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Das leistungsbezogene Zusammenspiel von Spannung, Strom und Widerstand ist die fundamentale Funktion jeder elektrischen Schaltung.

Dazu folgendes Wassermodell,

ein "LowLevel-URI," sozusagen:

ErstesKapitel

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.

und:

Je höher der Berg-See über dem Tal gelegen, deststo kraftvoller wirkt dabei jeder gefallene Tropfen.

So ist vorweg genommen, daß die freigesetzte Leistung in Form von "Spritzwasser" beim Aufplatschen im Tal, neben der Menge an Wasser gleichsam auch durch dessen Fallhöhe bestimmt wird.

Dieser Höhenunterschied, vom Gipfel-See zum Tal entspricht im Wassermodell der Größe der elektrischen Spannung (U).

Dabei ist es egal ob gerade Wasser hinabströmt oder auch nicht.

Je höher der Bergsee über dem Tal gelegen, desto größer ist also die vorliegende Spannung.

Ein Bergsee-Spreng/Kurzschluß-Szenario zu vermeiden ist sinnvoll. Besser wäre ein Rohr, verlegt vom See hinab zum Tal, um dort Wasser oder Energie zu beziehen.

Um dieses Rohr, mit der darin aufgetürmten Wasserlast soll das Modell nun erweitert werden:

 

Jedes oben offene Rohr von beispielsweise 10 Meter Höhe (und auch egal welchen Durchmessers) gefüllt mit Wasser weist am Boden immer einen Druck von "einem Bar" auf.

1 Bar = 100 Kilopascal

Ein bar Druck läßt sich noch bequem per Daumen zuhalten.

20 Meter Wasserlast im Rohr drücken unten mit "2 Bar", 30 Meter mit "3 Bar" usw.usf.

 

Das bis oben gefüllte Rohr am fiktiven 100 Meter Bergsee erzeugt also kraftvolle "10 Bar" Wasserlast im Tal.

Das wäre im übrigen doppelter Hauswasserdruck und ein Zuhalten per Daumen ist unmöglich.

Diese Zahlen-Werte in "Bar" entsprechen im Modell dem Zahlen-Wert der elektrischen Spannung in "Volt"

"5 Bar" Druck (aus 50 Meter Höhe) bedeuten "5 Volt" elektrischer Spannung, oder 1 Bar für 1 Volt. (aus 10 Meter Höhe)

Besagtes Rohr ist nun am Boden mit einer Gummi-Kappe fest verschlossen. Entsprechend der aufgetürmten Wasserlast wird die Kappe, ähnlich einer Gummi-Mütze auch verschiedentlich weit durchgebogen.

Mit einem angebrachtem Zeiger läßt sich so der vorliegende Wasserdruck, als Zahlenwert, hier zwischen 0 und 10 anzeigen, ohne das dabei Wasser abfließt.

Das Prinzip ähnelt deutlich der Messung von elektrischer Spannung (U) in Volt (V).

elektrischer Strom

Leider hat sich eine Irritation bis heute durchgetragen:

Um die Stromwege in elektronischen Schaltiungen nachvollziehen zu können, ist die Verwendung der elektronischen Stromrichtung unerläßlich.

Und diese betrachtet den Stromfluß vom Minus zum Pluspol.

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

Dieses Modell verwendet daher die elektronische Stromrichtung, also deren Weg vom Minus (-) zum Pluspol (+).

Was ist Strom

Vom See abwärts strömen die Wassermassen durch gewaltiges Rohr.

Wieviel Liter je Sekunde dabei hindurchfließen, entspricht sinngemäß der Menge an elektrischem Strom (I) in Ampere (A).

Mit einem eingebauten Flügelrad, analog einem "Ampermeter" kann der Durchfluß gemessen werden.

...kurz was zu Wechselstrom

Der Kolben zwingt dem Wasserkreislauf eine ständig wechselnde Bewegung auf.

Antrieb ist die Kreisbewegung vom Kurbelrad.

Eine volle Umdrehung entspricht gleichsam einer abgeschlossenen Wechselbewegung im Wasserstrom.

Ob nun der Kreisbewegung am Kurbelrad entnommen oder irgendwo im Wasser-Wechsel-Strom mitgezeichnet, überall besteht hier die selbe sinusförmige Wechsel-Schwingung.

 

Die Frequenz beschreibt dabei 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).

Elektrischer Wechsel-Strom in Europa's Steckdosen schwingt beispielgebend 50x je Sekunde. (also mit 50 Hz) Das ist zu schnell für eine ernsthafte optische Unterscheidung. Die 50Hz Netzfrequenz ist aber, z.B. an Transformatoren deutlich als ein tiefer Brummton zu hören.

 

Strom und Spannung ergibt Leistung

 

Die gesamte Energie der Wasserkraft ergibt sich kurz und knapp aus Fallhöhe mal Volumenstrom.

Talseitige Platschwasser-Leistung (P) = Berghöhe (in Meter) mal Wassermenge (in Liter je Sekunde)

ist vergleichbar mit:

Elektrische Leistung (P) = Spannung (in Volt) mal Stromstärke (in Ampere - als eine Ladungsmenge (Coulomb) je Sekunde)

 

 

ZweitesKapitel

elektrischer Widerstand

 

Im Beispiel Wasser schränkt ein Widerstand,

wie die "Cocktailfrucht im Strohhalm" den sonst größt möglichen Strom ein.

