Strom- und Spannungsquellen Klasse N

Kniff: Der ganze Unterschied steckt in den zwei Strichen. Gleich lange und gleich dicke Striche wären ein Kondensator. Hier ist einer lang und dünn, der andere kurz und dick — das ist das Zeichen für eine einzelne Zelle, umgangssprachlich Batterie. Die Merkregel: lang und dünn ist der Plus-Pol, kurz und dick der Minus-Pol. Wer nur „zwei Striche mit Lücke“ sieht, fällt auf den Kondensator herein.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Kondensator – Beim Kondensator stehen zwei gleich lange und gleich dicke Platten einander gegenüber. Hier ist der eine Strich lang und dünn, der andere kurz und dick. Genau diese Ungleichheit unterscheidet die Batterie vom Kondensator.
• Diode – Eine Diode wird als Dreieck gezeichnet, das mit seiner Spitze auf einen Querstrich zeigt; das Dreieck gibt die Durchlassrichtung an. In der Zeichnung ist kein Dreieck zu sehen, nur zwei gerade Striche.
• Widerstand – Ein Widerstand ist ein liegendes Rechteck im Draht (in älteren Zeichnungen eine Zickzacklinie). Der Draht läuft dabei durch das Bauteil hindurch. Hier ist der Draht unterbrochen, und es gibt kein Rechteck.

Kniff: Der waagerechte Balken am Ende einer Leitung ist das Zeichen für Masse. Masse ist der gemeinsame Bezugspunkt einer Schaltung: der Punkt, auf den sich alle Spannungsangaben beziehen, meist das Metallgehäuse oder eine durchgehende Leiterfläche. In einem Schaltplan tauchen oft viele solche Zeichen auf, und alle bedeuten denselben Punkt — man zeichnet sie so, damit man nicht überall Verbindungsleitungen hinmalen muss. Das Erkennungsmerkmal ist: nur ein Anschluss. Jedes Bauteil hätte mindestens zwei.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Schalter – Ein Schalter wird als Leitung mit einer Unterbrechung gezeichnet, an der ein schräger, beweglicher Kontaktarm sitzt. Hier ist die Leitung nicht unterbrochen und es gibt keinen schrägen Strich. Vor allem hätte ein Schalter zwei Anschlüsse — er soll ja eine Verbindung herstellen oder trennen —, dieses Zeichen hat nur einen.
• Batterie – Das Batteriezeichen besteht aus zwei kurzen parallelen Strichen, die sich nicht berühren: ein langer dünner für den Pluspol und ein kurzer dicker für den Minuspol, mit je einer Leitung nach außen. Hier gibt es nur einen Balken und nur eine Leitung, und der Balken sitzt direkt am Ende des senkrechten Strichs.
• Antenne – Das Antennenzeichen ist ein senkrechter Strich, der oben in zwei schräg abgehenden Strichen oder einem Dreieck endet — die Spitze zeigt nach oben, weil die Antenne nach oben strahlt. Hier sitzt der Querbalken unten am Ende der Leitung, und er ist waagerecht statt schräg.

Kniff: Die Form der Striche ist die ganze Auskunft: der lange dünne Strich ist der Plus-Pol, der kurze dicke der Minus-Pol. Diese Regel muss man wissen, aus der Zeichnung allein lässt sie sich nicht herleiten. Eselsbrücke: der Plus-Pol darf sich lang machen. Anschluss 1 sitzt auf der Seite des langen Strichs, ist also Plus; Anschluss 2 sitzt am kurzen dicken Balken und ist Minus. Wichtig ist außerdem, dass es hier um elektrische Pole geht — Nord und Süd gehören zum Magneten, nicht zur Batterie.

Warum die anderen nicht stimmen:

• 1 = Minus-Pol; 2 = Plus-Pol – Genau vertauscht. Dafür müsste der kurze dicke Balken der Plus-Pol sein. Es gilt umgekehrt: lang und dünn ist Plus, kurz und dick ist Minus.
• 1 = Nord-Pol; 2 = Süd-Pol – Nord und Süd sind die Pole eines Magneten. Eine Batterie liefert eine elektrische Spannung und hat einen Plus- und einen Minus-Pol. Am Schaltzeichen der Batterie gibt es keine magnetischen Pole.
• 1 = Süd-Pol; 2 = Nord-Pol – Derselbe Irrtum wie bei der Antwort mit Nord und Süd, nur zusätzlich vertauscht: magnetische Pole gehören nicht an eine Batterie.

