Nun könnte jemand vermuten, ein geschlossener Kreislauf bedeutet, dass die Batterie eigentlich niemals „leer" werden kann. Richtig ist, dass die elektrische Ladung erhalten bleibt und sich niemals „verbraucht". Allerdings erfordert es Energie, die Ladung zu bewegen. Man kann sich die Batterie wie eine Pumpe für die elektrische Ladung vorstellen.
Im geschlossenen Stromkreis gibt es einen Energiefluss von der Batterie zum Motor. Elektrische Energie wird von der Batterie abgegeben und im Motor in Bewegungsenergie, Wärme und Schallenergie umgesetzt. Irgendwann ist die Energie der Batterie verbraucht, dann ist zwar die elektrische Ladung in den Drähten noch vorhanden, aber es fehlt die Energie, sie zu bewegen, d.h. es fließt kein Strom mehr.
Bremsen Sie einmal die Motorachse mit Ihren Fingern ab. Sie spüren dabei die Kraft des Motors. Der Motor verrichtet mehr mechanische Arbeit. Gleichzeitig fließt nun mehr Strom durch den Motor, und es wird mehr Energie verbraucht, die Batterie wird also weniger lange durchhalten.
Arbeit und Energie werden in Joule (J) gemessen, und zwar ganz unabhängig davon, ob es sich um elektrische, mechanische oder eine andere Form von Energie handelt. Allgemein gilt der Energieerhaltungssatz. Dieses physikalische Gesetz besagt, dass Energie weder verschwinden noch aus dem Nichts auftauchen kann. Wenn also der Motor eine Energie von einem Joule verbraucht hat, muss ein Joule von der Batterie geliefert worden sein. Dabei kann man hier davon ausgehen, dass Energieverluste in den Zuleitungskabeln vernachlässigt werden können. Die elektrische Leistung wird übrigens in Watt (W) gemessen. Eine Leistung von 1 W bedeutet, dass in jeder Sekunde eine Arbeit von 1 J verrichtet wird, oder um es anders zu sagen, dass in jeder Sekunde die Energie 1 J verbraucht wird. Der Motor hat bei mittlerer Belastung eine Leistung von etwa 1 W, im Leerlauf jedoch nur etwa 0,1 W. Weiter unten wird gezeigt, wie man Arbeit, Energie und Leistung genau bestimmen kann.
Spannung
Wenn Sie eine passende Batterie für ein bestimmtes Gerät besorgen, müssen Sie immer die elektrische Spannung beachten. Eine einzelne Zink-Kohle-Zelle (Trockenzelle) oder eine Alkalizelle hat eine Spannung von 1,5 Volt. Vier Zellen zusammen in einer Reihe haben 6 Volt (6 V). Das gilt allerdings nur bei frischen Batterien und geringer Belastung. Die tatsächliche Spannung kann geringer sein. Der verwendete Motor kann in einem Bereich zwischen 1 V und 12 V eingesetzt werden.
Die elektrische Spannung im Stromkreis
Die elektrische Spannung besteht immer zwischen den beiden Polen der Batterie. Die Batterie hat ihre Spannung unabhängig davon, ob gerade Strom fließt. Die Spannung ist aber umgekehrt eine notwendige Voraussetzung dafür, dass Strom fließen kann, wenn der Stromkreis geschlossen wird. Je größer die Spannung, desto mehr Strom wird durch den Verbraucher fließen, und desto mehr Energie wird in einer bestimmten Zeit umgesetzt. Die tatsächliche Spannung kann mit einem Messgerät ermittelt werden. Einen groben Eindruck vermittelt aber auch schon der laufende Motor. Wenn die Batterie nur noch eine geringe Spannung hat, ist die Drehzahl geringer.
Verwenden Sie den Motor als einfachen Batterietester. Setzen Sie einen zu untersuchenden Batteriesatz in das Batteriefach und schließen Sie den Motor an. Die Leerlaufdrehzahl vermittelt einen ersten Eindruck vom Zustand der Batterien. Wenn Sie die Achse mit dem Finger abbremsen, erhalten Sie überdies einen Eindruck vom Zustand der Batterie unter Last. Es fließt dann ein größerer Strom, die Batterie muss also mehr Arbeit verrichten. Bei schon weitgehend erschöpften Batterien bricht die Spannung unter der höheren Belastung ein, so dass sich der Motor leichter abbremsen lässt.
Abgriff einer Teilspannung
Betreiben Sie den Motor auch einmal mit der halben Spannung. Da vier Zellen in Reihe geschaltet sind, können Sie mit den Krokodilklemmen auch einen Teil der Spannung abgreifen. Sie werden feststellen, dass die Leerlaufdrehzahl den Motors entsprechend der kleineren Anschlussspannung geringer wird.
Abgriff der Batteriespannung bei 3 V
Testen Sie alle erreichbaren Spannungen 1,5 V, 3 V, 4,5 V und 6 V. Stellen Sie fest, ob 1,5 V schon als Anlaufspannung für den Motor reicht. Bei einer zu kleinen Spannung läuft der Motor nicht mehr zuverlässig an, sondern er muss angestoßen werden.
