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Das leistungsbezogene Zusammenspiel von Spannung, Strom und Widerstand ist die fundamentale Funktion jeder elektrischen Schaltung. Einsicht wäre halber Weg nach Pudels-Kern. Dazu ein flüssiges Streiflicht:

elektrische Spannung

Ein großer See ruht auf hohem Berg. Der Bergsee sei nun Minuspol, und Pluspol ist das Tal.

Wird der Berghang plötzlich abgesprengt, so stürzen die Wasser gewaltig hinab. Es gibt kaum Widerstand im freien Fall. Es fließt ein beachtlicher Gleichstrom, ähnlich einem Kurzschluß.

Je größer der Unterschied zwischen Gipfel und Tal, desto kraftvoller wirkt jeder gefallene Tropfen wie auch die gesamten stürzenden Wassermassen. Die freigesetzte Leistung in "Spritzwasser" beim Eintreffen im Tal wird neben der Wassermenge auch durch die Fallhöhe bestimmt. Der Höhenunterschied, der auch besteht wenn gerade kein Wasser abfließt, solange der See nur Wasser enthält, entspricht im Wassermodell der elektrischen Spannung (U). Je höher der Berg, desto größer die vorliegende Spannung.

Ein Bergsee-Spreng/Kurzschluß-Szenario aus ökologischen Gründen zu vermeiden scheint nachvollziehbar. Besser wäre ein Rohr, verlegt vom See hinab zum Tal, um dort Wasser oder Energie zu beziehen. Ein Rohr führt, mit einer Wassersäule im inneren und der steten Wasserlast die so über die Strecke Berg/Tal wirkt, zu den gewünschten Modelleigenschaften:

Ein oben offenes Rohr von 10 Meter Höhe (egal welchen Durchmessers) gefüllt mit Wasser weist am Boden einen Druck von einem bar auf. Ein bar Druck läßt sich noch per Daumen zuhalten.

Das bis oben gefüllte Rohr am fiktiven 100 Meter Bergsee erzeugt kraftvolle 10 bar Wasserlast im Tal. Das wäre doppelter Hauswasserdruck und ein Zuhalten ist unmöglich.

Dieser Druck aus jeweils vorliegender Wasserlast im Rohr, bestimmt im Modell die Höhe der elektrischen Spannung. 5 bar (aus 50 Meter Höhe) könnten zB. 5 Volt Spannung bedeuten, bzw. 1bar für 1Volt. (aus 10 Meter Höhe)

Das 100 Meter Bergsee-Rohr ist hier im Tal mit einer Gummi-Kappe fest verschlossen. Bei ansteigender Wassersäule wird diese "Gummi-Mütze" wie eine Membran auch immer weiter durchgebogen. So läßt sich jeder Wert zwischen 0 und 10 anzeigen, ohne das dabei Wasser abfließt. -Das Prinzip ähnelt der Messung von elektrischer Spannung (U) in Volt (V).

elektrischer Strom

Leider hat sich eine Irritation bis heute durchgeschleppt:

Die elektrische, technische Stromrichtung im Stromkreis weist von Plus nach Minus. Als man diese Festlegung traf, wußte man noch nichts von Elektronen.

Die elektronische Stromrichtung hingegen, weist von Minus nach Plus. Das Wassermodell betrachtet diese Elektronen -Stromrichtung, also deren Weg vom Minus- zum Pluspol.

Vom See abwärts strömen die Wassermassen durch gewaltiges Rohr. Wieviel Liter je Sekunde als Volumenstrom hindurchfließt entspricht sinngemäß der Messung des elektrischen Strom (I) in Ampere (A).

Wechselstrom

Der Kolben zwingt dem Wasserkreislauf eine ständig wechselnde Bewegung auf. Antrieb ist die Kreisbewegung vom Kurbelrad. Eine volle Umdrehung entspricht auch einer abgeschlossenen Wechselbewegung im Wasserstrom. Die Frequenz beschreibt die Anzahl dieser Wechselzyklen pro Sekunde. Im Modell dauert eine Kurbelrad-Umdrehung, und somit die zugehörige Wechselschwingung eine Sekunde. Die Frequenz beträgt also 1, verknüpft mit der SI Einheit: Hertz (1 Hz). Ob nun der Kreisbewegung am Kurbelrad entnommen oder gleichwo im Wasser-Wechsel-Strom mitgezeichnet, überall besteht die selbe sinusförmige Schwingung.

Elektrischer Wechsel-Strom in Europa's Steckdosen schwingt 50x je Sekunde. (50 Hz) Das ist zu schnell für optische Unterscheidung. Diese 50Hz Netzfrequenz sind, z.B. an Transformatoren bereits als ein tiefer Brummton zu hören.

Die gesamte Energie der Wasserkraft ergibt sich nunmehr aus Fallhöhe mal Volumenstrom.

Spritzwasser-Leistung (P) = Berghöhe (in Meter) mal Wassermenge (in Liter/s)

Elektrische Leistung (P) = Spannung (in Volt) mal Strom (in Ampere)

elektrischer Widerstand

Im Beispiel Wasser schränkt der Widerstand, wie ein Stück Cocktailfrucht im Strohhalm den größt möglichen Strom ein.

Elektrische Widerstände behindern den Strom durch ihre begrenzte Leitfähigkeit. Was der Elektronenstrom dabei an Leistungsfähigkeit verliert, wird am Widerstand zumeist zu Wärme.

Elektrische Widerstände sind z.B. Verbraucher wie Kühlschränke, Lampen und Fernseher.

