Spannung, Strom und Widerstand - Probleme mit der Vorstellun

Tayfe · Gast

Meine Frage:
Hallo zusammen,

Ich habe mit meinem Studium der technischen Informatik begonnen, wozu ja auch eine Menge E-Technik gehört. Ich habe in diesem Fach aber noch immer das große Problem, dass mir einfach die grundsätzlichen Grundlagen fehlen, da ich mir in meinem Kopf keine schlüssige Vorstellung von den Grundbegriffen Strom, Spannung und Widerstand machen kann. Ich habe schon viel im Internet gelesen, doch es gibt unterschiedliche Gedankenmodelle und bei jedem finde ich wieder Probleme. Ich muss wohl einfach irgendwo falsche Gedanken haben, doch ich kann diese einfach nicht finden. Deswegen ganz konkret meine Frage:

Wie kann man sich Strom vorstellen? Wie kann man sich Spannung vorstellen? Wie kann man sich Widerstand vorstellen?

Meine Ideen:
Strom: Das denke ich, verstanden zu haben. Man zählt theoretisch ganz einfach die Elektronen, die pro Sekunde an einer bestimmten Stelle im Draht vorbei "fliegen". Es sind natürlich unglaublich viele, das ist mir klar, aber theoretisch muss man einfach zählen und dann weiß man, wie viele Ampere strom an dieser Stelle im Draht fließen. Ist das so weit richtig?

Spannung: Dann kommen wir jetzt zur Spannung, und hier wird es für mich schon kniffliger, alle Gedanken in ein Modell zu bekommen.
Spannung ist die Ursache für die Bewegung der Elektronen. So weit, so gut. Aber bei den Gedankenmodelle gibt es hier jetzt schon unterschiedliche. Oftmals wird die Spannung mit dem Höhenunterschied eines Flusslaufen unterschieden. Je höher der Unterschied bei gleicher Flusslänge, desto schneller fließt das Wasser.
Andere Modelle wiederrum sagen einem, sich einfach vorzustellen, dass die Spannung ganz einfach die Ladungsmenge ist, die jedes einzelnen Elektron mit sich herum trägt.
Diese beiden Modelle sind ja noch vereinbar. Je höher der Unterschied beim Flusslauf, desto schneller fließt der Fluss und dadurch auch jedes einzelne Wasserteilchen. Das bedeutet ja, dass jedes Teilchen auch eine höhere kinetische Energie hat, also ist die "Kraft" jedes einzelnen Wasserteilchens bzw. Elektrons größer.

Zuletzt fehlt jetzt noch der Widerstand. Und diesen kann ich jetzt leider nicht mehr in den Modellen unterbringen.
Wenn ich es richtig verstanden habe, dann ist Widerstand eine Art Gegenspieler zur Spannung. Dazu habe ich hier einen Satz gefunden:

"Ein elektrischer Widerstand von R = 1 Ohm bedeutet, dass eine Spannung von U = 1V aufgewendet werden muss, um eine Stromstärke von I = 1A zu erreichen: R = U/I"

Aus dieser Formel muss dann ja auch gleichzeitig hervorgehen, dass eine Spannung von 5V nötig ist, um an einem Bauteil mit einem Widerstand von 5 Ohm eine Stromstärke von 1A zu erzielen.
Doch wie kann das sein? Die Stromstärke ist doch eine reine Zähleinheit. Die Stromstärke ist doch komplett unanhängig von der Spannung. Schließlich fliegen z.B. immer 5 Elektronen pro Sekunde an meinen Augen vorbei, unabhängig davon, ob diese von "viel" oder "wenig" geladen sind bzw. "stark" oder "schwach" sind bzw. eine große oder kleine Spannung haben. Ampere ist eine reine Zähleinheit und ich zähle nur die Anzahl der Elektronen, nicht wie stark jedes einzelne von denen ist. Wie also kann es sein, dass es eine höhere Spannung benötigt, um an einem höheren Widerstand noch immer gleich viele Elektronen zu zählen.

Ich weiß nicht, ob mein Problem ganz verständlich rüber gekommen ist. Aber vielleicht ist ja wirklich jemand so nett und hat sich die Zeit genommen, sich einmal alles durchzulesen und hat dabei am besten auch noch meinen Gedankenfehler erkannt, schließlich muss ich ja irgendwo einen haben.

Liebe Grüße,
Jonas

GvC · Anmeldungsdatum: 07.05.2009 Beiträge: 14861

Für Anfänger ist das Modell eines geschlossenen Wasserkreislaufs vielleicht ganz hilfreich. Der besteht im einfachsten Fall aus einem irgendwie kreisförmigen geschlossenen Rohrsystem, das vollständig mit Wasser gefüllt ist. An einer Stelle dieses Kreislaufs ist eine Pumpe eingebaut, die in der Lage ist, das Wasser im Kreis herumzupumpen. An einer anderen Stelle ist ein kleines Wasserrad eingebaut, das durch das herumströmende Wasser angetrieben wird und so (mechanische) Energie über seine Welle nach außen abgeben kann.

