Ladung — was wirklich wandert
Alles in diesem Kapitel beginnt beim Atom: Ein Körper ist genau dann geladen, wenn er zu wenige oder zu viele Elektronen hat. Protonen bleiben immer, wo sie sind.
Ladung Q
Die Gesamtladung eines Körpers ergibt sich aus dem Unterschied zwischen Protonen- und Elektronenzahl. Stolperstein: Positiv heißt Elektronenmangel, nicht „mehr Protonen dazu“.
Ladungsregel
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Die Kraft wächst stark, wenn der Abstand kleiner wird — bei halbem Abstand auf das Vierfache.
ungleich → Anziehung
Ladungserhaltung
Beim Reiben, Berühren und Erden wird Ladung nur verschoben, nie erzeugt. Stolperstein: Nach dem Ladungsausgleich sind beide Körper gleich stark geladen — nicht unbedingt ungeladen.
Influenz und Polarisation
Im Leiter wandern freie Elektronen durch den ganzen Körper (Influenz), im Isolator verschieben sie sich nur innerhalb der Atome (Polarisation). Deshalb wird auch ungeladenes Papier angezogen.
Isolator → Polarisation
Np = Protonenzahl, Ne = Elektronenzahl, e = Elementarladung. Ist Ne größer, wird Q negativ. Ein Elektroskop zeigt nur, dass und wie stark geladen ist — das Vorzeichen verrät es nicht.
Warum nur Elektronen wandern
Nur die äußeren Elektronen lassen sich ablösen, Protonen sitzen fest im Kern. „Protonen übertragen“ ist immer falsch.
Die drei Größen des Stromkreises
Ein Stromkreis wird durch drei Größen beschrieben. Wer sie sauber auseinanderhält, macht in der Arbeit die wenigsten Fehler: Die Spannung treibt an, die Stromstärke fließt, der Widerstand bremst.
Stromstärke I
Sie sagt, wie viel Ladung in jeder Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließt. Gemessen mit dem Amperemeter, das in Reihe eingebaut wird.
Spannung U
Sie beschreibt den Antrieb, den die Quelle jeder Ladung mitgibt. Gemessen mit dem Voltmeter, das parallel zum Bauteil liegt. Spannung liegt auch dann an, wenn kein Strom fließt.
Widerstand R
Er sagt, wie stark ein Bauteil den Strom bremst. Er wächst mit der Länge des Drahtes, sinkt mit dem Querschnitt und hängt von Material und Temperatur ab.
Wasserkreislauf-Modell
Pumpe ≙ Quelle, Druck ≙ Spannung, Wasserstrom ≙ Stromstärke, Engstelle ≙ Widerstand. Ein Modell hilft beim Verstehen — es ersetzt aber keine Messung.
Engstelle ≙ R
Umstellen: Q = I · t und t = Q / I. Die Zeit gehört immer in Sekunden, bevor gerechnet wird: 2 min = 120 s. Einheitenprobe: 1 A = 1 C/s.
Die häufigste Verwechslung
Häufiger Fehler: „Strom wird verbraucht“. Vor und hinter der Lampe fließt dieselbe Stromstärke – verbraucht wird Energie.
Die vier Rechenregeln für Schaltungen
Aus Ladungserhaltung und Energieerhaltung folgen die Knoten- und die Maschenregel. Zusammen mit dem ohmschen Gesetz lässt sich damit jede Schaltung dieses Kapitels durchrechnen.
Knotenregel
An jeder Verzweigung ist die Summe der zufließenden Stromstärken gleich der Summe der abfließenden. Folge: In der Parallelschaltung addieren sich die Ströme, die Spannung ist überall gleich.
Maschenregel
In jedem geschlossenen Umlauf ist die Summe der Quellenspannungen gleich der Summe der Teilspannungen. Folge: In der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, die Stromstärke ist überall gleich.
Ohmsches Gesetz
Bei einem ohmschen Widerstand ist die Stromstärke proportional zur Spannung. Achtung: Eine Glühlampe ist nicht ohmsch — ihr Widerstand wächst mit der Temperatur.
R = U / I · I = U / R
Ersatzwiderstand
In Reihe addieren sich die Widerstände. Parallel addieren sich die Kehrwerte — der Ersatzwiderstand ist dann stets kleiner als der kleinste Einzelwiderstand.
parallel: 1/R = 1/R1 + 1/R2
Nach R umstellen: R = U / I. Nach I umstellen: I = U / R. Merkhilfe für die Reihenfolge: In U = R · I steht das gesuchte U allein; wer R oder I sucht, teilt durch die jeweils andere Größe.
Wie man sich die beiden Regeln merkt
Merke: Teilt sich der Weg, teilt sich die Stromstärke. Liegen Bauteile hintereinander, teilt sich die Spannung.
Warum der Ersatzwiderstand parallel kleiner wird
Ein zweiter Zweig ist eine zusätzliche Fahrspur: mehr Strom bei gleicher Spannung, also kleinerer Ersatzwiderstand.
Die Regeln, an denen die Punkte hängen
Erfahrungsgemäß gehen in dieser Arbeit die meisten Punkte nicht durch fehlendes Wissen verloren, sondern durch drei Kleinigkeiten.
1 — Erst umrechnen, dann rechnen
Schreibe die Umrechnung vor die erste Formelzeile: 250 mA sind 0,25 A, 2 min sind 120 s.
2 — Ansatz, Rechnung, Ergebnis mit Einheit, Antwortsatz
Formel, umstellen, einsetzen, Einheit, Antwortsatz: Für den Ansatz gibt es Punkte, für eine nackte Zahl nicht.
3 — Erst die Schaltung lesen, dann die Formel wählen
Lies erst die Schaltung: Reihe oder parallel? Davon hängt ab, welche Größe gleich bleibt und welche sich aufteilt.