Elektrischer Strom einfach erklärt: Wasserkreislaufmodell

Stell dir vor, du drehst den Wasserhahn auf und sofort sprudelt Wasser heraus. Wenn du den Lichtschalter drückst, passiert etwas ganz Ähnliches: Das Licht geht sofort an!

Aber was genau fließt da eigentlich durch die Kabel in der Wand? In diesem Artikel zu den Grundlagen des elektrischen Stroms und dem Wasserkreislaufmodell finden wir heraus, was elektrischer Strom wirklich ist, warum eine Glühbirne den Strom nicht aufbraucht und wie uns ein einfacher Wasserkreislauf hilft, das Unsichtbare sichtbar zu machen.

Vorwissen

Bevor wir uns die Grundlagen des elektrischen Stroms genauer ansehen, solltest du folgende Konzepte kennen:

• Atome und Elektronen: Alles um uns herum besteht aus Atomen. In diesen Atomen gibt es winzige Teilchen, die Elektronen genannt werden. Sie tragen eine negative elektrische Ladung. Beispiel: In Metallen können sich diese Elektronen frei bewegen.

• Plus- und Minuspol: Eine Batterie hat zwei Anschlüsse. Am Minuspol gibt es einen Überschuss an Elektronen, am Pluspol einen Mangel. Beispiel: Eine normale AA-Batterie hat ein flaches Ende (Minuspol) und ein Ende mit einer kleinen Erhebung (Pluspol).

Aufgabentyp 1: Elektrischer Strom als fließende Ladung

Um die Grundlagen des elektrischen Stroms zu verstehen, betrachten wir zunächst die Ladungsträger. Elektrischer Strom ist eigentlich nichts anderes als fließende elektrische Ladung. In einem Kabel sind es die winzigen Elektronen, die diese Ladung transportieren.

Da sich gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen, wandern die negativen Elektronen immer vom Minuspol der Batterie durch das Kabel zum Pluspol. Damit das dauerhaft funktioniert, muss der Stromkreis komplett geschlossen sein. Das ist wie ein ununterbrochener Fluss.

Man kann Ladung aber auch in kleinen Portionen transportieren, anstatt sie kontinuierlich fließen zu lassen. Stell dir eine isolierte Metallkugel vor, die zwischen zwei Orten hin und her pendelt. Sie funktioniert wie eine Autofähre auf einem Fluss: Sie nimmt am Minuspol eine bestimmte Menge an Elektronen auf, fährt zum Pluspol und lädt sie dort ab. Eine kleine Kugel hat weniger Platz und kann daher nur eine geringere Ladung transportieren als eine große Kugel.

Merksatz: Mit einer isolierten Metallkugel kann elektrische Ladung portionsweise transportiert werden. Elektrischer Strom im Kabel ist fließende elektrische Ladung.

Aufgabentyp 2: Die Ladung bleibt erhalten

Ein wichtiger Teil der Grundlagen des elektrischen Stroms ist die Ladungserhaltung. Ein häufiger Irrtum ist, dass elektrische Geräte den Strom aufbrauchen oder leersaugen. Das stimmt nicht! Die elektrische Ladung bleibt immer erhalten.

Die Elektronen fließen durch die Bauteile (wie eine Glühlampe) hindurch. Sie geben dort zwar Energie ab, damit die Lampe leuchtet, aber die Elektronen selbst verschwinden nicht. Sie fließen einfach weiter zurück zur Batterie. In einem einfachen, unverzweigten Stromkreis fließt in einer bestimmten Zeitspanne durch jeden Punkt des Kabels exakt die gleiche Menge an Ladung.

Man kann das ganz einfach beweisen: Wenn man zwei gleiche Lampen hintereinander in einen einfachen Stromkreis einbaut, leuchten beide exakt gleich hell. Das zeigt uns, dass die fließende Ladung auf dem Weg durch die erste Lampe nicht weniger wird oder verloren geht.

Merksatz: In einem einfachen geschlossenen Stromkreis fließt überall in der gleichen Zeit die gleiche Menge an Ladung.

Aufgabentyp 3: Das Wasserkreislauf-Modell

Da wir die winzigen Elektronen im Kabel nicht sehen können, nutzen Physiker gerne ein Modell, um den Stromkreis zu erklären: das Wasserkreislaufmodell (oder Wasserstromkreis).

Stell dir vor, der elektrische Stromkreis wäre ein geschlossenes System aus Wasserrohren. Das Wasser in den Rohren verhält sich genau wie die Elektronen in den Leitungen.

• Die Batterie ist wie eine Wasserpumpe: Sie treibt die Elektronen an, erzeugt sie aber nicht neu. Sie pumpt nur so viele Elektronen in das Kabel, wie am anderen Ende wieder zu ihr zurückkehren.

• Der Schalter ist wie ein Absperrventil: Wenn du ihn öffnest, wird der Weg blockiert und der Fluss stoppt sofort.

• Die Lampe ist wie eine Turbine (ein Wasserrad): Das fließende Wasser bringt die Turbine zum Drehen. Genauso bringen die fließenden Elektronen die Lampe zum Leuchten.

• Die Leitungen sind wie die Rohre: Sie verbinden alle Teile miteinander und geben den Weg vor.

Hier ist die direkte Übersetzung der beiden Systeme:

$\begin{array}{l|l} \textbf{Wasserstromkreis} & \textbf{Elektrischer Stromkreis} \\ \hline \text{Wasserpumpe} & \text{Batterie} \\ \text{Rohre} & \text{Leitungen} \\ \text{Absperrventil} & \text{Schalter} \\ \text{Turbine} & \text{Lampe} \end{array}$

Wichtige Erkenntnisse

• Elektrischer Strom ist der Fluss von elektrischer Ladung (meistens Elektronen), die vom Minuspol zum Pluspol wandern.

• Ladung wird niemals verbraucht. In einem einfachen Stromkreis fließt überall die gleiche Menge an Ladung.

• Im Wasserkreislauf-Modell entspricht die Batterie der Pumpe, das Kabel dem Rohr, der Schalter dem Ventil und die Lampe der Turbine.