Physik Realschule Bayern › Elektrizitätslehre › Jahrgangsstufe 8
Stromstärke und Elementarladung
Physik · Realschule · Jahrgangsstufe 8 · Bayern · Teilbereich Elektrizitätslehre
Im Lernbereich Elektrizitätslehre der 8. Jahrgangsstufe beschreiben Lernende den elektrischen Strom im Teilchenmodell als Bewegung von Leitungselektronen und berechnen die Stromstärke aus Ladung und Zeit. Das Verständnis von Reihen- und Parallelschaltung wird in der 10. Jahrgangsstufe mit dem Gesetz von Ohm vertieft.
Was fließt im Draht?
In Metallen gibt es frei bewegliche Leitungselektronen. Schließt man einen Stromkreis, treibt das elektrische Feld der Elektrizitätsquelle diese Elektronen an. Sie bewegen sich langsam durch den Draht, überlagert von ihrer schnellen ungeordneten Wärmebewegung. Diese gerichtete, langsame Wanderung heißt Driftbewegung.
Vereinbarungsgemäß zeigt die technische Stromrichtung von Plus nach Minus, also der Bewegung der Elektronen entgegengesetzt. Das ist historisch so festgelegt; in Schaltplänen rechnet man immer mit der technischen Stromrichtung.
- Bei Gleichstrom driften die Elektronen ständig in dieselbe Richtung (Batterie, Akku).
- Bei Wechselstrom wechselt die Elektrizitätsquelle regelmäßig ihre Polung; die Elektronen schwingen hin und her (Steckdose).
Die Stromstärke
Je mehr Ladung pro Zeit durch einen Querschnitt des Leiters fließt, desto größer ist der Strom. Die Stromstärke \(I\) ist der Quotient aus der transportierten Ladung \(Q\) und der Zeit \(t\):
\( I=\dfrac{Q}{t} \)
Die Einheit ist das Ampere: \(1\,\mathrm{A}=1\,\mathrm{\frac{C}{s}}\). Es fließt also ein Strom von \(1\,\mathrm{A}\), wenn in jeder Sekunde die Ladung \(1\,\mathrm{C}\) durch den Leiter wandert. Umgestellt ergibt sich \(Q=I\cdot t\) und \(t=\frac{Q}{I}\).
Beispiel 1: Ladung aus Stromstärke und Zeit
Durch eine Lampe fließt ein Strom von \(0{,}50\,\mathrm{A}\). Welche Ladung wird in \(2\) Minuten transportiert?
Gegeben: \(I=0{,}50\,\mathrm{A}\), \(t=2\,\mathrm{min}=120\,\mathrm{s}\)
Gesucht: Ladung \(Q\)
Formel: \(Q=I\cdot t\)
\( Q=0{,}50\,\mathrm{A}\cdot 120\,\mathrm{s}=60\,\mathrm{C} \)
Antwort: In zwei Minuten werden \(60\,\mathrm{C}\) transportiert. Die Zeit muss dafür in Sekunden eingesetzt werden.
Beispiel 2: Stromstärke aus Ladung und Zeit
Beim Laden eines Akkus fließt in \(30\,\mathrm{min}\) die Ladung \(Q=3600\,\mathrm{C}\). Wie groß ist die Stromstärke?
Gegeben: \(Q=3600\,\mathrm{C}\), \(t=30\,\mathrm{min}=1800\,\mathrm{s}\)
Gesucht: Stromstärke \(I\)
Formel: \(I=\frac{Q}{t}\)
\( I=\dfrac{3600\,\mathrm{C}}{1800\,\mathrm{s}}=2{,}0\,\mathrm{A} \)
Antwort: Es fließt ein Ladestrom von \(2{,}0\,\mathrm{A}\).
Beispiel 3: Wie viele Elektronen pro Sekunde?
Durch einen Draht fließt ein Strom von \(1{,}0\,\mathrm{A}\). Wie viele Elektronen passieren den Querschnitt in einer Sekunde? Die Elementarladung ist \(e=1{,}6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\).
Gegeben: \(I=1{,}0\,\mathrm{A}\), \(t=1{,}0\,\mathrm{s}\), \(e=1{,}6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\)
Gesucht: Anzahl \(n\)
Formel: \(Q=I\cdot t\), \(n=\frac{Q}{e}\)
\( Q=1{,}0\,\mathrm{A}\cdot 1{,}0\,\mathrm{s}=1{,}0\,\mathrm{C} \)
\( n=\dfrac{1{,}0\,\mathrm{C}}{1{,}6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}}\approx 6{,}2\cdot 10^{18} \)
Antwort: Rund \(6{,}2\) Trillionen Elektronen pro Sekunde. Jedes einzelne driftet nur langsam, aber es sind unvorstellbar viele.
Stromstärke in Reihen- und Parallelschaltung
Werden mehrere Bauteile in Reihe geschaltet, fließt durch alle derselbe Strom. Werden sie parallel geschaltet, teilt sich der Strom auf die Zweige auf; am Knoten ist die Summe der Ströme vor und nach der Verzweigung gleich.
Beispiel 4: Ströme in den Schaltungen
In einer Reihenschaltung zeigt ein Messgerät \(0{,}2\,\mathrm{A}\). In einer Parallelschaltung fließen durch die beiden Zweige \(0{,}2\,\mathrm{A}\) und \(0{,}3\,\mathrm{A}\). Welche Stromstärken misst man an den übrigen Stellen?
Antwort: In der Reihenschaltung fließt überall \(0{,}2\,\mathrm{A}\). In der Parallelschaltung addieren sich die Zweigströme: Vor der Verzweigung und nach ihr fließen \(0{,}2\,\mathrm{A}+0{,}3\,\mathrm{A}=0{,}5\,\mathrm{A}\).
Typische Fehler und Prüfungstipps
- Minuten nicht umgerechnet: In \(Q=I\cdot t\) die Zeit immer in Sekunden einsetzen.
- Elektronen fließen von Plus nach Minus: Nein, die Elektronen driften von Minus nach Plus. Nur die technische Stromrichtung zeigt von Plus nach Minus.
- Strom wird verbraucht: In einer Reihenschaltung ist der Strom überall gleich groß; er wird nicht weniger.
- Zweigströme nicht addiert: In der Parallelschaltung ist der Gesamtstrom die Summe der Zweigströme.
- Driftgeschwindigkeit mit Signalgeschwindigkeit verwechselt: Die Elektronen driften langsam, aber die Lampe leuchtet sofort, weil sich das elektrische Feld fast mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.
Üben: Aufgaben zur Stromstärke
Der Aufgabengenerator erstellt Aufgaben zu Stromstärke, Ladung und Zeit, zur Elementarladung und zu Strömen in Reihen- und Parallelschaltungen, mit Lösungsweg und als PDF druckbar.
Vorheriges Thema: Elektrische Ladung und Elektrostatik
Nächstes Thema: Gefahren des elektrischen Stroms
Vertiefung Jahrgangsstufe 10: Reihen- und Parallelschaltung
💡 Mehr auf lern.de
Entdecke weitere kostenlose Lernangebote für deine Schulart: