtbündel natürlich einen gewissen Durchmesser, ganz egal, ob es einen Meter oder nur einen Nanometer breit ist. Unendlich dünn ist das Lichtbündel in Wirklichkeit nie. Deshalb handelt es sich beim Lichtstrahl nur um ein gedankliches oder theoretisches Modell.

Das hier ist ein Stromkreis. Wenn wir den Schalter umlegen, geht die Lampe an. Aber hast du gesehen, was hier genau passiert? Nein, ich auch nicht. Und das ist das Problem. Wir können nicht so einfach in die Drähte hineinschauen und irgendwie bewegt sich ja auch gar nichts. Um den Stromkreis besser zu verstehen, brauchen wir ein Modell, z.B. das hier.

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Fahrradkette. Bei einem Fahrrad bringt die Antriebskraft an den Pedalen die Fahrradkette in Bewegung. Die Fahrradkette wiederum treibt das Rad an. Ganz ähnlich ist es bei einem Stromkreis. Die Batterie bringt in den Leitern etwas in Bewegung. Diese Bewegung bringt die Lampe zum Leuchten. Schön einfach, oder? Sobald unser Stromkreis aber komplizierter wird als einfach nur eine Batterie und eine Glühlampe, hilft uns dieses Modell hier nicht mehr weiter. Es wird Zeit für einen neuen Kandidaten.

Strom ist im Gegensatz zu Wasser keine Flüssigkeit. Trotzdem gibt es zwischen einem Stromkreis und einem Wasserkreislauf eine Menge Gemeinsamkeiten. Wir stellen zwei Wasserkanister auf und füllen sie mit derselben Menge an Flüssigkeit. Eine Wasserpumpe verbindet beide Kanister und bringt Flüssigkeit vom rechten Kanister in den linken. Links ist also mehr Wasser drin, der Wasserstand ist höher. Jetzt erweitern wir die Konstruktion um einen Außenkreis mit einer Turbine und einem Ventil. Wenn wir das Ventil öffnen, kann das Wasser über den Außenkreis zurückfließen. Die Pumpe pumpt weiter Wasser von rechts nach links, so dass ein geschlossener Wasserkreislauf entsteht. Das Wasser treibt auf seinem Weg die Turbine an. Diese Drehbewegung können wir uns dann zunutze machen, indem wir die Turbine beispielsweise mit einer Kaffeemühle verbinden. Kaffee! So kann ich mein Ding.

Ein Wasserkreislauf bereitet uns aber nicht nur diesen herrlichen Kaffee, er hat auch einige Ähnlichkeiten zu unserem Stromkreis. Im Wasserkreislauf gibt es eine Pumpe. Die Pumpe erzeugt einen Höhenunterschied in den Wasserständen von beiden Kanistern. Dieser Höhenunterschied bewirkt, dass das Wasser im Außenkreis von dem linken Kanister in den rechten fließt. Im Stromkreis wird die Aufgabe der Wasserpumpe von einer Batterie übernommen. Die Batterie erzeugt eine Spannung, die den Höhenunterschied zwischen den Wassersäulen entspricht. Dabei entspricht der Kanister mit dem hohen Wasserstand dem Minuspol und der Kanister mit dem niedrigen Wasserpegel dem Pluspol. Genauso wie der Höhenunterschied den Wasserstrom im Außenkreis verursacht, verursacht unsere elektrische Spannung einen Strom im Kabel. Das Wasser treibt auf seinem Weg eine Turbine an. Der elektrische Strom treibt auf seinem Weg durch das Kabel zwar keine Turbine an, dafür durchquert er aber eine Lampe und bringt sie zum Leuchten. Es muss aber nicht unbedingt eine Lampe sein. Wir können die Lampe auch mit einem Elektromotor austauschen. Selbst dann fließt immer noch Strom und treibt den Elektromotor an.

Mithilfe vom Wassermodell können wir jetzt sogar vorhersagen, was in einem Stromkreis passiert, wenn wir die Batterie andersherum einbauen. Wir pumpen das Wasser also jetzt nicht von rechts nach links, sondern umgekehrt, von links nach rechts. Im rechten Kanister steigt dieses Mal der Wasserstand. Wenn wir jetzt das Ventil öffnen, fließt das Wasser von rechts nach links. Dadurch dreht sich auch die Turbine, diesmal in die andere Richtung. Und was passiert bei einem Stromkreis? Probieren wir es aus. Wir haben im Wasserkreislauf die Pumpe umgedreht. Im Stromkreis müssen wir also die Batterie umdrehen und ... Tatsache! Der Elektromotor dreht sich jetzt in die andere Richtung. Über das Wassermodell nachzudenken hilft uns also, den echten Stromkreis besser zu verstehen. Mit diesem Wassermodell können wir später auch kompliziertere Stromkreise beschreiben, z.B. diesen Stromkreis hier. Mit dem Fahrradkettenmodell funktioniert das nicht mehr.

