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10. Der elektrische Widerstand

Schließen wir verschiedene Geräte an die gleiche Batterie an, dann fließt i. Allg. ein unterschiedlich starker Strom durch das Gerät. Dem Gerät kommt also eine bestimmte Eigenschaft zu, die festlegt, welche Stromstärke bei einer gegebenen Spannung durch das Gerät fließt. Diese Eigenschaft wird elektrischer Widerstand (Abkürzung R) genannt und ist definiert als Widerstand gleich Spannung durch Stromstärke: R = U/I. Je kleiner also der Widerstand ist, desto größer ist die Stromstärke (bei gleich gebliebener Spannung). Auf der atomaren Ebene wird der Widerstand zum einen durch die Zahl der frei beweglichen Elektronen bestimmt: Je höher die Zahl der freien Elektronen pro Volumeneinheit ist, desto kleiner ist der Widerstand eines Drahtes. Er kommt weiterhin dadurch zustande, dass die Elektronen auf ihrem Weg durch das Metall gegen die Metallionen stoßen und dadurch die Bewegung behindert wird. Erhöht sich die Temperatur des Drahtes, dann schwingen die Ionen heftiger hin- und her und behindern noch mehr die Elektronenbewegung. Deshalb wird der Widerstand eines Metalldrahtes größer, wenn er erwärmt wird.

Umgekehrt ist dadurch auch die Wärmewirkung des elektrischen Stromes zu verstehen: Bewegen sich die Elektronen durch den Draht, stoßen sie gegen die Ionen und regen diese damit zu heftigerem Schwingen an. Nach außen zeigt sich dies durch eine Erhöhung der Temperatur. Erhöht man die Stromstärke, dann bewegen sich mehr Elektronen durch den Draht und diese Bewegung erfolgt dazu noch schneller. Dadurch gibt es mehr und heftigere Stöße gegen die Ionen und deshalb einen Temperaturanstieg.

Es ist anschaulich klar, dass sich der Widerstand eines Drahtes verdoppelt, wenn seine Länge verdoppelt wird. Wenn ich seinen Querschnitt verdoppele (z. B. zwei gleiche Drähte parallel benutze), dann halbiert sich der Widerstand. Ebenfalls zu erwarten ist, dass der Widerstand vom Material abhängt.

Leiter und Isolatoren

Wir vergleichen nun Drähte gleicher Dicke und Länge, aber aus verschiedenem Material bestehend. Ist der Widerstand eines Drahtes sehr klein, sprechen wir von einem guten elektrischen Leiter. Beispiele sind Kupfer, Silber und Aluminium. Ist der Widerstand sehr hoch, bezeichnen wir ihn als schlechten elektrischen Leiter oder als Isolator. Beispiele sind Glas, Porzellan, sehr reines Wasser, Luft, fast alle Kunststoffe.

Es ist klar, dass gute elektrische Leiter dort verwendet werden, wo die Elektrizität gut fließen soll (Zuleitungen von der Batterie zum Lämpchen, Zuleitungen vom Kraftwerk in unsere Wohnung, ...). Isolatoren dienen dazu, unerwünschte Stromflüsse zu vermeiden (Begrenzung von Verlusten) und auch um uns zu schützen. Die Zuführungskabel unserer Haushaltsgeräte sind deshalb mit einer flexiblen Kunststoffschicht umzogen. Zusätzlich sind die einzelnen Drähte im Kabel durch Kunststoffummantelung gegeneinander isoliert.

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