Elektrischer Widerstand
Materie besteht aus Atomen, die wie in einem Gitternetz angeordnet sind und mit den angrenzenden Atomen das Material bilden. Solche Anordnungen von Atomen nennt man daher Atomgitter. Ein Atom besteht aus einem Atomkern mit (Protonen und Neutronen) und einer Atomhülle mit Elektronen, die den Atomkern umkreisen.
An den äußeren Schalen befinden sich die Außenelektronen, die auch Valenzelektronen genannt werden. Valenzelektronen können, müssen jedoch nicht, Bindungselektronen sein. Ist ein Valenzelektron kein Bindungselektron, so ist das ein freies Elektron und somit frei beweglich. In Metallen sind alle Valenzelektronen freie Elektronen, weshalb Metalle tendenziell gute elektrische Leiter sind, da sie viele freie Elektronen haben, die für den Stromfluss benötigt werden. Diese schwirren atmosphärengleich um die Atomrümpfe und bilden ein sogenanntes Elektronengas.
Löst sich ein Valenzelektron vom Atom und ist frei, werden die Atome zu Ionen bzw. Gitterionen. Sie werden auch Atomrümpfe genannt und bestehen aus dem Atomkern und den restlichen Elektronen, die sich näher am Atomkern befinden oder Bindungselektronen sind.
Wenn man Körper durch Ladungstrennung elektrisch auflädt, entsteht elektrische Spannung. Verbindet man über einen elektrischen Leiter ein Plus- mit dem Minuspol, sorgt die elektrische Spannung dafür, dass Druck auf die freien Elektronen ausgeübt wird. Die Bewegung der freien Elektronen, die vorher noch ungeordnet war, geht in eine gerichtete und geordnete Bewegung Richtung Pluspol über. Im Sprachgebrauch fließt in dem Moment Strom.
Der Weg der Elektronen ist jedoch nicht ungehindert. Während die Elektronen sich bewegen, sind die Gitterionen ihnen im Weg und immer wieder stoßen die Elektronen mit den Gitterionen, verlieren dabei kinetische Energie und kommen durch die elektrische Spannung wieder in Schwung. Die kinetische Energie der Elektronen geht nicht verloren, sondern geht in die Gitterionen über. Dadurch kommen diese in Schwingung und geben die erhaltene Energie in Form von Wärme ab. Das macht sich in steigender Temperatur bemerkbar und der Körper dehnt sich aus. Insgesamt werden die Elektronen in ihrer Bewegung behindert und diese Behinderung wird elektrischer Widerstand genannt.
Einfluss des spezifischen Widerstands auf die Leitfähigkeit
Vom elektrischen Widerstand hängt es unter anderem ab, ob der elektrische Strom gut (geringer Widerstand), schlecht (hoher Widerstand) oder gar nicht (sehr großer Widerstand) fließt. Mit Ausnahme von Supraleitern, die nahezu widerstandsfrei sind, hat jede Materie einen elektrischen Widerstand, wobei der elektrische Widerstand nicht bei allen Werkstoffen identisch ist. Diese materialspezifische Leitfähigkeit des elektrischen Stroms wird spezifischer Widerstand genannt. Damit wird quasi angegeben, ob und wie gut oder schlecht ein Werkstoff den elektrischen Strom leitet.
Je geringer der spezifischer Widerstand ist, umso besser ist die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Werkstoffs. Es ist ein Kennwert der angibt, wieviel Widerstand ein Werkstoff mit einer Länge von 1 m und einem Leitungsquerschnitt von 1 mm² bei einer Temperatur von 20° Celsius dem elektrischen Strom entgegensetzt. Von dieser Temperatur ausgehend, kann man z.B. den Widerstand eines Leiters mit einer bestimmten Länge und Dicke berechnen. Ändert sich die Temperatur, ändert sich auch der spezifische Widerstand. Bei sinkenden Temperaturen ist es in der Regel sinkend und bei steigenden Temperaturen steigend. Das kommt daher, weil bei erhöhten Temperaturen die Atome stärker schwingen und somit die fließenden Elektronen öfter an die Gitterionen stoßen.