Das spezialisierte Bauelement: Widerstand hingegen, legt verschiedene Energiemengen aus Spannung und Strom innerhalb elektronischer Schaltungen verschieden fest. Die aufgedruckten Farben beschreiben die elektrischen Eigenschaften für diesen Widerstand. Die Auflösung mit klassischer "Farbtabelle" (externLink) zeigt einen Metallschichtwiderstand 6040 Ω mit 1% Toleranz

Die Wirksamkeit der Beeinflussung ist im Wert des Widerstand benannt. Je höher der Wert, desto größer die dem Strom entgegengestellte Einschränkung.

Der Wert eines elektrischen Widerstand (R) wird in Ohm (Ω) angegeben.

Das Ohmsche Gesetz (Widerstandsgesetz) R=U/I beschreibt die untrennbare Abhänigkeit von Spannung U (in Volt), dem Wert des verwendeten Widerstand R (in Ω Ohm)), und dem dabei nur möglichen Strom I (in Ampere) durch diesen Widerstand.

= /

Wenn also bei einer Spannung (U) von 1 Volt (ein bar, also 10 Meter Wasserhöhe), genau 1 Ampere (ein Liter Wasser je Sekunde) Strom (I) fließt, dann befindet sich im Stromfluß ein Widerstand (R) mit einem Wert von 1 Ω Ohm. (Rohrstück mit passender Cocktailfrucht für den Vorbeilauf von genau 1 Liter Wasser/Sekunde bei 10 m Wasserlast)

Bei einer Spannung von 2 Volt (zwanzig Meter Wasserlast) steigt abhänig der Strom auf 2 Ampere (zwei Liter Wasser je Sekunde) bei gleichem 1 Ohm Widerstand usw.

Durch mathematisches Umstellen der Formel läßt sich weiter jede unbekannte Größe der Spannung-Widerstand-Strom-Beziehung ermitteln, sofern zwei Werte daraus bekannt sind.

In zB. Verstärker-Schaltungen werden eher Widerstände größer 1 Ohm zB. 4,7kΩ = 4.700 Ohm, oder Megaohm: 1M = 1.000.000 Ohm benötigt. Es macht Sinn die Vielzahl denkbarer Widerstands-Werte auf ein vertretbares Maß zu begrenzen. In Europa sind mit der "E96- Reihe" Widerstände, wie auch Kondensatoren als feste Größen genormt, und in etwa 800 erhältliche Zwischenstufen aufgeteilt. Hinzu kommen noch verschiedene Baugrößen für unterschiedliche Leistungsverträglichkeit (in Watt), Potenziometer und Trimmer als veränderbare Widerstände oder Sondertypen wie z.B. Temperaturfühler und lichtsensible Fotowiderstände.

Widerstände können im Wert festgelegt,

oder auch veränderbar sein.

Der Absperrschieber an der Rohrmündung stellt von geschlossen bis geöffnet alle möglichen Wasserwiderstände dar. Er erfüllt für Wasser die Bedingung: veränderbarer Widerstand.

Auch die Stromquelle selbst ist Widerstand. Bei einem Kurzschluß bestimmt sie den maximal möglichen Strom.

 Weiter erfordern starke Ströme dicke Drähte oder große Rohre.  Ist der Querschnitt zu gering droht Leistungsverlust durch Stau und Drängelei.

I.) Im Wasserweg sind nun irgendwo zwei Widerstände eingebaut. Widerstand R1 schränkt zuerst den Durchfluß etwas ein. Widerstand R2 ist momentan noch wirkungslos und somit praktisch nicht vorhanden. Die Voltmeter-Gummimütze klemmt zwischen R1/R2 und zeigt keinen Druckanstieg. Alles Wasser aus R1 kann über R2 ungehindert abströmen.

II.) Nun stemmt sich Widerstand R2 mit kleinerem Durchgang gegen den Strom aus hier, weiter geöffnetem R1. Es passt nicht alles Wasser aus R1 zeitgleich durch R2. Was nicht geht muß warten. Der Rückstau führt zum Druckanstieg zwischen den Widerständen.

R=U/I gibt unstrittig vor: Ansteigende Spannung, oder Druck, vor einem Widerstand, läßt den zugehörigen Strom durch diesen Widerstand in gleichem Maße mit ansteigen. Das bedeutet: Der ansteigende "was nicht passt muß warten"-Staudruck vor R2 zwingt zunehmend mehr Wasser gleichzeitig durch R2, und verharrt, wenn letztlich gleichviel Wasser durch R2 gepresst wird, wie dabei durch R1 nachströmt. Das Mütz-Voltmeter, zwischen den beiden Widerstanden zeigt diesen mittleren Staudruck- "Spannungswert" an.

III.) ist das andere Extrem zu I.) Wäre der Wasserdurchfluß durch R2 versperrt, steht maximaler Berg-Druck über R1 am Mützometer, und damit größt mögliche "Spannung" am Meßpunkt zwischen beiden Widerständen.

***

Somit kann am Mützometer jeder beliebige Spannungswert, innerhalb der Extreme I. und III. abgegriffen werden, wenn nur das passende Größen-Verhältnis aus Widerstand R1 und R2 zueinander gefunden ist...

... und vorausgesetzt die Bergsee-Spannungsquelle hält jedem dabei abverlangten Spritzdüsen-Strom, also dem Gesamtstrom durch beide Widerstände, unbeeindruckt stand.

Hieraus läßt sich nun weiter aufzeigen:

wie Röhrenverstärker funktionieren

RaikWagner@gmx.de

noVembär 2011

(2009)