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Energietransport-Konzept

Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie, so wie in diesem Versuch ein Personenstromkreis Erbsen transportiert:

Personenstromkreis	elektrischer Stromkreis
Der Personenstromkreis transportiert Erbsen von der Ausgabestelle zur Sammelstelle.	Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie von der Batterie zu einer Lampe.
Die Personen laufen im Kreis, niemand geht verloren.	Die elektrische Ladung fließt dabei im Kreis und wird nicht verbraucht.
Jede Person transportiert die gleiche Anzahl von Erbsen.	Das elektrische Potential gibt an, wieviel Energie pro Ladung transportiert wird.

Das Potential als Energiebeladungsmaß und die elektrische Leistung

Die Batterie belädt jedes Coulomb elektrische Ladung mit 6 Joule Energie.
Es fließen 5 Coulomb pro Sekunde im Kreis.
Daher werden 30 Joule Energie pro Sekunde von der Batterie zur Lampe transportiert, die Leistung beträgt 30 Watt:
$$\ \ \ P=6\,\rm V \cdot 5\,\rm A = 30\,\rm W$$
$$\left( P=6\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 30\,\rm \frac{J}{s} \right)$$ .

Ein elektrischer Stromkreis transportiert Energie.
Die Stromstärke I gibt an, wieviel elektrische Ladung pro Zeit im Kreis fließt.	$$I=\frac{Q}{t}$$
Eine Batterie belädt die elektrische Ladung mit Energie, das Potential steigt. Bei einer Lampe wird die Energie wieder abgeladen, das Potential fällt.
Das Potential gibt an, mit wieviel Energie die elektrische Ladung beladen ist.	$$\varphi=\frac{E}{Q}$$
Die Energiestromstärke oder Leistung gibt an, wieviel Energie pro Zeit transportiert wird.	$$P=\frac{E}{t}$$
Je größer der Potentialunterschied (Spannung) und je größer die Stromstärke, desto größer ist die Leistung.	$$P=U\!\cdot\! I$$

Parallelschaltung

Schaltet man zwei Lampen parallel, so fließt durch beide ein Strom der Stärke von $$5\,\rm A = 5 \rm \frac{C}{s}$$

Die Leistung einer Lampe beträgt daher:

$$\begin{align} P &= 6\,\rm V \cdot 5\,\rm A \\ &= 6\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 30\,\rm \frac{J}{s}\\ &= 30\,\rm W \end{align}$$

Zusammen haben die beiden Lampen eine Leistung von 60 Watt, was auch der Gesamtstromstärke von 10 Ampère bei 6 Volt Spannung entspricht.

Reihenschaltung

Jetzt fällt das Potential in zwei Schritten von 6 Volt auf 0 Volt ab. An jeder Lampe liegt also eine Spannung von nur 3 Volt an.

Die Stromstärke beträgt nur noch 2,5 Ampère. Die hintereinander geschalteten Lampen haben nämlich einen größeren Widerstand als nur eine Lampe.

Die Leistung einer Lampe berechnet sich nun zu:

$$\begin{align} P &= 3\,\rm V \cdot 2{,}5\,\rm A \\ &= 3\,\rm \frac{J}{C \!\!\!\! /} \cdot 2{,}5\,\rm \frac{C \!\!\!\! /}{s} = 7{,}5\,\rm \frac{J}{s}\\ &= 7{,}5\,\rm W \end{align}$$

Zusammen haben die Lampen eine Leistung von 30 Watt.
Durch die Reihenschaltung ist die Leistung einer Lampe auf ein Viertel gesunken! Das liegt daran, dass sowohl die Spannung als auch die Stromstärke halbiert wurde.