Überlastung eines Stromkreises auf atomarer Ebene

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Hallo liebe Forumsgemeinde,

wie lässt die Überlastung eines elektrischen Stromkreises anhand des Teilchenmodells erklären, d.h. warum setzt eine spürbare Wärmeentwicklung der Leitungsdrähte ein, wenn ich mehrere Verbraucher anschließe?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Magst du mal sagen, was du bisher schon selbst über Strom und die Teilchen, die sich dabei durch die Gegend bewegen, weißt? Was hat diese Bewegung mit der Abgabe von Wärme zu tun, was machen die Teilchen da?

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Die negativ geladenen Elektronen sind die freien Ladungsträger des metallischen Leiters und bewirken durch ihren Fluss den elektrischen Strom.
Wird eine Spannung angelegt, so erzeugt das Elektronengas ein elektrisches Feld.
Die Wärmeentwicklung kommt dadurch zustande, dass die Elektronen auf ihrem Weg zu dem Minuspol gegen andere Atombestandteile stoßen (elektrischer Widerstand). Diese Energieabgabe (kinetische Energie der Elektronen --> thermische Energie) wird durch die Parameter Länge, Temperatur, Querschnittsfläche und Material des Leiters bestimmt.

Schließe ich nun mehrere Verbraucher an einen elektrischen Stromkreis, so muss diese Energieabgabe aufgrund der Beobachtung größer ausfallen.
Warum dies jedoch so ist, ist mir ein Rätsel.
Ich hoffe, dass mir jemand eine Erklärung geben kann.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Ein Verbraucher fungiert im elektrischen Stromkreis als Widerstand. Folglich findet ein Spannungsabfall statt, allerdings bleibt die Stromstärke gleich.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Wie du damit auf die Folgerung

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Die Stromstärke nimmt also ab.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Magst du mal ausführlich zeigen, wie du dir das überlegst? Samt einem Schaltplan und einem Zahlenbeispiel?

Denn wenn du das nur so in Kurzform sagst, dann habe ich das Gefühl, dass ich nichts hilfreicheres sagen kann als "Da hast du wohl richtig geraten" oder "Da hast du wohl danebengeraten".

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Ich denke mir einen simplen Stromkreislauf mit einer Glühbirne als Verbraucher. Das Prinzip der Glühbirne baut darauf auf, dass ein Glühdraht bestehend aus einem geeigneten Material bis zur Weißglut (Lichtabgabe) erwärmt wird. Es findet die Energieübertragung elektrische Energie --> thermische Energie + Lichtenergie statt. Die Erwärmung kommt zustande, indem es sich um relativ dünnen Draht handelt.
Aufgrund dieser Querschnittflächendifferenz, staut sich ein Teil der Elektronen im "dickeren" Leiter. Ich stelle mir nun vor, dass die Elektronen aufgrund dieser Überbelastung in den Glühdraht quasi hineingesaugt werden (Beschleunigung), und nun aufgrund ihrer größeren mittleren Geschwindigkeit eine größere Menge an kinetischer Energie an ihre Umgebung durch die Stöße abgeben. (Ist dieses Verständnis soweit richtig?)

Nach meinem Gespür, bleibt die Stromstärke in diesem Fall gleich.
Beträgt die Stromstärke im "dickeren" Leiter I, so gilt dies auch im Glühdraht: Die gleiche Menge elektrischer Ladung wird in gleichen Zeitintervallen transportiert. Dies ist deshalb so, weil die Elektronen durch die Überbelastung schneller geworden sind.

Der größte Teil dieser Überlegung sind vorsichtige Vermutungen oder Schlussfolgerungen. Was ist dazu zu sagen?

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Ich bin einverstanden, dass die Elektronen an den dünnen Stellen eines Drahtes schneller sein werden als an den Stellen, an denen der Draht dicker ist.

Von einer "Überlastung" würde ich in diesem Zusammenhang allerdings nicht sprechen, damit meint man in der Regel etwas ganz anderes.

Um aber nun zu folgern, was mit der Stromstärke passiert, wenn man weitere Verbraucher an eine Steckdose anschließt, würde ich empfehlen, das ganze deutlich konkreter zu fassen.

Magst du dir dazu am besten mal konkret aufmalen, wie du dir so eine Schaltung vorstellst? Werden die Verbraucher dabei alle im selben Draht hintereinanderhängen (Reihenschaltung), oder werden sie in zwei Drähten parallel zueinander geschaltet sein (Parallelschaltung)?

Welche Stromstärken bekommst du damit, wenn du dabei davon ausgehst, dass die Steckdose (bzw. das Kraftwerk und die Trafostationen dahinter) dafür sorgt, dass die Spannung an der Steckdose konstant bleibt?

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

- Serienschaltung: Die Widerstände der Verbraucher addieren sich zu einem Gesamtwiderstand

. Bei konstanter Temperatur gilt schließlich

, d.h. je größer der Gesamtwiderstand (= je mehr Verbraucher angeschlossen sind), desto kleiner die Stromstärke.

- Parallelschaltung: Die Kehrwerte der Widerstände der Verbraucher addieren sich zu einem Gesamtwiderstand

. Bei konstanter Temperatur gilt schließlich

, d.h. je größer der Gesamtwiderstand (= je mehr Verbraucher angeschlossen sind), desto größer die Stromstärke.

- Die mitllere Geschwindkeit der Elektronen wird somit erhöht, durch die Zusammenstöße mit den Atomrümpfen, vergrößert sich die Wärmeenergieabgabe. Dies kann schließlich zu einem Brand führen.

Ich denke, dass ist die Erklärung. Bei unmissverständlichen oder falschen Aussagen bitte sofort pingelig werden.

- Schließlich noch eine Frage: Die mathematische Herleitung des Gesamtwiderstandes einer reinen Parallelschaltung ist mir ersichtlich. Wie ist dies jedoch auf atomarer Ebene erklärbar? Was machen die Elektronen, damit der Gesamtwiderstand kleiner wird.

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Dalton · Anmeldungsdatum: 19.12.2007 Beiträge: 45

Ein großes Lob und Dankeschön für deine engagierte Hilfe !!! Thumbs up!

(Ich beziehe das einmal gleich auf das andere Thema)