Bildlich kann man sich einen Widerstand als ein Rohr (mit einer Verengung), durch das Wasser fließt und der Wasserfluss durch die Verengung eingeschränkt wird. Ganz allgemein wird der elektrische Widerstand definiert als “Widerstand = Spannung : Stromstärke”. Hierbei sie nochmals erwähnt, dass das Ohmsche Gesetz nur für Ohmsche Widerstände gilt. Ein ohmscher Widerstand ist definiert als ein Widerstand, der unabhängig von Strom und Spannung ist. Das bedeutet, trägt man im Diagramm Strom gegen Spannung auf (Kennlinie eines Widerstandes), so ergibt sich eine Gerade, deren Steigung der Widerstand R ist. Anhand der Kennlinie kann man entscheiden, ob es sich um einen linearen oder nicht linearen Widerstand handelt.
Der Widerstand als elektronisches Bauteil
Inzwischen gibt es viele Bauarten von Widerstanden, die bekanntesten Bauarten sind Drahtwiderstände, Kohleschichtwiderstände, Metallfilmwiderstände und SMD-Widerstände. Der Widerstandskörper (mit den leitenden Kontakten) wird in der Regel mit Lack oder Kunstharz überzogen um das elektronische Bauteil gegen Feuchtigkeit und mechanische Beschädigung zu schützen.
Der Widerstand wird bestimmt aus dem materialspezifischen Anteil (spezifischer Widerstand des Leitermaterials) und der Länge l und Querschnittsfläche des Strom führenden Körpers. In der Regel stellt man sich einen Widerstand als länglichen Zylinder vor, mit einer gewissen Querschnittsfläche A und der Länge l, an dessen Enden sich jeweils gut leitende Kontakte befinden. Mit Hilfe eines Gedankenexperimentes kann man sich die Formel herleiten: wer die einleitenden Kapitel über Reihen- und Parallelschaltung gelesen hat, weiß, dass sich bei einer Parallelschaltung von zwei (gleichen) Widerständen, der Gesamtwiderstand halbiert, obwohl durch die Parallelschaltung die Widerstandsfläche in dem Schaltkreis größer geworden ist. Der Widerstand ist also indirekt proportional zur Fläche des Widerstandes. Baut man nun zwei gleiche Widerstände in Reihe in einen Stromkreis, so verdoppelt sich der Gesamtwiderstand des Stromkreises. Bei einer Reihenschaltung bleibt die Fläche des Widerstands gleich, aber die Länge verdoppelt sich. Daher weiß man nun, dass der Widerstandswert proportional zur Länge l ist. Die Proportionalitätskonstante ist der spezifische Widerstand des verwendeten Baumaterials im inneren der Widerstände. Also Formel für den Widerstandswert erhält man nun R = (spezifischer Widerstand · Länge) : Fläche.
Anmerkung: Bei Schaltungen (Parallel- oder Reihenschaltungen) von gleichen elektronischen Bauteilen kann ein sog. Ersatzschaltbild verwendet werden, dabei werden die physikalischen Eigenschaften von mehreren Bauteilen auf ein Bauteil transferiert. Dies ist ähnlich dem Fachgebiet Mechanik, in dem man die Masse eines Körpers auf einen Massenpunkt reduziert, um einfacher rechnen zu können.
Temperaturverhalten eines Widerstandes
Viele Widerstände sind im Inneren mit einer Schicht bedampft, erwärmt man nun einen (normalen) Widerstand, so beginnen die Atome (auf ihren Gitterplätzen) in der Schichtstruktur stärker zu schwingen. Durch das Schwingen der Atomrümpfe ist es für die Elektronen schwieriger, durch die Schicht zu gelangen. Dadurch erhöht sich der Widerstand (bzw. die Leitfähigkeit nimmt ab). So gilt für normale Widerstände ein typischer Verlauf für den elektrischen Widerstand mit zunehmender Temperatur: Der Widerstandswert steigt mit der Temperatur an (für viele Widerstände ist der Anstieg exponentiell). Handelt es sich bei einem Widerstand, bei dem der Widerstandswert mit steigender Temperatur steigt, so spricht man von einem positiven Temperaturkoeffizienten (sog. PTC-Widerstände).
