Widerstand und Rheostat

Ein Widerstand ist ein Bauteil, das dem elektrischen Strom ein bekanntes Maß an Widerstand entgegensetzt und dabei einen Teil der elektrischen Energie in Wärme umwandelt. Ein Rheostat ist ein Widerstand, dessen Wert sich verstellen lässt, während Strom fließt. Georg Ohm veröffentlichte 1827 das Gesetz, das Strom, Spannung und Widerstand verbindet. 1840 führten Moritz Jacobi und Charles Wheatstone Instrumente vor, die den Widerstand eines Stromkreises einstellen, und Wheatstone nannte seines 1843 Rheostat.

Was es ist

Ein Widerstand lässt elektrischen Strom durch, setzt ihm aber ein festgelegtes Maß an Widerstand entgegen, gemessen in Ohm. Im Stromkreis begrenzt er den Strom, den eine bestimmte Spannung treiben kann, teilt eine Spannung in kleinere Teile oder wandelt gezielt elektrische Energie in Wärme um. Radios, Ladegeräte und Computer enthalten Dutzende bis Tausende davon. Der Rechner ENIAC, 1946 vorgestellt, besaß etwa 70.000.

Ein Festwiderstand hat einen einzigen Wert. Bei einem veränderlichen Widerstand gleitet ein Kontakt über den Widerstandsteil, sodass sich die vom Strom durchlaufene Länge ändert und mit ihr der Widerstand. Mit zwei Anschlüssen heißt er Rheostat und regelt einen Strom, etwa die Drehzahl eines Motors oder die Helligkeit einer Lampe. Mit drei Anschlüssen, je einem an den Enden der Bahn und einem am Schleifer, ist er ein Potentiometer und greift einen gewählten Teil einer Spannung ab, wie der Lautstärkeregler eines Radios.

Wie es funktioniert

Strom in einem Metall ist eine Wanderung von Elektronen, die unterwegs ständig mit den Atomen des Materials zusammenstoßen und ihnen Energie abgeben, wodurch sich der Leiter erwärmt. Ein Draht aus einem bestimmten Stoff hat einen höheren Widerstand, wenn er länger ist, und einen niedrigeren, wenn er dicker ist. Kupfer leitet so gut, dass die Verbindungsdrähte eines Stromkreises kaum ins Gewicht fallen. Widerstände bestehen dagegen absichtlich aus schlecht leitenden Stoffen, etwa Nickellegierungen oder Kohle, die mit einem isolierenden Füllstoff gemischt ist.

Im Potentiometer gleitet ein Schleifer an der Achse über eine Kohlebahn zwischen zwei Endanschlüssen.

Das ohmsche Gesetz verbindet die drei Größen: Die Stromstärke in Ampere ist gleich der Spannung in Volt geteilt durch den Widerstand in Ohm. Ein Widerstand von 100 Ohm an 5 Volt lässt 0,05 Ampere fließen. Die in Wärme umgesetzte Leistung ist Spannung mal Strom, hier ein Viertel Watt. Jeder Widerstand hat eine Nennleistung; muss er mehr Wärme abgeben als vorgesehen, wird er zu heiß, sein Wert wandert und er kann verbrennen. Große Rheostate tragen deshalb blanken Draht in offenen Windungen auf einem Körper aus Keramik oder Schiefer, wo die Luft ihn kühlt, während die kleinen Widerstände der Elektronik für Bruchteile eines Watts ausgelegt sind.

Festwiderstände wurden auf verschiedene Weise gebaut. Ein Drahtwiderstand trägt eine Wicklung aus Legierungsdraht auf einem isolierenden Kern. Der Kohlemassewiderstand, die gängige Bauart der Radiozeit, ist ein kleiner Stab, gepresst aus Kohlepulver, Füllstoff und Bindemittel, mit einem eingebetteten Anschlussdraht an jedem Ende; mehr Füllstoff ergibt einen höheren Wert. Ein Schichtwiderstand trägt eine dünne Schicht aus Kohle oder Metall auf einem Keramikstab. Der Wert ist auf den Körper gedruckt oder durch Farbringe angegeben, einen Code, den amerikanische Radiohersteller in den 1920er-Jahren festlegten.

So geht’s

Eine Bleistiftmine zwischen zwei Klemmen wirkt als Rheostat: Je weiter die Klemmen auseinander sind, desto schwächer leuchtet das Birnchen.

