Widerstände

Definition: Was sind Widerstände?

Der elektrische Widerstand R, ist der Widerstand, den ein Strom der Stromstärke I (in Ampere) mit der Spannung U (in Volt) innerhalb eines bestimmten elektrischen Leiters erfährt.

In dem nebenstehenden Comic wird der Umstand anschaulich erklärt: Die Potenzialdifferenz (Spannung, das Volt Männchen), sorgt dafür, dass der elektrische Strom (mit einer Stromstärke I, Ampere Männchen) fließt bzw. angeschoben wird. Das Ohm Männchen (Widerstand eines bestimmten Leiters) sorgt dafür wie viel bzw. wie schwer/leicht der Strom fließen kann, indem er das Ampere Männchen abdrückt.

Mathematisch ausgedrückt bedeutet das: Elektrische Spannung und Stromstärke verhalten sich proportional zueinander.
Der Faktor mit dem sie sich proportional zueinander verhalten, ist der spezifische Widerstand eines Stromkreises. Dieses proportionale Verhältnis wird im Ohmschen Gesetz festgehalten - mehr dazu kannst du weiter unten nachlesen unter.
Der elektrische Widerstand ist dabei material- und bauteilabhängig. Elektrischer Widerstand erzeugt ähnlich eines mechanischen Widerstands (in dem Fall dann durch Reibung) Wärme.
Wenn wir analoge Sensoren selbst bauen, z.B. in verschiedenen soft sensors oder Potentiometern, benutzen wir dazu häufig entweder die Qualität eines besonderes Werkstoffes, seinen Widerstand durch äußere Einflüsse zu verändern (z.B. durch Druck/Hitze/Licht/Zug/Feuchtigkeit, etc.). Oder wir erhöhen oder verringern die Widerstandswerte eines Sensors durch mechanisches Einwirken (z.B. bei einem Potentiometer an dem wir drehen, um mehr vom leitenden Material des Potentiometers tatsächlich mit Spannung zu versorgen). Umgekehrt kann man die Spannung und Stromstärke eines Stromkreises am einfachsten durch die Veränderung seines Widerstands verändern, sodass wir mit dem Arduino, z.B. mit dem Befehl analogRead zwar die anliegende Spannungsveränderungen an einem analogen Input Pin (A0-A5) messen und ablesen können, diese aber in den allermeisten Fällen durch eine Veränderung der Widerstände hervorgerufen wurde.

Widerstände werden in elektrischen Stromkreisen für verschiedene Effekte verwendet:

   * Vorwiderstand: Einstellen oder Begrenzen eines elektrischen Stromes bei gegebener elektrischer Spannung (z.B. damit eine LED nicht durchbrennt)
   * Arbeitswiderstand: Einstellen einer bestimmten elektrischen Spannung bei gegebenem elektrischen Strom (z.B. bei Kondensatoren)
   * Spannungsteiler: Teilen einer elektrischen Spannung in einem bestimmten Verhältnis. Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände in Reihe geschaltet (Reihenschaltung).
   * Stromteiler: Teilen eines elektrischen Stromes in einem bestimmten Verhältnis (Stromteiler). Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände parallel geschaltet (Parallelschaltung).
   * Pull UP/Pull DOWN Widerstand:Erzeugung eines definierten Spannungspegels für den Fall, dass ein logischer Schaltkreis bei Schließung eines Schalters entweder (durch die direkte Verbindung mit Ground) einen Kurzschluss erzeugt oder einen floating Pin mit undefiniertem Spannungszustand 
   *  Verstärker: Als genaues Messwerkzeug zur Erzeugung eines definierten Pegels zur Einstellung von Arbeitspunkten von aktiven Bauelementen, z. B. bei Transistor- oder Operationsverstärkern
   *  Heizwiderstand/Widerstandthermometer: Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie (Heizwiderstand) wie in Glühlampen, Lötkolben, Ersatzlasten, Heizlüftern oder Widerstandsbremsen oder umgekehrt in Widerstandsthermometern von Wärme in Widerstand und damit in ein elektronisch messbare Größe
   *  Potentiometer Herstellen definierter Eingangs- und Ausgangs-Spannungen (Impedanzanpassung)
   *: vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_(Bauelement)

Widerstände und ihre Auswirkungen auf verschiedene Stromkreise zu verstehen ist also essenziell um Sensoren und Aktuatoren richtig bedienen zu können. Auf dieser Seite soll es deshalb um die praktische Anwendung von Widerständen in Stromkreisen (Berechnung von Widerständen für Bauteile, PULL UP, PULL DOWN, Spannungteiler) und ihre theoretische Funktionsweise gehen.

Widerstände als Bauteile

Fast jedes Material ist ab einer bestimmten Spannungs- und Stromstärke leitend. Auch Holz kann, z.B. bei einem Blitzeinschlag elektrische Ladung transportieren (deshalb sollte man bei einem Gewitter auch nicht im Wald herumspazieren). Allerdings ist der Widerstand vieler Materialien in unserem Alltag vergleichsweise hoch, sodass sie eine lebensgefährlich hohe Spannung und Stromstärke brauchen würden, um tatsächlich Strom leiten zu können.
Materialien mit einem geringen elektrischen Widerstand sind gute Leiter, wie z.B. Kupfer, Gold, Silber, Eisen, verschiedene Flüssigkeiten und edel Gase, etc.
Materialien mit einem besonders hohem Widerstand, Nicht-Leiter können auch als Isolatoren verwendet werden, so z.B. Plastik, Glas, Gummi, Keramik oder destilliertes Wasser.

Kohleschichtwiderstände mit beigem Körper, Metallschichtwiderstände haben einen blauen Körper

Durch die Farbkodierung der Widerstände kann man ihren Wert bestimmen

Wie schon oben erwähnt kann sich der Widerstand eines leitendes Materials durch verschiedene äußere Einwirkungen verändern. Für genaue elektrische Widerstände, die es uns ermöglichen Stromstärke und Spannung in Abhängigkeit von ihnen zu berechnen, benötigen wir deshalb Materialien, die ihren Widerstand bei z.B. Druck oder Temperaturveränderung immer noch relativ konstant halten können. In den meisten unserer elektrotechnischen Aufbauten verwenden wir für solche genauen Widerstandswerte deshalb industriell gefertigte Widerstände, wie rechts abgebildet. Der Wert dieser Widerstände lässt sich durch ihre bestimmte Farbkodierung ablesen.

 Einen Rechner für diese farbkodierten Widerstandswerte kannst du hier finden:
http://www.sengpielaudio.com/Rechner-farbcode.htm