Alle Abgriffe des Batteriefachs
Widerstände
Die Versuche mit dem Gleichstrommotor haben bereits das Prinzip des Stromkreises und der Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen gezeigt. Ein kleiner Elektromotor hat einen Wirkungsgrad unter 50%, d.h. weniger als die Hälfte der elektrischen Energie wird in mechanische Arbeit umgesetzt. Der größere Teil wird in Wärme verwandelt. Wegen der Größe des Motors ist allerdings kaum keine Erwärmung spürbar.
Anders sind die Verhältnisse bei einem Widerstand als Verbraucher. Hier wird 100% der zugeführten Energie in Wärme umgewandelt. Weil der Widerstand klein ist und nur eine geringe thermische Trägheit hat, kann man eine deutliche Erwärmung feststellen.
Das Wort Widerstand hat zwei Bedeutungen. Einmal meint es ein Bauteil und einmal eine Eigenschaft von Bauteilen. Jedes elektrische Gerät und auch jeder Draht besitzt elektrischen Widerstand. Je größer der Widerstand, desto geringer ist der Strom. Widerstand ist also die Eigenschaft, den Stromfluss zu behindern. Die Einheit für den Widerstand ist Ohm. Durch einen Widerstand von 1 Ohm fließt bei einer Spannung von 1 V ein Strom von 1 A.
Ein Widerstand im Stromkreis
Schließen Sie den 100-Ohm-Widerstand mit den Farbringen braun, schwarz, braun an die 6-V-Batterie an. Nach etwa 10 Sekunden können Sie eine deutliche Erwärmung fühlen.
Ein Widerstand als elektrischer Verbraucher
Genaue Berechnungen der Stromstärke mit Widerständen finden Sie weiter unten in Kap. 10. Um aber einen Eindruck von der in diesem Versuch umgesetzten Energie zu gewinnen, soll hier etwas vorgegriffen werden. Durch einen Widerstand von 100 Ohm fließt bei einer Spannung von 6 V ein Strom von 0,06 A = 60 mA. Dabei wird eine Leistung von 0,36 W in Wärme umgewandelt, in jeder Sekunde entsteht also eine Wärmemenge von 0,36 J. Für einen Widerstand dieser Größe wird übrigens eine maximale Leistung von 0,25 W angegeben. Der Widerstand ist also bereits etwas überlastet, was aber bei einer Versuchsdauer von z.B. einer Minute nicht schadet. Nur wenn lange eine wesentlich zu große Leistung umgesetzt wird, führt die starke Erwärmung zu einer Beschädigung bis hin zum Verschmoren oder Durchbrennen.
Testen Sie auch andere Widerstände an einer Spannung von 6 V. Je größer der Widerstand, desto geringer die Stromstärke. Ein Widerstand mit 470 Ohm ist rund fünf mal größer als der 100-Ohm-Widerstand. Damit ist der Strom bei gleicher Spannung fünf mal kleiner, und es wird auch nur ein Fünftel der Leistung in Wärme umgesetzt. Testen Sie, ob trotzdem noch eine Erwärmung eindeutig fühlbar ist. Vorsicht ist bei 47 Ohm geboten. Die elektrische Leistung liegt bei fast 0,8 W, wenn Sie eine Spannung von 6 V verwenden. Bei rund dreifacher Überlastung des Widerstands kann man sich bereits ernsthaft die Finger verbrennen! Schließen Sie den Stromkreis deshalb nur für kurze Zeit.
Im Elektronik-Werkzeugkasten finden Sie ein nützliches Simulationsprogramm zum Widerstand. Es verdeutlicht die Zuordnung der Farbringe zum Widerstandswert und kann eingesetzt werden, um die einzelnen Widerstände zu identifizieren oder um das System der Farbringe zu erlernen. Zusätzlich wird jeweils die Stromstärke und die Verlustleistung beim Betrieb an einer einstellbaren Spannung berechnet und angezeigt.
Im Prinzip haben Sie mit den realen Experimenten bereits eine kleine elektrische Heizung gebaut. Interessant wäre die Frage, ob dafür eine ernsthafte Anwendung existiert. Sie könnten z.B. daran denken, einen elektrischen Handwärmer mit Batteriebetrieb zu bauen, der an kalten Wintertagen in der Manteltasche eingeschaltet werden kann. Die entscheidende Frage ist dabei, wie lange die Batterien halten werden. Alkalibatterien und auch manche Mignonakkus haben eine Kapazität von 2000 mAh. Geht man von einer mittleren Spannung von 1,2 V aus, könnte eine Stunde lang ein Strom von 2000 mA fließen und damit eine elektrische Leistung von 2,4 W entnommen werden. Die verfügbare Energie erscheint damit zu gering für eine ernsthafte Anwendung als Wärmequelle. Sie erhalten nur wenig Wärme für viel Geld.
Das Ziel muss eher sein, Batterien nur in solchen Anwendungen einzusetzen, wo möglichst wenig Wärme entsteht. Unter diesem Gesichtspunkt ist z.B. ein Glühlämpchen weniger ideal, denn mehr als 80% der elektrischen Energie werden in Wärme umgewandelt, was auch deutlich zu spüren ist. Leuchtdioden dagegen haben teilweise einen sehr guten Wirkungsgrad und verursachen nur geringe Wärmeverluste.