Graphit, die „Mine“ des Bleistifts, leitet weit schlechter als Kupfer, und ein Stück davon ergibt einen brauchbaren Rheostat für ein kleines Lämpchen. Sie brauchen einen Halter für drei AA-Zellen, also 4,5 Volt, ein Taschenlampenbirnchen für etwa diese Spannung in einer Fassung, drei Kabel mit Krokodilklemmen an beiden Enden und eine dicke Mine für einen Druckbleistift. Ein der Länge nach gespaltener Holzbleistift, dessen Mine auf ganzer Länge frei liegt, geht ebenfalls.

Legen Sie die Mine auf eine Keramikfliese. Verbinden Sie einen Pol des Batteriehalters mit dem Birnchen, das Birnchen mit einer Klemme an einem Ende der Mine und den anderen Pol mit der zweiten Klemme. Setzen Sie die zweite Klemme dicht neben der ersten auf die Mine: Das Birnchen leuchtet fast so hell wie direkt an den Zellen. Schieben Sie sie die Mine entlang, und das Licht wird schwächer, weil der Strom nun einen längeren Weg durch Graphit nehmen muss. Notieren Sie den Abstand der Klemmen, bei dem das Glühen verschwindet. Ein Stück Widerstandsdraht aus dem Lehrmittelhandel liefert dasselbe Ergebnis und hält länger. Trennen Sie das Birnchen zwischen den Versuchen ab, damit es und die Zellen länger halten.

Graphit ist spröde, und die Klemmen können ihn zerdrücken, setzen Sie sie also behutsam an. Verwenden Sie nur kleine Trockenzellen, nie eine Autobatterie, einen Lithiumakku oder ein Netzteil. Mine und Draht werden warm, und bei stärkeren Quellen kann dort, wo eine Klemme den Graphit berührt, ein Funke überspringen. Halten Sie Papier und alles Brennbare von der Fliese fern. Verbinden Sie die beiden Pole nie direkt oder nur über die Klemmen miteinander: Die Drähte werden schnell heiß, und die Zellen können auslaufen.

Geschichte und Entwicklung

1825 und 1826 schickte Georg Simon Ohm Strom durch Drähte verschiedener Länge, Dicke und aus verschiedenen Metallen und maß ihn mit einer Magnetnadel neben dem Draht. 1827 veröffentlichte er die Beziehung zwischen Strom, Spannung und Widerstand in seinem Buch Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet.

Beim Zweizylinder-Rheostat von Wheatstone erhöhte der auf das Holz gewickelte Draht den Widerstand, der Draht auf dem Messing war kurzgeschlossen.

Anfang 1840 legte Moritz Jacobi der Akademie der Wissenschaften in Sankt Petersburg ein Instrument vor, mit dem sich der Strom einer Batterie regeln ließ. Im August desselben Jahres zeigte ihm Charles Wheatstone in London eigene Instrumente, die auf demselben Prinzip beruhten. Wheatstone beschrieb sie 1843 in seiner Bakerian Lecture vor der Royal Society und nannte sie Rheostate. Bei einer Bauform läuft ein blanker Draht zwischen einem Holz- und einem Messingzylinder. Jede auf das Holz gewickelte Windung erhöht den Widerstand, während die Windungen auf dem Messing durch das Metall kurzgeschlossen sind. Das King’s College London bewahrt einen Einzylinder-Rheostat von 1843 auf, das Museo Galileo in Florenz einen Zweizylinder-Rheostat, der 1865 in Neapel gebaut wurde.

Telegrafie und Seekabel verlangten Widerstände, die sich überall nachbilden ließen. 1860 schlug Werner Siemens eine Einheit vor, die auf einer Quecksilbersäule von einem Meter Länge und einem Quadratmillimeter Querschnitt beruhte. Ein Ausschuss der British Association mit William Thomson, James Clerk Maxwell und Fleeming Jenkin gab im Februar 1865 seine Normalspulen aus: lose gewickelten Draht in mit Paraffin gefüllten Kupferdosen. Ihre Einheit erhielt den Namen Ohm.

Danach dienten Rheostate der jungen Elektroindustrie. In Milwaukee baute Lynde Bradley 1901 einen Rheostat aus Kohlescheiben zur Drehzahlregelung von Elektromotoren; drückt man die Scheiben fester zusammen, sinkt der Widerstand. 1903 gründete er mit Stanton Allen die Compression Rheostat Company, die 1909 in Allen-Bradley umbenannt wurde. Das Radio machte kleine Festwiderstände zur Massenware, und Allen-Bradley brachte 1935 heiß gepresste Kohlewiderstände heraus. Kohle- und Metallschichtwiderstände, die über die Zeit stabiler sind, verdrängten die Kohlemassewiderstände ab den 1960er- und 1970er-Jahren.