Elektrische Widerstände behindern den Strom ebenso, nämlich durch ihre eingeschränkte elektrische Leitfähigkeit.

Was der Elektronenstrom dabei an Leistungsfähigkeit verliert, wird am Widerstand zumeist zu Wärme.

 

Elektrische Widerstände sind zunächst sogenannte "Verbraucher" wie Kühlschränke, Lampen, Fernseher...

Denn elektrische Verbraucher

stellen für den Strom einen Widerstand dar und müssen die daran verbrauchte Energiemenge irgendwie wieder los werden. Sei es nun als Wärme, Licht, oder in Form von Elektromagnetismus für Motoren etc. oder auch sonstwo im Spektrum.

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Mit dem spezialisierten Bauelement: Widerstand hingegen, lassen sich entsprechend seiner Leitfähigkeit verschiedene Energiemengen

aus Spannung und Strom innerhalb elektronischer Schaltungen zweckgebunden festlegen.

Das "Wofür" aufzuzeigen ist letztlich Ziel dieser Seiten.

Die aufgedruckten Farben beschreiben die elektrischen Eigenschaften für diesen Widerstand. Die Auflösung mit klassischer "Farbtabelle" (externLink) weist auf einen Metallschichtwiderstand 6040 Ω mit 1% Toleranz.

 

 

Die jeweilige Wirksamkeit eines Widerstand wird als dessen Wert angegeben.

Je höher der Wert, desto größer die dem Strom entgegengestellte Einschränkung.

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

 

= /

Das Ohmsche Gesetz...

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

R=U/I

I=U/R

U=R*I

Daher kann einerseits, durch mathematisches Umstellen der Formel jede unbekannte Größe dieser Spannung-Widerstand-Strom-Beziehung ermittelt werden, sofern zwei Werte daraus bekannt sind.

und andererseits ist festgelegt:

Wenn 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). (Das wäre ein Rohrstück mit passender Cocktailfrucht für den Vorbeilauf von genau einem Liter Wasser/Sekunde aus 10 Meter Höhe.)

Bei einer Spannung von 2 Volt (zwanzig Meter Wasserlast) steigt davon abhängig der Strom auf 2 Ampere (zwei Liter Wasser je Sekunde) bei gleichem, unveränderten 1 Ohm (Cocktail-) Widerstand usw. usf.

Mit steigender Spannung an einem Widerstand fließt demnach auch proportional mehr Strom durch diesen Widerstand. Mehr Druck läßt das Wasser ebend einfach schneller strömen.

In zB. Verstärker-Schaltungen werden zumeißt Widerstände größer 1 Ohm zB. 4,7kiloΩ = 4.700 Ohm, oder Megaohm: 1MegaΩ = 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), Potentiometer und Trimmer als veränderbare Widerstände oder Sondertypen wie z.B. Temperaturfühler und lichtsensible Fotowiderstände.

Widerstände können in ihrem "Wert" wie vorab beschrieben festgelegt, also "fix"

...oder auch veränderbar sein:

So stellt der Absperrschieber an der Rohrmündung von geschlossen bis geöffnet alle möglichen Wasserwiderstände dar.

Er erfüllt für Wasser die Voraussetzung: veränderbarer Widerstand.

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

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

 

Es sei noch der Form halber, (denn darum geht es an dieser Stelle nicht), die Bedeutung von Kondensatoren erwähnt, welche für Wechselspannung mit steigender Frequenz einen, im Wert fallenden Widerstand darstellen, wohingegen sie für einen anliegenden Gleichstrom einfach undurchlässig sind.

Das Bauteil "Spule" hingegen verhält sich da genau anders herum. Mit steigender Frequenz erhöht sich deren Widerstands-Wert durch die "Selbstinduktion". 

 

Messung von Spannung (V) und Strom (A) an einem Widerstand (R).

 
Läztes (und wichtigstes) Kapitel:

"Serien-" bzw. Reihenverschaltung von zwei ohmschen Widerständen. R1 und R2 :



I.)
Im Wasserweg des Bergseerohr...

...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 und R2 und zeigt keinen Druckanstieg. Denn alles Wasser aus R1 kann über den wirkungslosen 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 dabei einen mittleren, Staudruck-Spannungswert (vielleicht von 5 bar) an.

III.) ist das andere Extrem zu I.)

Ist der Wasserdurchfluß durch R2 versperrt, steht maximaler 10 bar Bergsee-Druck über R1 am Mützometer, und damit nun die größt mögliche Spannung am Mütz-Meßpunkt zwischen den beiden Widerständen.

Somit kann am Mützometer, also am Verbindungspunkt von R1 an R2 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.

Dieses: "jeder beliebige Spannungswert zwischen den Extremen: I.) und III.)" ist die einfache wie weitreichende Grundlage zum Verständnis:
wie elektrische Verstärkung funktioniert

Nachgesetzt:

Parallele, also nebeneinander verknüpfte Widerstände ergeben einen gemeinsamen, geringeren Widerstandwert.

Sind R1 und R2 zufällig gleich groß, entspricht der gemeinsame Widerstandwert dem halben Wert eines Einzelwiderstandes.

Sind R1 und R2 verschieden, ergibt sich ein Gesamtwert, welcher kleiner als der Wert des kleineren, der beiden Teilwiderstände ist.

 


wie elektrische Verstärkung funktioniert
( interner Link ) 

RaikWagner@gmx.de

Dez.2016

(2009)