Die Schaltung im vorherigen Abschnitt ist nicht sehr praktisch. In der Tat kann es ziemlich gefährlich sein, zu bauen (die Pole einer Spannungsquelle direkt mit einem einzigen Drahtstück zu verbinden). Der Grund, warum es gefährlich ist, ist, dass die Größe des elektrischen Stroms in einem solchen Kurzschluss sehr groß sein kann und die Freisetzung von Energie sehr dramatisch sein kann (normalerweise in Form von Wärme). Üblicherweise werden elektrische Schaltungen so konstruiert, dass die freigesetzte Energie in möglichst sicherer Weise praktisch genutzt wird.

Der Stromfluss durch Filament der Lampe

Eine praktische und beliebte Verwendung von elektrischem Strom ist für den Betrieb von elektrischer Beleuchtung. Die einfachste Form der elektrischen Lampe ist ein winziges Metall „Filament“ in einem klaren Glaskolben, der weißglüht („incandesces“) mit Wärmeenergie, wenn genügend elektrischer Strom durch sie hindurchgeht. Wie die Batterie hat sie zwei leitende Verbindungspunkte, einen für den Stromeintritt und den anderen für den Stromaustritt. An eine Spannungsquelle angeschlossen, sieht ein elektrischer Lampenkreis ungefähr so aus:

Wenn sich der Strom durch den dünnen Metallfaden der Lampe bewegt, stößt er auf mehr Widerstand gegen Bewegung als normalerweise in einem dicken Stück Draht. Dieser Widerstand gegen elektrischen Strom hängt von der Art des Materials, seiner Querschnittsfläche und seiner Temperatur ab. Es ist technisch als Widerstand bekannt. (Man kann sagen, dass Leiter einen niedrigen Widerstand und Isolatoren einen sehr hohen Widerstand haben.) Dieser Widerstand dient dazu, die Strommenge durch den Stromkreis mit einer bestimmten von der Batterie gelieferten Spannung zu begrenzen, verglichen mit dem „Kurzschluss“, bei dem wir nur einen Draht hatten, der ein Ende der Spannungsquelle (Batterie) mit dem anderen verband. Wenn sich der Strom gegen den Widerstand bewegt, wird „Reibung“ erzeugt. Genau wie mechanische Reibung manifestiert 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 abgeführt wird. Diese Wärmeenergie reicht aus, um das Filament weißglühen zu lassen und Licht zu erzeugen, während die Drähte, die die Lampe mit der Batterie verbinden (die einen viel geringeren Widerstand haben), bei gleicher Strommenge kaum warm werden. Wie im Fall des Kurzschlusses stoppt der Stromfluss im gesamten Stromkreis, wenn die Kontinuität des Stromkreises an einem beliebigen Punkt unterbrochen ist. Mit einer Lampe an Ort und Stelle bedeutet dies, dass es aufhört zu leuchten:

Wie zuvor steht ohne Stromfluss das gesamte Potential (Spannung) der Batterie über die Unterbrechung zur Verfügung und wartet auf die Möglichkeit einer Verbindung, diese Unterbrechung zu überbrücken und den Stromfluss wieder zuzulassen. Dieser Zustand wird als offener Stromkreis bezeichnet, bei dem eine Unterbrechung der Kontinuität des Stromkreises den gesamten Strom verhindert. Alles, was es braucht, ist eine einzige Unterbrechung der Kontinuität, um einen Stromkreis zu „öffnen“. Sobald alle Unterbrechungen wieder angeschlossen wurden und die Kontinuität des Stromkreises wiederhergestellt ist, spricht man von einem geschlossenen Stromkreis.

Die Basis für das Schalten von Lampen

Was wir hier sehen, ist die Basis für das Ein- und Ausschalten von Lampen durch Fernschalter. Da jede Unterbrechung der Kontinuität eines Stromkreises zu einem Stromstopp im gesamten Stromkreis führt, können wir ein Gerät verwenden, das diese Kontinuität absichtlich unterbricht (als Schalter bezeichnet) und an einer beliebigen geeigneten Stelle montiert ist, an der wir Drähte verlegen können, um den Stromfluss im Stromkreis zu steuern:

Auf diese Weise kann ein an der Wand eines Hauses 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 leitender Kontakte (normalerweise aus Metall), die durch einen mechanischen Hebelantrieb oder Druckknopf zusammengedrückt werden. Wenn sich die Kontakte berühren, kann Strom von einem zum anderen fließen und die Kontinuität des Stromkreises wird hergestellt. Wenn die Kontakte getrennt sind, wird der Stromfluss von einem zum anderen durch die Isolierung der Luft dazwischen verhindert, und die Kontinuität des Stromkreises wird unterbrochen.