Die Analogie ist nun die folgende:

Die Rohre entsprechen den elektrischen Letungen, das Wasser darin den Ladungsträgern. Die Pumpe entspricht der Spannungsquelle, das Wasserrad entspricht dem elektrischen Widerstand.

Die Pumpe baut Druck auf (das ist die elektrische Spannung), die das Wasser (den elektrischen Strom) herumpumpt. Das Wasserrad leistet Widerstand gegen das herumströmende Wasser. Je größer der Widerstand ist, desto kleiner ist bei vorgegebenem Pumpendruck (konstanter Spannung) die pro Zeiteinheit gepumpte Wassermenge (die pro Zeiteinheit geflossenen Ladungsträger). Die Wassermenge (der Strom) ist also nicht unabhängig vom Pumpendruck (von der Spannung), wie von Dir angenommen. Bei höherem Druck (höherer Spannung) fließen mehr Wassermoleküle pro Zeiteinheit durch den Rohrquerschnitt (Ladungsträger durch den Leitungsquerschnitt) und auch durch das Wasserrad (den Widerstand), bei geringerem Druck (geringerer Spannung) weniger.

Beim Wasserkreislauf wird die Pumpe mechanisch angetrieben, es wird ihr also Energie zugeführt. Diese Energie wird durch den Wasserstrom (der vom Puimpendruck abhängig ist) an das Wasserrad übertragen, wo die Energie wiederum in mechanischer Form über die Welle des Wasserrades abgenommen werden kann. Ähnlich ist es beim elektrischen Stromkreis. Die Spannungsquelle liefert die Energie, die durch den elektrischen Strom (der von der Spannung abhängig ist) an den elektrischen Widerstand übetragen wird. Der elektrische Widerstand kann aus einer Kochplatte oder allgemein einem Heizwiderstand bestehen, wo die von der Quelle gelieferte Energie in Form von Wärme abgegeben wird, oder beispielsweise aus einem Motor, wo die elektrisch gelieferte Energie in mechanische umgewandelt wird.

Wenn Du weitere Fragen zu diesem Modell hast (was ist, wenn ...), stelle sie ruhig. Dieses Wasserkreislaufmodell erklärt fast alle Phänomene der elektrotechnischen Grundlagen einschließlich der Erscheinungen an Kapazitäten und Induktivitäten bei Gleichstrom.

Steffen Bühler · Moderator Anmeldungsdatum: 13.01.2012 Beiträge: 7254

Um bei Deinem Modell zu bleiben: die 5 Elektronen haben es bei einem dünnen Draht schwerer, durchzukommen. Da muss man kräftiger schieben, wenn die in einer Sekunde durch sein müssen. Bei einem dicken Draht geht's leichter. Da können ja auch welche nebeneinander fliegen, im dünnen Draht geht das schlechter.

Dieser dünne Draht entspricht nun dem 5-Ohm-Widerstand, bei dem man eben 5 Volt braucht, um dieselbe Anzahl an Elektronen durchzupressen wie bei einem 1-Ohm-Widerstand, bei dem man mit 1 Volt "anschiebt".

Viele Grüße
Steffen

borromeus · Anmeldungsdatum: 29.12.2014 Beiträge: 509

Also ich erklärs meinen Mitarbeitern so:

Denk an einen Fluss!
Spannung ist Höhenunterschied des Flusses.
Widerstand ist Neigung des Geländes.
Strom ist Menge an Wasser.

Stimmt natürlich nicht 1:1, aber ist relativ plastisch.

mkm12 · Anmeldungsdatum: 20.01.2016 Beiträge: 124

Und was ist mit dem Kontinuitätsgesetz?
Da ist das Gedankenmodell von GvC aber besser, weil es die Notwendigkeit eines in sich geschlossenen Strömungssystems besser wiedergibt, und das ist schließlich ein zentrales Merkmal von elektrischen Stromkreisen.

borromeus · Anmeldungsdatum: 29.12.2014 Beiträge: 509

schnudl · Moderator Anmeldungsdatum: 15.11.2005 Beiträge: 6979 Wohnort: Wien

bin eigentlich auch der Meinung, dass dieses Modell didaktisch eher irreführend ist. Wenn Spannung Höhenunterschied ist, dann wäre Steigung elektrische Feldstärke. Da ist nirgends ein dissipativer Vorgang, wie man ihn für "R" braucht. Das ganze verwirrst mehr, als es wirklich bringt...

Ist aber nur meine persönliche Meinung ....