Stromkreis
Ein elektrischer Stromkreis ist ein System von Leitern, das einen geschlossenen Weg darstellt.[1] Dabei umfasst der Begriff Leiter jedes Medium, das zum Transport elektrischer Ladung fähig ist. Ein Alltagsbeispiel ist das Kupferkabel, durch das sich Elektronen bewegen. Dient ein Stromkreis zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie, so muss dieser durch (mindestens) zwei gegeneinander isolierte Leitungen mit den Anschlüssen einer elektrischen Energiequelle verbunden sein. Dieser Aspekt wird hier bevorzugt behandelt. In physikalischer Allgemeinheit treten Stromkreise auch in anderem Zusammenhang auf, wozu einige Beispiele angegeben werden.
Stromkreis in der Energieversorgung
Im Zusammenhang mit der elektrischen Energieversorgung wird in der Literatur oft zwischen einem geschlossenen und einem offenen Stromkreis unterschieden. In der Bedeutung eines Kreises ist der Weg immer geschlossen. In der Praxis wird er an mindestens einer Stelle unterbrechbar sein, beispielsweise beabsichtigt durch einen Schalter, einen Steckverbinder oder eine elektrische Sicherung oder unbeabsichtigt durch einen Wackelkontakt oder eine fehlende Leitung. Ein offener Stromkreis kann auch unbeabsichtigt geschlossen werden, siehe z. B. Kurzschluss, Körperstrom, Kriechstrom oder Lokalelement.
In der Elektroinstallation wird auch jeder durch eine eigene Schmelzsicherung oder einen Leitungsschutzschalter abtrennbare Teil einer elektrischen Anlage als Stromkreis bezeichnet.
Elementarer Stromkreis
Die zwei als Schaltbild dargestellten Stromkreise zeigen jeweils
- links eine Spannungsquelle,
- rechts eine Glühlampe und
- unten einen Schalter.
Im oberen Teilbild ist der Schalter (und damit der Stromkreis) geschlossen, bei passender Auslegung leuchtet die Glühlampe und zeigt dadurch das Fließen des Stromes an.
Im unteren Teilbild ist der Schalter geöffnet, ein Strom ist nicht möglich. Die Glühlampe leuchtet unabhängig von der Auslegung nicht.
In solchen unverzweigten Stromkreisen fließt der Strom überall mit derselben Stromstärke.
Bestandteile in der Energieversorgung
Quelle
In fast allen Ausführungen stammt die elektrische Energie aus einer Spannungsquelle. Sie erzeugt an ihrem Ausgang eine vom jeweiligen Verbraucher nahezu unabhängige elektrische Spannung. Der elektrische Strom, den sie zugleich liefert, hängt wesentlich von Eigenschaften des Verbrauchers ab. Solche Spannungsquellen sind weit verbreitet, Beispiele sind Akkumulatoren oder Batterien, die eine Gleichspannung liefern, oder Generatoren im öffentlichen Stromnetz und die Sekundärseite eines Transformators, die eine Wechselspannung liefern.
Verbraucher
Die Bauelemente, in denen die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, werden häufig als elektrischer Verbraucher bezeichnet.[2] Die Stärke des elektrischen Leiterstromes stellt sich einerseits durch die Höhe der Spannung ein, andererseits durch eine Eigenschaft des Verbrauchers, die als elektrischer Widerstand bezeichnet wird. Je größer der Widerstand ist, desto niedriger ist bei gegebener Spannung die Stärke des Stromes. Statt durch Angabe seines Widerstandes wird der Verbraucher teilweise gekennzeichnet durch die Angabe seiner elektrischen Leistung bei Nennspannung.
Häufig kann ein Verbraucher als linearer Widerstand angesehen werden, insbesondere als ohmscher Widerstand. Aber auch Verbraucher mit nichtlinearem Verhalten wie Halbleiterbauelemente, magnetische Bauelemente (Drosseln, Transformatoren) und die Glühlampe kommen zum Einsatz.