Der Messerschalter

Die vielleicht beste Art von Schalter zur Veranschaulichung des Grundprinzips ist der „Messer“ -Schalter:

Ein Messerschalter ist nichts anderes als ein leitfähiger Hebel, der frei an einem Scharnier schwenkbar ist und in physischen Kontakt mit einem oder mehreren stationären Kontaktpunkten kommt, die ebenfalls leitend sind. Der in der obigen Abbildung gezeigte Schalter ist auf einer Porzellanbasis (einem hervorragenden Isoliermaterial) unter Verwendung von Kupfer (einem hervorragenden Leiter) für die „Klinge“ und die Kontaktpunkte aufgebaut. Der Griff besteht aus Kunststoff, um die Hand des Bedieners beim Öffnen oder Schließen vom leitenden Blatt des Schalters zu isolieren. Hier ist eine andere Art von Messerschalter, mit zwei stationären Kontakten anstelle von einem:

Der hier gezeigte Messerschalter hat eine „Klinge“, aber zwei stationäre Kontakte, was bedeutet, dass er mehr als einen Stromkreis herstellen oder unterbrechen kann. Im Moment ist dies nicht besonders wichtig, nur das Grundkonzept dessen, was ein Switch ist und wie er funktioniert. Messerschalter eignen sich hervorragend zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Funktionsweise eines Schalters, stellen jedoch bei Verwendung in Hochleistungsstromkreisen deutliche Sicherheitsprobleme dar. Die freiliegenden Leiter in einem Messerschalter machen einen versehentlichen Kontakt mit dem Stromkreis zu einer eindeutigen Möglichkeit, und jede Funkenbildung, die zwischen der beweglichen Klinge und dem stationären Kontakt auftreten kann, kann alle in der Nähe befindlichen brennbaren Materialien entzünden. Bei den meisten modernen Schalterkonstruktionen sind die beweglichen Leiter und Kontaktpunkte in einem Isoliergehäuse abgedichtet, um diese Gefahren zu verringern. Ein Foto einiger moderner Schaltertypen zeigt, wie die Schaltmechanismen viel verdeckter sind als beim Messerdesign:

Geöffnete und geschlossene Stromkreise

Gemäß der Terminologie „offen“ und „geschlossen“ von Stromkreisen sorgt ein Schalter, der von einer Anschlussklemme zur anderen kontaktiert (Beispiel: Ein Messerschalter, bei dem die Klinge den stationären Kontaktpunkt vollständig berührt) für Kontinuität für den Stromfluss und wird als geschlossener Schalter bezeichnet. Umgekehrt kann ein Schalter, der die Kontinuität unterbricht (Beispiel: ein Messerschalter, bei dem die Klinge den stationären Kontaktpunkt nicht berührt, lässt keinen Strom durch und wird als offener Schalter bezeichnet. Diese Terminologie ist für den neuen Studenten der Elektronik oft verwirrend, da die Wörter „offen“ und „geschlossen“ allgemein im Kontext einer Tür verstanden werden, wobei „offen“ mit freiem Durchgang und „geschlossen“ mit Blockade gleichgesetzt wird. Bei elektrischen Schaltern haben diese Begriffe eine entgegengesetzte Bedeutung: „offen“ bedeutet keinen Fluss, während „geschlossen“ einen freien Durchgang von elektrischem Strom bedeutet.

REZENSION:

• Widerstand ist das Maß für den Widerstand gegen elektrischen Strom.
• Ein Kurzschluss ist ein elektrischer Stromkreis, der dem Stromfluss wenig oder keinen Widerstand entgegensetzt. Kurzschlüsse sind bei Hochspannungsquellen gefährlich, da durch die auftretenden hohen Ströme große Mengen an Wärmeenergie freigesetzt werden können.
• Ein offener Stromkreis ist ein Stromkreis, bei dem die Kontinuität durch eine Unterbrechung des Stromflusses unterbrochen wurde.
• Ein geschlossener Kreislauf ist vollständig und durchgehend gut durchgängig.
• 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 Stromkreise. Ein offener Schalter ist einer ohne Durchgang: Strom kann nicht durch ihn fließen. Ein geschlossener Schalter ist einer, der einen direkten (niederohmigen) Pfad für den Stromfluss bereitstellt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Schalter
• Widerstand
• Spannung, Strom und Widerstand

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