Lösungsweg:

1. Weg von „+“ nach „−“ verfolgen: er läuft durch alle sechs Zellen hintereinander, ohne Abzweigung — Reihenschaltung
2. Polung prüfen: jede Zelle wird am Pluspol betreten und am Minuspol verlassen, alle sechs zählen mit demselben Vorzeichen
3. Spannungen in Reihe addieren: 6 · 1,5 V
4. 6 · 1,5 V = 9 V

Kniff: Die Bügel oben und unten lassen die Schaltung wie eine Parallelschaltung aussehen, sie ist aber eine Reihenschaltung: die Verbindungen wechseln jeweils zwischen oben und unten, so dass eine einzige Kette entsteht — von „+“ durch alle sechs Zellen nach „−“, ohne Abzweigung. Und obwohl die Zellen abwechselnd gedreht gezeichnet sind, arbeiten sie alle in dieselbe Richtung: verfolgt man den Weg, betritt man jede Zelle am langen dünnen Strich (Plus) und verlässt sie am kurzen dicken (Minus). In Reihe addieren sich die Spannungen, also sechs mal 1,5 V. Nachzählen und den Weg mit dem Finger verfolgen ist hier die ganze Arbeit.

Warum die anderen nicht stimmen:

• 6 V – 6 V sind vier Zellen in Reihe: 4 · 1,5 V = 6 V. Wer nur die vier Zellen zählt, die von den beiden oberen Bügeln erfasst werden, und die zwei an den Klemmen übersieht, kommt darauf. Ein zweiter Weg zu dieser Zahl: die Anzahl der Zellen (6) versehentlich als Volt-Angabe hinschreiben.
• 0,25 V – Hier wurde geteilt statt addiert: 1,5 V / 6 = 0,25 V. Beim Zusammenschalten gleicher Zellen wird die Spannung nie kleiner als die einer einzelnen Zelle — weder in Reihe noch parallel.
• 1,5 V – Das ist die Spannung einer einzigen Zelle, also das Ergebnis, wenn alle sechs Zellen parallel lägen. Bei Parallelschaltung bleibt die Spannung gleich und nur die entnehmbare Ladung wächst. Hier gibt es aber nur einen Weg von „+“ nach „−“, alle sechs Zellen liegen also hintereinander.

Lösungsweg:

1. Beide Zellen gleich gedreht: Minus der linken Zelle liegt am Plus der rechten - Reihenschaltung
2. In Reihe addieren sich die Spannungen: 1,5 V + 1,5 V = 3 V
3. Das Voltmeter liegt über beide Zellen, misst also die Summe: 3 V

Kniff: Zuerst prüfen, wie die Zellen zueinander stehen. Beide sind gleich gedreht, also trifft am Mittelpunkt der Minus-Pol der linken Zelle auf den Plus-Pol der rechten. Das ist eine Reihenschaltung, und in Reihe addieren sich die Spannungen. Wäre eine Zelle umgedreht, würden sie sich aufheben und das Messgerät zeigte 0 V. Zweitens: das Voltmeter hängt außen an den beiden Enden, nicht an einer einzelnen Zelle — es misst die Summe. Spannungen werden addiert, nie multipliziert.

Warum die anderen nicht stimmen:

• 1,5 V – Das ist die Spannung einer einzelnen Zelle. Sie käme heraus, wenn die zwei Zellen parallel lägen oder wenn man nur eine mitzählt. Hier liegen sie aber hintereinander im selben Draht, und das Messgerät umfasst beide.
• 0 V – Null ergibt sich nur, wenn die zwei Zellen gegeneinander arbeiten, also eine von ihnen umgedreht ist. Dann stünden die beiden dicken Balken oder die beiden dünnen Striche einander gegenüber. In der Zeichnung sind beide Zellen gleich gedreht.
• 2,25 V – Das ist 1,5 mal 1,5. Bei einer Reihenschaltung werden die Spannungen addiert, nicht multipliziert. Addieren ergibt 3 V.