Je nachdem, ob die Werkstoffe den elektrischen Strom leiten oder nicht, werden sie in Leiter und Nichtleiter unterschieden und entsprechend genutzt. Für beides hat man eine Verwendung. Elektrisch leitende Werkstoffe nutzt man zur Übertragung des Stroms, nichtleitende Werkstoffe nutzt man als Isolatoren. Es gibt auch Halbleiter, die je nach Zustand Leiter oder Nichtleiter sind. Der Widerstand ist nicht nur ein Ärgernis, den es zu umgehen gilt, sondern in vielen Fällen erwünscht. Man nutzt es in technischen Produkten häufig, wie z.B. bei der Glühlampe. Der gewendelte Glühdraht ist ein sehr dünner Draht und meistens aus Wolfram, da es stabil ist und einen hohen spezifischen Widerstand hat. Fließen die Elektronen durch den Wolframdraht, wird es heiß und beginnt zu glühen, so dass Licht an die Umgebung abgegeben wird.
Einfluss der Leitungslänge und des Leitungsquerschnitts auf den Widerstand
Wenn sich die Elektronen durch die Leitung bewegen, dann werden sie durch die Gitterionen behindert. Je länger die Leitung ist, umso mehr Gitterionen müssen überwunden werden. Daraus kann man ableiten, dass der elektrische Widerstand mit zunehmender Leitungslänge ebenfalls zunimmt.
Ähnlich verhält es sich mit dem Leitungsquerschnitt, nur in umgekehrter Proportionalität. Denn, je kleiner der Leitungsquerschnitt ist, umso weniger Elektronen können in einer Zeit durch die Leitung fließen und umso größer ist deshalb der elektrische Widerstand. Je größer der Leitungsquerschnitt ist, umso mehr Elektronen können durch den Leiter fließen und dementsprechend ist der Widerstand kleiner. Durch diese beiden Gesetzmäßigkeiten und dem spezifischen Widerstand des Werkstoffs kann man den Widerstand ermitteln.
Schaltzeichen für den elektrischen Widerstand
Man kann elektrische Widerstände als Bauteile erhalten. Diese werden häufig in elektrischen Schaltungen eingesetzt, um z.B. gezielt die elektrische Spannung und somit auch die elektrische Stromstärke herabzusetzen. Das Schaltzeichen für einen normalen Widerstand sieht wie folgt aus.
Einheit, Formelzeichen und Formel für den Widerstand
Die Einheit für den Widerstand ist Ohm und als Kurzzeichen verwendet man den griechischen Buchstaben Omega (Ω). Das Formelzeichen ist R und stammt vom englischen Wort "Resistor", was auf Deutsch Widerstand bedeutet. Das Formelzeichen für den spezifischen Widerstand ist ρ (griech. Rho) und wird in Ohm pro mm²/m angegeben. Dadurch, dass der Widerstand materialabhängig ist, mit der Länge des Leiters zunimmt und mit der Größe des Leitungsquerschnitts abnimmt, erhält man bei einer Temperatur von 20° Celsius folgende Gleichung:
Da in der Elektrotechnik mit unterschiedlichen bzw. von sehr kleinen bis sehr großen Widerständen gearbeitet wird, werden sie häufig in folgender Form angegeben:
- Microohm (µΩ): Millionstel-Ohm
- Milliohm (mΩ): Tausendstel-Ohm
- Kiloohm (kΩ): 1 Tausend Ohm
- Megaohm (MΩ): 1 Million Ohm
Messen des elektrischen Widerstands
Der Widerstand wird mit einem Ohmmeter oder einem Multimeter mit integriertem Ohmmeter gemessen. Hierbei muss man einige Dinge beachten. Beispielsweise kann man bei einer eingeschalteten Baugruppe den Widerstand nicht direkt messen. Das heißt, das Bauteil darf nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen sein und dementsprechend muss die Stromzufuhr zum Bauteil unterbrochen sein. Auch muss das Bauteil ausgelötet bzw. bei abnehmbaren Bauteilen herausgenommen sein, weil parallel liegende Bauteile und jede zusätzliche Leitung das Ergebnis verfälschen. Indirekt kann der Widerstand gemessen werden, indem man mit einem Multimeter die elektrische Spannung und die Stromstärke gleichzeitig misst und mit der Formel nach dem Ohmschen Gesetz den Widerstand berechnet.
Ohmsches Gesetz: Verhältnis zwischen elektrischer Stromstärke, Spannung und Widerstand
In den Anfangsjahren der Elektrotechnik war die gängige Meinung, dass die Größen Spannung und Stromstärke voneinander unabhängig sind. Georg Simon Ohm fand jedoch heraus, dass das Verhältnis zwischen Stromstärke und Spannung konstant ist und der Widerstand die Konstante bildet. Er beschrieb daraufhin das Ohmsche Gesetz, das seitdem zu den wichtigsten elektrotechnischen Grundlagen gehört. Es beschreibt das Verhältnis zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand.