Der elektrische Widerstand – umfassende Grundlagen und Anwendungen

Einleitung

Der elektrische Widerstand ist eine der fundamentalen Größen in der Elektrotechnik und Elektronik. Er beeinflusst maßgeblich den Stromfluss und ist essenziell für die Funktion elektrischer Schaltungen. Dieser Artikel behandelt die physikalischen Grundlagen, verschiedene Widerstandsarten, ihre Anwendungen sowie Methoden zur Messung und Berechnung.

Physikalische Grundlagen des Widerstands

Der elektrische Widerstand eines Materials entsteht durch die Wechselwirkung bewegter Ladungsträger mit den Atomen des Leiters. Diese Wechselwirkung führt zu einer Behinderung des Stromflusses und zur Umwandlung elektrischer Energie in Wärme.

Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Widerstand und Strom. Je größer der Widerstand, desto kleiner ist der Stromfluss bei gleicher Spannung.

Materialien und Temperaturabhängigkeit

• Metalle wie Kupfer und Silber haben einen niedrigen Widerstand und sind ausgezeichnete Leiter.
• Halbleiter wie Silizium verändern ihren Widerstand je nach Spannung und Temperatur.
• Isolatoren wie Glas oder Kunststoff haben einen extrem hohen Widerstand und lassen kaum elektrischen Strom durch.

Die Temperatur beeinflusst den Widerstand: Metalle haben einen positiven Temperaturkoeffizienten (der Widerstand steigt mit der Temperatur), während einige Halbleiter einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzen.

Bauformen und Widerstandsarten

• Festwiderstände: Haben einen festen Widerstandswert und sind in fast allen elektrischen Schaltungen vorhanden.
• Variable Widerstände (Potentiometer): Können den Widerstand manuell oder elektrisch ändern.
• NTC- und PTC-Widerstände: Temperaturabhängige Widerstände, die sich in Thermosensoren und Schutzschaltungen befinden.
• LDR (lichtabhängige Widerstände): Ändern ihren Widerstand je nach Lichtintensität und werden in Belichtungsschaltungen eingesetzt.
• Widerstandsdekaden: Bestehen aus einer Serie von abgestuften Widerständen, die durch Schalter kombiniert werden können, um verschiedene Widerstandswerte flexibel einzustellen.

Widerstand in der Schaltung

Der Widerstand begrenzt den Stromfluss in einem Stromkreis. In der Praxis kommt er in vielen Anwendungen zum Einsatz:

• Spannungsteiler: Zwei Widerstände teilen eine Spannung auf, um unterschiedliche Spannungsniveaus zu erzeugen.
• Strombegrenzung: Verhindert zu hohe Ströme in empfindlichen elektronischen Bauteilen.
• Schutz von Bauelementen: Widerstände schützen LEDs und Mikrochips vor Überstrom.
• Signalanpassung: Widerstände helfen in Verstärkern und Sensoren dabei, elektrische Signale zu regulieren.

Messung und Bestimmung des Widerstands

Der Widerstand kann auf verschiedene Weise bestimmt werden:

• Farbcodierung: Standardisierte Farbringe auf Widerständen geben den Widerstandswert an.
• Aufgedruckter Wert: SMD-Widerstände haben einen numerischen Code, der den Widerstandswert angibt.
• Messung mit Multimeter: Ein digitales oder analoges Multimeter kann den Widerstand direkt messen.
• Widerstandsbestimmung durch Spannungsmessung im laufenden Betrieb: Durch Messen der Spannung und des Stroms an einem Widerstand und Anwendung des Ohmschen Gesetzes kann der Widerstandswert berechnet werden.

Maßeinheiten

Berechnung des Widerstands

Die Berechnung des Widerstands erfolgt durch das Ohmsche Gesetz. Der Widerstand ist das Verhältnis von Spannung zu Strom.