Lösungsweg:

1. Kreis von einer Klemme des Messgeräts aus durchlaufen und die Zellen mit Vorzeichen zählen
2. Erste Zelle: vom Pluspol zum Minuspol, also +1,5 V
3. Zweite Zelle: vom Minuspol zum Pluspol, also −1,5 V
4. 1,5 V − 1,5 V = 0 V

Kniff: Es kommt allein auf die Richtung der beiden Zellen an. Zwei Zellen zählen nur dann zusammen, wenn beim Durchlaufen des Kreises jedes Mal der Pluspol auf den Minuspol der nächsten folgt. Hier stoßen aber die beiden Minuspole in der Mitte aufeinander: die Zellen drücken gegeneinander. Ihre Spannungen heben sich auf, 1,5 V minus 1,5 V ergibt 0 V. Ein Spannungsmessgerät hat außerdem einen sehr hohen Innenwiderstand, es fließt also praktisch kein Strom; es zeigt einfach die Summe der Quellenspannungen mit ihren Vorzeichen an, und die ist null.

Warum die anderen nicht stimmen:

• 3 V – 3 V ist das Ergebnis, wenn man die beiden Zellen einfach addiert: 2 · 1,5 V = 3 V. Das gilt nur bei einer Reihenschaltung, in der Plus auf Minus folgt. Im Bild stehen sich die beiden Minuspole gegenüber, die Zellen arbeiten also gegeneinander.
• −3 V – Derselbe Fehler wie bei 3 V — die beiden Zellen wurden addiert statt voneinander abgezogen —, zusätzlich mit umgekehrtem Vorzeichen, als wäre das Messgerät falsch herum angeschlossen. Beides hebt sich nicht auf: der Betrag 3 V kommt so oder so nicht zustande.
• 1,5 V – 1,5 V ist die Spannung einer einzelnen Zelle. Diese Zahl bliebe übrig, wenn nur eine Zelle im Kreis läge oder wenn sich zwei ungleiche Zellen teilweise aufheben würden. Hier sind beide gleich groß und gegeneinander geschaltet, dann bleibt gar nichts übrig: 1,5 V − 1,5 V = 0 V.

Kniff: Die Zeichnung lockt mit dem Detail in der Mitte: dort stößt der Minus-Pol der linken Zelle tatsächlich auf den Plus-Pol der rechten, das ist eine saubere Reihenschaltung. Nur nützt das nichts. Strom ist bewegte Ladung, und Ladung kann nur dauerhaft fließen, wenn sie einen Rundweg hat: von einem Pol durch den gesamten Kreis zurück zum anderen Pol derselben Quelle. Hier sind beide Enden offen, der Weg ist unterbrochen. Also fließt kein Strom — egal wie die Zellen zueinander stehen und egal ob sie gleich sind.

Warum die anderen nicht stimmen:

• Ja, weil der Pluspol mit dem Minuspol verbunden ist. – Die Beobachtung stimmt: in der Mitte hängt Minus der linken Zelle am Plus der rechten. Nur ist das kein Grund für einen Stromfluss. Eine Verbindung an einer Stelle genügt nicht, es muss ein Rundweg entstehen. Die beiden Kreise an den Enden bleiben offen.
• Ja, weil die Spannungsquellen nie exakt identisch sind. – Dass zwei Zellen sich in der Praxis immer ein wenig unterscheiden, ist richtig. Eine Spannungsdifferenz treibt aber nur dann Strom, wenn ein geschlossener Weg da ist. Bei offenen Enden bleibt der Strom null, auch wenn die Zellen verschieden sind.
• Nein, weil dies nur bei verschiedenen Spannungsquellen möglich ist. – Das Ergebnis „nein" ist richtig, die Begründung falsch — und sie dreht die Sache sogar um. Bei verschieden starken Quellen in einem geschlossenen Kreis flösse ein Strom, nicht bei gleichen. Hier ist aber allein der offene Kreis der Grund.