Widerstand

Die Schaltung im vorherigen Abschnitt ist nicht sehr praktisch. Tatsächlich kann es ziemlich gefährlich sein, zu bauen (direktes Verbinden der Pole einer Spannungsquelle mit einem einzigen Stück Draht). Der Grund dafür ist, dass die Stärke des elektrischen Stroms in einem solchen Kurzschluss sehr groß sein kann , und die Freisetzung von Energie kann sehr dramatisch sein (normalerweise in Form von Wärme). Normalerweise werden Stromkreise so aufgebaut, dass die freigesetzte Energie so sicher wie möglich praktisch genutzt wird.

Der Stromfluss durch das Filament der Lampe

Eine praktische und beliebte Verwendung von elektrischem Strom ist der Betrieb von elektrischer Beleuchtung. Die einfachste Form einer elektrischen Lampe ist ein winziger Metallfaden in einem klaren Glaskolben, der mit Wärmeenergie weißglühend („Glühbirnen“) leuchtet, wenn ausreichend elektrischer Strom durch ihn fließt. Wie die Batterie hat sie zwei leitende Verbindungspunkte, einen für den Stromeingang und den anderen für den Stromausgang. An eine Spannungsquelle angeschlossen sieht ein Stromkreis einer elektrischen Lampe etwa so aus:

Während der Strom durch den dünnen Metallfaden der Lampe fließt, stößt er auf mehr Widerstand als bei einem dicken Drahtstück normalerweise. Dieser Widerstand gegen elektrischen Strom hängt von der Art des Materials, seiner Querschnittsfläche und seiner Temperatur ab. Es ist technisch bekannt als Widerstand . (Man kann sagen, dass Leiter einen niedrigen Widerstand und Isolatoren einen sehr hohen Widerstand haben.) Dieser Widerstand dient dazu, die Stromstärke durch den Stromkreis bei einer gegebenen von der Batterie gelieferten Spannung im Vergleich zum „Kurzschluss“ zu begrenzen, bei dem wir hatten nichts als einen Draht, der ein Ende der Spannungsquelle (Batterie) mit dem anderen verband. Wenn sich der Strom gegen den Widerstand bewegt, wird „Reibung“ erzeugt. Ebenso wie die mechanische Reibung äußert sich die Reibung, die durch den gegen einen Widerstand fließenden Strom erzeugt wird, in Form von Wärme. Der konzentrierte Widerstand des Glühfadens einer Lampe führt zu einer relativ großen Menge an Wärmeenergie, die an diesem Glühfaden abgegeben wird. Diese Wärmeenergie reicht aus, um den Glühfaden weißglühend zu glühen und Licht zu erzeugen, während die Drähte, die die Lampe mit der Batterie verbinden (die einen viel niedrigeren Widerstand haben), bei gleichem Strom kaum warm werden. Wenn die Kontinuität des Stromkreises an irgendeinem Punkt unterbrochen wird, stoppt der Stromfluss im gesamten Stromkreis, wie im Fall eines Kurzschlusses. Wenn eine Lampe angebracht ist, bedeutet dies, dass sie aufhört zu leuchten:

Nach wie vor steht ohne Stromfluss das gesamte Potenzial (Spannung) der Batterie über die Unterbrechung zur Verfügung und wartet auf die Gelegenheit einer Verbindung, um diese Unterbrechung zu überbrücken und den Stromfluss wieder zuzulassen. Dieser Zustand wird als offener Stromkreis bezeichnet , wo eine Unterbrechung in der Kontinuität des Stromkreises den Strom durchgängig verhindert. Alles, was es braucht, ist eine einzige Unterbrechung der Kontinuität, um einen Stromkreis zu „öffnen“. Nachdem alle Unterbrechungen wieder angeschlossen und die Kontinuität des Stromkreises wiederhergestellt wurden, spricht man von einem geschlossenen Stromkreis .

Die Basis für das Schalten von Lampen

Was wir hier sehen, ist die Grundlage für das Ein- und Ausschalten von Lampen durch Fernschalter. Da jede Unterbrechung der Kontinuität eines Stromkreises dazu führt, dass der Strom im gesamten Stromkreis unterbrochen wird, können wir ein Gerät verwenden, das diese Kontinuität absichtlich unterbricht (ein sogenannter Schalter ), die an jeder geeigneten Stelle montiert wird, zu der wir Kabel verlegen können, um den Stromfluss im Stromkreis zu kontrollieren:

So kann ein an der Hauswand montierter Schalter eine Lampe steuern, die in einem langen Flur oder sogar in einem anderen Raum weit weg vom Schalter montiert ist. Der Schalter selbst besteht aus einem Paar leitfähiger Kontakte (normalerweise aus einer Art Metall), die durch einen mechanischen Hebelbetätiger oder Druckknopf zusammengedrückt werden. Wenn sich die Kontakte berühren, kann Strom von einem zum anderen fließen und die Kontinuität des Stromkreises hergestellt werden. Wenn die Kontakte getrennt sind, wird der Stromfluss von einem zum anderen durch die Isolierung der Luft dazwischen verhindert und die Kontinuität des Stromkreises unterbrochen.