Ein Widerstand darf in einem Stromkreis mit Spannungsquelle beliebig groß werden. Ein geöffneter Schalter stellt in diesem Sinne einen unendlich hohen Widerstand dar. Er darf aber nicht beliebig klein werden, denn dann kommt es zum Kurzschluss. Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt nur von dem Innenwiderstand der Spannungsquelle ab. Bei leistungsstarken Quellen kann der hohe Kurzschlussstrom den Leiter schmelzen, einen Brand verursachen oder einen Akkumulator explodieren lassen.
Leiter, Schalter
Die in Schaltbildern gezeichneten Verbindungen werden als verlustlos angesehen. Soweit ein realer elektrischer Leiter der Idealisierung von vernachlässigbar kleinen Leitungsbelägen nicht genügt, muss er wie ein Verbraucher angesehen werden.
Der gezeichnete Schalter ist einpolig ausgeführt. Er kann den Stromkreis unterbrechen oder schließen. Für eine potentialfreie Trennung des Verbrauchers von einer nicht potentialfreien Quelle ist ein zweipoliger Schalter erforderlich, der beide Leiter unterbricht. Sonst kann der Verbraucher weiterhin an gefährlicher Spannung (gegenüber „Masse“) liegen, auch ohne dass ein elektrischer Strom fließt.
Reihen- und Parallelschaltung
– oben in Reihenschaltung: ohne Verzweigung,
– unten in Parallelschaltung: mit Verzweigung
Mit weiteren Quellen oder Verbrauchern entstehen je nach deren Anordnung Reihen- oder Parallelschaltungen oder Kombinationen davon. Die Gesetzmäßigkeiten dieser Schaltungen werden durch die kirchhoffschen Regeln beschrieben.
Sind alle Bauelemente ohne Verzweigung hintereinander geschaltet, so handelt es sich um eine Reihenschaltung. Sie werden alle von demselben Strom durchflossen. Die Gesamtspannung teilt sich auf die einzelnen Bauteile auf.
Sind Bauelemente parallel zueinander geschaltet, so bieten sich dem Strom mehrere Wege. Jeden einzelnen dieser Wege nennt man Stromzweig.[3] An parallelen Verbrauchern liegt dieselbe Spannung. Der Gesamtstrom teilt sich auf die einzelnen Zweige auf.
Schaltungen, die sowohl Elemente von Reihenschaltungen als auch Parallelschaltungen enthalten, nennt man gemischte Schaltungen. Jede gemischte Schaltung lässt sich auf Reihen- und Parallelschaltungen zurückführen. Eine Anzahl weiterer Schaltungen werden unter Elektrische Schaltung aufgeführt. Eine stärker generalisierte Behandlung findet sich unter Netzwerk (Elektrotechnik).
Stromkreis außerhalb der Energieversorgung
Als weitere Arten von Stromkreisen seien genannt:
- In einem supraleitenden Ring kann durch Induktion einmal ein Strom erregt werden, der ohne Quelle oder Energiezufuhr jahrelang fließt. Der Aufwand ist allerdings wegen der erforderlichen Kühlung erheblich.
- In einem Schwingkreis können meist sinusförmige elektrische Schwingungen auftreten. Die Schwingung beruht nach einmalig zugeführter Energie auf der Wechselbeziehung zweier Energieformen und geht mit einem Wechselstrom zwischen zwei Energiespeichern einher. Dieser kann ohne zeitliche Befristung fließen, wenn die infolge Dämpfung als Wärme abgegebene Energie fortlaufend aus andersartiger Energie ersetzt wird.
- In einem thermolektrischen Stromkreis (ohne Fremdeinspeisung) wird die transportierte elektrische Energie nicht einer elektrischen Energiequelle entnommen, sondern sie wird bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen direkt aus thermischer Energie gewonnen. Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Generatoren ist allerdings gering.