Die Schichten, die sich im Inneren eines Widerstandes befinden, lassen sich variieren. So lässt sich z.B. Halbleitermaterial als Schicht verwenden, hierbei handelt es sich in der Regel nun um Widerstände, deren Widerstandswert mit steigender Temperatur sinkt. Dies lässt sich mit der Struktur eines Halbleiters erklären: Beim einem Halbleiter überlappen sich Valenzband und Leitungsband (wie bei Metallen) nicht, damit der Halbleiter elektrisch leitfähig wird, muss ein Elektron aus dem vollen Valenzband in das leere Leitungsband gelangen, was mit einer Energiezufuhr verbunden ist. Diese Energie kann man z.B. durch Erhitzen des Halbleiters erhalten und erklärt damit auch, warum die Leitfähigkeit eines Halbleiters mit zunehmender Temperatur zunimmt. Liegt ein solches Temperaturverhalten vor, spricht man von einem sog. NTC-Widerstand.
Farbcode bei Widerständen
Widerstandswerte werden bei Widerständen in Ohm angegeben. Bei Widerständen erfolgt diese Angabe in der Regel durch die Kennzeichnung des Widerstandes in Form von Farbringen. Verwendet wird bei Widerständen die Vierfach-Beringung (Normreihen E6, E12, E24) und die Fünffach-Beringung (E48, E96 und E192).
So haben Widerstände mit einer Kohleschicht in der Regel vier Farbringe, die ersten drei Ringe geben den Widerstandswert an, der letzte Ring gibt die Toleranz an. Der erste Ring gibt die erste Dezimalstelle an, der zweite Ring gibt die zweite Dezimalstelle an, während der dritte Ring die Anzahl der folgenden Nullen an. Der vierte Ring gibt -wie bereits erwähnt- die Toleranz an.
Widerstände haben in der Regel fünf Farbringe. Hierbei handelt es sich bei den ersten vier Farbringen um die ersten vier Dezimalstellen. Bei dem fünften Farbring handelt es sich um die Toleranzangabe (Toleranzringe: silber (10%), gold (5%), rot (2%), braun (1%), grün (0,5%), blau (0,25%) und violett (0,1%).
Beispiel:
Ein Widerstand hat vier Farbringe (Braun, Schwarz, Rot, Silber), somit ist sein Widerstandwert bestimmt mit braun -> 1, Schwarz -> 0, Rot -> Multiplikator 100, Silber -> Toleranz 10%. Damit ergibt sich ein Widerstandswert von (10 · 100) Ohm +- 10%, also 1000 Ohm +- 100 Ohm.
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Widerstand als elektronisches Bauteil – Testfragen/-aufgaben
1. Was ist der Widerstand als elektronisches Bauteil?
Der Widerstand ist ein elektronisches Bauteil, der den Fluss von elektrischem Strom in einem Schaltkreis beschränkt oder reguliert.
2. Für welche Zwecke wird ein Widerstand in einem Schaltkreis verwendet?
Ein Widerstand wird in einem Schaltkreis verwendet, um den Stromfluss zu steuern, die Spannung zu teilen oder um Wärme zu erzeugen.
3. Wie wird der Widerstand in Ohm gemessen?
Der Widerstand wird in der Einheit Ohm (Ω) gemessen, benannt nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm.
4. Was ist der ohmsche Gesetz?
Das ohmsche Gesetz besagt, dass die Spannung über einem Widerstand direkt proportional zum durch ihn fließenden Strom ist.
5. Unterscheidet sich der Widerstand eines Bauteils mit ändernden physischen Zuständen?
Ja, der Widerstand eines Bauteils kann sich mit ändernden physischen Zuständen wie Temperatur, Druck oder Beleuchtung ändern.
6. Was sind feste und variable Widerstände?
Feste Widerstände haben einen unkonstanten Widerstandswert, während variable Widerstände einen wählbaren Widerstandswert haben.
7. Wie beeinflusst der Widerstand die Stromstärke und Spannung in einem Schaltkreis?
Je höher der Widerstand, desto geringer ist die Stromstärke, und umgekehrt. Der Widerstand kann auch verwendet werden, um die Spannung in verschiedenen Teilen eines Schaltkreises zu verteilen.
8. Was sind die vier Faktoren, die den Widerstand beeinflussen?
Die vier Faktoren, die den Widerstand beeinflussen, sind das Material, die Länge, der Querschnitt und die Temperatur des Bauteils.
9. Was ist ein Widerstandswert?
Ein Widerstandswert ist die Menge an Widerstand, die ein bestimmter Widerstand gegen den Stromfluss bietet.
10. Wie bezeichnet man den Widerstand von Teilen, die in Reihe oder Parallele geschaltet sind?
Bei in Reihe geschalteten Teilen spricht man von Gesamtwiderstand, bei in Parallel geschalteten Teilen von Parallelwiderstand.