Für unser nächstes Modell braucht man zwar kein Fahrrad mehr, dafür aber eine Fahrradpumpe. Schließen wir die Fahrradpumpe erstmal an das Ventil vom Reifen an. Wenn ich jetzt die Pumpe zusammendrücke, dann wird die Luft in der Pumpe natürlich auch zusammengedrückt. Dadurch erhöht sich der Luftdruck. Die Luft will sich aber wieder ausbreiten. Sie strömt deshalb dorthin, wo der Luftdruck kleiner ist, nämlich in den Reifen. Druckunterschiede führen also dazu, dass Luft strömt. Elektrischen Strom kann man sich so ähnlich vorstellen. Das nennt man dann das Elektronen-Gas-Modell. Dafür stellen wir uns erst einmal vor, dass in den Stromkabeln ein Gas ist, so wie ja auch die Luft in der Luftpumpe ein Gas ist. Die Batterie ist eine Art Luftpumpe. Sie erhöht im oberen Kabel den Druck vom Elektronen-Gas, so lange die Luft von oben nicht nach unten strömen kann, ist im oberen Kabel ein hoher Druck und im unteren Kabel ein niedriger Druck. Wenn wir eine Lampe anschließen und damit den Kreis schließen, dann kann das Elektronen-Gas vom oberen Kabel durch die Lampe zum unteren Kabel strömen, denn ein Gas fließt ja immer von dem Ort, wo der Druck hoch ist, zu dem Ort, wo der Druck niedrig ist. Auf seinem Weg durch die Lampe bringt das Elektronen-Gas die Lampe zum Leuchten. Genauso wie der Druckunterschied den Gasstrom im Kabel verursacht, verursacht die Spannung der Batterie einen Strom im Stromkabel.

Ein Stromkreis lässt sich zwar gut mit einer Fahrradkette, dem Luftdruck oder einem Wasserkreislauf beschreiben, aber es gibt auch Unterschiede. In einem Stromkreis fließen nämlich keine Flüssigkeiten oder Gase, sondern elektrische Ladungen. Strom ist die Bewegung von elektrischen Ladungen. Diese Ladungen sind in unserem Stromkreis die negativ geladenen Elektronen. Elektronen kannst du dir als kleine Dinge im Kabel vorstellen, die sich bewegen können und eine Ladung haben. Die Batterie funktioniert wie eine Art Elektronenpumpe, die die Elektronen von der rechten Seite auf die linke bringt. Dadurch entsteht auf der linken Seite ein Elektronenüberschuss und auf der rechten Seite ein Elektronenmangel. Da die Elektronen negativ geladen sind, nennen wir die Seite mit dem Elektronenüberschuss den Minuspol, die Seite mit dem Elektronenmangel nehmen wir entsprechend Pluspol. Genauso wie die Wassersäulen ihre Höhe ausgleichen wollen, so wollen auch der Pluspol und der Minuspol ihre Ladungen ausgleichen. Wenn wir einen Außenkreis anschließen, fließen die Elektronen vom Elektronenüberschuss zum Elektronenmangel, also vom Minuspol zum Pluspol. Wenn die Batterie immer weiter Elektronen von rechts nach links pumpt, entsteht so ein Kreislauf. Auf ihrem Weg durch den Außenkreis quetschen sich die Elektronen durch den dünnen Draht der Lampe. Dabei hat sich der Draht aufgebläht und leuchtet.

Man muss jetzt natürlich nicht jedes Mal, wenn man einen Stromkreis beschreiben möchte, wieder den ganzen Wasserkanister und zu zeichnen. Es geht auch einfacher. Wir können den ganzen oberen Teil, also die Elektronenpumpe mit den Elektronenkanistern, zusammenfassen. Der kurze, dicke Balken ist der Minuspol, hier herrscht also Elektronenüberschuss. Der lange, dünne Balken ist der Pluspol, hier herrscht Elektronenmangel.

Wenn ihr noch andere Stromkreis-Modelle kennt, da ab damit in die Kommentare und schreibt uns auch direkt dazu, welches Modell eurer Meinung nach das Top-Modell ist. Unter mit dir bei deiner nächsten Klassenarbeit ein Licht aufgeht und den Kopf nicht genauso leer ist wie der hier von unserem Crash-Toy. Gibt es jetzt ein glühend heißen Spickzettel.

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