Der Messerschalter

Die vielleicht beste Art von Schalter, um das Grundprinzip zu veranschaulichen, ist der „Messer“-Schalter:

Ein Messerschalter ist nichts anderes als ein leitfähiger Hebel, der sich frei an einem Scharnier drehen lässt und mit einem oder mehreren stationären Kontaktpunkten in Kontakt kommt, die ebenfalls leitfähigen sind. Der in der obigen Abbildung gezeigte Schalter ist auf einem Porzellansockel (einem hervorragenden Isoliermaterial) aufgebaut, wobei Kupfer (ein ausgezeichneter Leiter) für die „Klinge“ und die Kontaktpunkte verwendet wird. Der Griff besteht aus Kunststoff, um die Hand des Bedieners beim Öffnen oder Schließen von der leitfähigen Klinge des Schalters zu isolieren. Hier ist eine andere Art von Messerschalter mit zwei stationären Kontakten anstelle von einem:

Der hier gezeigte spezielle Messerschalter hat eine „Klinge“, aber zwei feststehende Kontakte, was bedeutet, dass er mehr als einen Stromkreis schließen oder unterbrechen kann. Im Moment ist es nicht besonders wichtig, sich dessen bewusst zu sein, sondern nur das Grundkonzept dessen, was ein Schalter ist und wie er funktioniert. Messerschalter eignen sich hervorragend zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Funktionsweise eines Schalters, weisen jedoch bei der Verwendung in Hochleistungsstromkreisen deutliche Sicherheitsprobleme auf. Die freiliegenden Leiter in einem Messerschalter machen einen versehentlichen Kontakt mit dem Stromkreis zu einer deutlichen Möglichkeit, und jede Funkenbildung, die zwischen der beweglichen Klinge und dem feststehenden Kontakt auftreten kann, kann in der Nähe befindliche brennbare Materialien entzünden. Die meisten modernen Schalterdesigns haben ihre beweglichen Leiter und Kontaktpunkte in einem Isoliergehäuse versiegelt, um diese Gefahren zu mindern. Ein Foto einiger moderner Schaltertypen zeigt, dass die Schaltmechanismen viel versteckter sind als beim Messerdesign:

Offene und geschlossene Kreisläufe

Gemäß der „offenen“ und „geschlossenen“ Terminologie von Stromkreisen sorgt ein Schalter, der von einer Anschlussklemme zur anderen kontaktiert (Beispiel:ein Messerschalter, bei dem die Klinge vollständig den feststehenden Kontaktpunkt berührt) für den Durchgang des Stromflusses durch und heißt geschlossen schalten. Umgekehrt, ein Schalter, der die Kontinuität unterbricht (Beispiel:ein Messerschalter mit der Klinge nicht Berühren des stationären Kontaktpunktes) lässt keinen Strom durch und wird als offen bezeichnet schalten. Diese Terminologie ist für den neuen Elektronikstudenten oft verwirrend, da die Wörter „offen“ und „geschlossen“ im Allgemeinen im Zusammenhang mit einer Tür verstanden werden, wobei „offen“ mit freiem Durchgang und „geschlossen“ mit Blockierung gleichgesetzt wird. Bei elektrischen Schaltern haben diese Begriffe die entgegengesetzte Bedeutung:„offen“ bedeutet kein Durchfluss, während „geschlossen“ den freien Durchgang von elektrischem Strom bedeutet.

RÜCKBLICK:

• Widerstand ist das Maß für den Widerstand gegen elektrischen Strom.
• Ein Kurzschluss ist ein Stromkreis, der dem Stromfluss keinen oder nur geringen Widerstand entgegensetzt. Kurzschlüsse sind bei Hochspannungsstromquellen gefährlich, da die auftretenden hohen Ströme dazu führen können, dass große Mengen an Wärmeenergie freigesetzt werden.
• Ein offener Kreislauf ist einer, bei dem die Kontinuität durch eine Unterbrechung des Stromflusses unterbrochen wurde.
• Ein geschlossener Kreislauf ist vollständig, mit durchgehend guter Kontinuität.
• Ein Gerät zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises unter kontrollierten Bedingungen wird als Schalter bezeichnet .
• Die Begriffe „offen“ und „geschlossen“ beziehen sich sowohl auf Schalter als auch auf ganze Schaltungen. Ein offener Schalter ist ein Schalter ohne Durchgang:Strom kann nicht durch ihn fließen. Ein geschlossener Schalter bietet einen direkten (niedrigen Widerstand) Weg für den Stromfluss.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Schalter
• Widerstand
• Spannung, Strom und Widerstand

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