Stromkreis

Grundprinzip und technische Bedeutung

Ein elektrischer Stromkreis ist ein System elektrischer Leiter, das einen geschlossenen Weg ohne Unterbrechung bildet; Anfangs- und Endpunkt sind also gleich. Als Leiter gilt jedes Medium, das elektrische Ladung transportieren kann. In einem Kupferkabel bewegen sich beispielsweise Elektronen.

Zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie muss dieser über mindestens zwei gegeneinander isolierte Leitungen mit den Anschlüssen einer elektrischen Energiequelle verbunden sein. Meist bezeichnet man die Verbindung aus Energiequelle, Leitungen und Verbrauchern wie Glühlampen oder anderen elektrischen Widerständen als Stromkreis.

Technisch unterscheidet man geschlossene und offene Stromkreise. Bei einem geschlossenen Stromkreis kann Strom fließen. Ein offener Stromkreis besitzt eine Unterbrechung, etwa durch einen geöffneten Schalter, einen Steckverbinder oder eine Sicherung. Unbeabsichtigte Unterbrechungen können durch einen Wackelkontakt, eine „kalte Lötstelle“ oder eine fehlende Leitung entstehen. Umgekehrt kann ein offener Stromkreis unbeabsichtigt geschlossen werden; damit hängen unter anderem Kurzschluss, Körperstrom, Kriechstrom und Lokalelement zusammen.

In der Elektroinstallation heißt außerdem jeder Teil einer elektrischen Anlage Stromkreis, der durch eine eigene Schmelzsicherung oder einen eigenen Leitungsschutzschalter abgetrennt werden kann.

Einfacher Stromkreis

Ein elementarer Stromkreis besteht beispielsweise aus einer Spannungsquelle, einer Glühlampe, einem Schalter und den elektrischen Verbindungsleitungen.

Ist der Schalter geschlossen, ist auch der Stromkreis geschlossen. Bei passender Auslegung fließt Strom und die Glühlampe leuchtet. Ist der Schalter geöffnet, ist der Leiterweg unterbrochen: Es kann kein Strom fließen und die Lampe leuchtet unabhängig von ihrer Auslegung nicht.

In einem unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich.

Quelle und Verbraucher

Die elektrische Energie stammt in fast allen Ausführungen aus einer Spannungsquelle. Sie erzeugt an ihren Anschlüssen eine Spannung, die nahezu unabhängig vom jeweiligen Verbraucher ist. Wie viel Strom die Quelle liefert, hängt dagegen wesentlich von den Eigenschaften des Verbrauchers ab. Akkumulatoren und Batterien liefern Gleichspannung. Generatoren im öffentlichen Stromnetz und die Sekundärseite eines Transformators liefern Wechselspannung.

Ein Verbraucher ist der Teil des Stromkreises, dem über Anschlussleitungen elektrische Energie zugeführt wird. Beispiele sind Glühlampe, Bügeleisen, Elektromotor und ein Widerstand als elektrisches Bauelement. Die Stromstärke hängt von der angelegten Spannung und vom elektrischen Widerstand des Verbrauchers ab: Je größer der Widerstand bei gegebener Spannung ist, desto kleiner ist die Stromstärke. Teilweise wird ein Verbraucher statt durch seinen Widerstand durch seine elektrische Leistung bei Nennspannung gekennzeichnet.

Viele Verbraucher lassen sich als lineare, insbesondere ohmsche Widerstände betrachten. Daneben gibt es Verbraucher mit nichtlinearem Verhalten, darunter Halbleiterbauelemente, magnetische Bauelemente wie Drosseln und Transformatoren sowie die Glühlampe.

Der Widerstand darf in einem Stromkreis mit Spannungsquelle beliebig groß werden. Ein geöffneter Schalter entspricht im Idealfall einem unendlich hohen Widerstand. Sehr klein darf der Widerstand dagegen nicht werden, weil sonst ein Kurzschluss entsteht. Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt nur vom Innenwiderstand der Spannungsquelle ab. Bei leistungsstarken Quellen kann ein hoher Kurzschlussstrom Leiter schmelzen, Kabelbrände verursachen oder einen Akkumulator zum Platzen bringen.

Leitungen, Schalter und Schaltungsarten

In Schaltbildern gelten Verbindungen idealerweise als verlustlos. Hat ein realer Leiter keine vernachlässigbar kleinen Leitungsbeläge, muss er selbst wie ein Verbraucher berücksichtigt werden.

Ein einpoliger Schalter unterbricht oder schließt einen Leiter des Stromkreises. Für eine potentialfreie Trennung eines Verbrauchers von einer nicht potentialfreien Quelle ist ein zweipoliger Schalter nötig, der beide Leiter unterbricht. Andernfalls kann der Verbraucher gegenüber „Masse“ weiterhin an gefährlicher Spannung liegen, obwohl kein Strom fließt.

Mehrere Verbraucher können unterschiedlich angeordnet werden. Die Gesetzmäßigkeiten solcher Schaltungen beschreiben die kirchhoffschen Regeln:

• Bei einer Reihenschaltung liegen alle Verbraucher ohne Verzweigung hintereinander. Durch alle fließt derselbe Strom, während sich die Gesamtspannung auf die einzelnen Verbraucher verteilt.
• Bei einer Parallelschaltung gibt es mehrere Stromwege, die Stromzweige heißen. An allen parallelen Verbrauchern liegt dieselbe Spannung an; der Gesamtstrom verteilt sich auf die Zweige.
• Eine gemischte Schaltung enthält sowohl Reihen- als auch Parallelschaltungen. Sie lässt sich auf diese beiden Grundformen zurückführen.

Besondere Formen von Stromkreisen

Stromkreise übertragen meist elektrische Energie oder elektrische Signale, können aber auch von der üblichen Struktur aus Quelle, festen Leitern und Verbrauchern abweichen.

In einem supraleitenden Ring kann durch Induktion einmalig ein Strom erzeugt werden, der zeitlich unbegrenzt ohne Quelle fließt. Dafür ist Kühlung erforderlich; entsprechende Anwendungen sind realisiert.

In einem Schwingkreis können nach einmaliger Energiezufuhr sinusförmige elektrische Schwingungen entstehen. Dabei wechseln zwei Energieformen miteinander, und zwischen zwei Energiespeichern fließt Wechselstrom. Der Strom kann unbefristet weiterfließen, wenn die durch Dämpfung als Wärme verlorene Energie fortlaufend ersetzt wird, beispielsweise durch eine Spannungsquelle.

Ein Stromkreis kann teilweise durch einen flüssigen Elektrolyten verlaufen. Dort wird elektrische Ladung als Ionenstrom transportiert. Solche Stromkreise sind besonders in der Galvanotechnik und bei der elektrolytischen Metallabscheidung wichtig.

Auch Gase können Abschnitte eines Stromkreises bilden. Dabei treten kontinuierliche oder periodisch gezündete Gasentladungen auf, etwa als Glimmentladung oder Lichtbogen.

Kriechstrom fließt nicht durch einen vorgesehenen Leiter, sondern über die Oberfläche eines Isolierstoffs. Feuchtigkeit und Verschmutzung fördern seine Entstehung. Ein durch Kriechstrom gebildeter Stromkreis ist immer unerwünscht.