Lernen an Stationen: Elektronik Grundbegriffe

Transkript

1 Lernen an Stationen: Elektronik Grundbegriffe Ziele Unterrichtskonzept Richtlinienbezug weiter mit Briefkasten Autor Die Schüler erarbeiten die Grundbegriffe Strom Spannung - Widerstand Die Schüler bestimmen und berechnen Widerstände nach dem Farbcode Die Schüler messen mit dem Digitalmultimeter Widerstände Die Schüler erarbeiten durch Messen mit dem Digitalmultimeter Spannungsteiler Die Schüler informieren sich über Leuchtdioden, messen den Strom und berechnen Vorwiderstände. Die Schüler erarbeiten phänomenologisch Ladung und Entladung von Kondensatoren. Werkstattarbeit, Eigenarbeit in Einzel- oder Partnerarbeit Hauptschule NRW Technik, Physik Unterrichtsablauf im Überblick Unterrichtsablauf im Einzelnen Material und Tipps Einleitung u. Arbeitsblatt-Übersicht Anregungen, Tipps und Hinweise bitte an: nuykenb@nwz.uni-muenster.de Ulrich Jucknischke, Overbergschule Ahlen ulrichjucknischke@t-online.de

2 Unterrichtsablauf im Überblick Zum Konzept Organisation des Unterrichts Merkmale der Arbeit mit Stationen Anforderungen an die Arbeitsweise der Schüler Nach einer Einführung in die Arbeit mit diesen Materialien arbeiten die Schüler selbständig an den Stationen. Die Schüler bearbeiten die einzelnen Stationen und erarbeiten sich wichtigen Grundlagen der Elektronik. Die Ergebnisse der Stationen werden von den Schülern notiert. Ein eigenes Lehrbuch und Nachschlagewerk entsteht. Die Absprache der Bearbeitung der einzelnen Stationen erfolgt beispielhaft Die Arbeit an den weiteren Stationen kann in Einzel- oder Partnerarbeit erfolgen Die Materialien der Stationen sind leicht von Schülern herzustellen Nach Absprache der Bearbeitung der Aufgabenblätter und Sammlung der Arbeitsergebnisse können die Stationen in Einzel- oder Partnerarbeit von den Schülern erarbeitet werden. Die Stationen können in der Reihenfolge nicht beliebig bearbeitet werden, da Erkenntnisse der ersten Stationen zur Weiterarbeit benötigt werden. Diese Einschränkung der Arbeit an Stationen wird jedoch durch die Komplexität der ersten Stationen aufgehoben. Es findet eine Entzerrung der Arbeitgeschwindigkeit statt. Nach einer Einarbeitungsphase sollen die Schüler Aufgaben selbständig bearbeiten und Ergebnisse der Arbeit zusammenfassen.

3 Teilbereiche / Stationen Grundwissen Spannung Grundwissen Strom Grundwissen Widerstand Grundwissen Ohmsches Gesetz Station 1 Station 2 Station 3 Unterrichtsablauf im Einzelnen Tätigkeiten Ausstattung Einführung in die Begriffe Strom, Spannung, Widerstand Die Schüler erfahren eine Einführung in das Phänomen Spannung. Sie lernen die Einheit der Spannung kennen. Sie messen mit dem Digitalmultimeter die Spannungen verschiedener Batterien. Die Schüler erfahren eine Einführung in das Phänomen Strom. Sie lernen die Einheit des Stromes kennen. Sie messen mit dem Digitalmultimeter verschiedene Ströme. Die Schüler erfahren eine Einführung in das Phänomen Widerstandes. Sie lernen die Einheit des Widerstandes kennen. Sie messen mit dem Digitalmultimeter den Widerstandswert verschiedener Verbraucher sowie ihren Körperwiderstand. Die Schüler lernen die Abhängigkeit der drei Grundgrößen Strom, Spannung, Widerstand kennen. Sie lernen am Beispiel Vorwiderstand einer Leuchtdiode die Berechnung kennen. Lernstationen: Widerstände Die Schüler können die Farbkennzeichnungen auf dem Widerstandskörper ablesen und in eine Tabelle eintragen. Die Schüler decodieren die Farbkennzeichnungen on Widerständen und berechnen den codierten Widerstandswert. Die Schüler messen mit dem Digitalmultimeter dem Wert der Widerstände und vergleichen die Werte mit den berechneten. Im Falle von Abweichungen werden die Gründe dafür gesucht. Digitalmultimeter, verschiedene Batterien mit unterschiedlicher Ladung Digitalmultimeter, Versuchsbrett mit LED und drei Vorwiderständen Digitalmultimeter, verschiedene Verbraucher, z.b. Glühlampen, Motoren, Widerstände Widerstandsstern, Arbeitsblatt Übung zur Farbkennzeichnung von Widerständen Widerstandsstern, Arbeitsblatt Übung zur Farbkennzeichnung von Widerständen Widerstandsstern, Digitalmultimeter, Arbeitsblatt Übung zur Farbkennzeichnung von Widerständen, Arbeitsblatt Messen mit den Digitalmultimeter: Widerstandsmessung Station 4 Station 5 Station 6 Station 7 Station 8 Station 9 Die Schüler berechnen den Toleranzbereich von Widerständen kennen, berechnen ihn und vergleichen den berechneten Wert mit den gemessenen Widerstandswert. Die Schüler lernen die Ablesung von Metallschichtwiderständen kennen. Lernstationen: Messen an Widerständen Die Schüler messen die Einzelspannungen eines aus drei gleich großen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers. Die Schüler messen die Einzelspannungen eines aus drei unterschiedlich großen Widerständen aufgebauten Spannungsteilers. Die Schüler formulieren einen Merksatz zu den Messergebnissen. Sie erfahren weitere Anwendungen des Spannungsteilers. Lernstationen: Leuchtdioden Die Schüler untersuchen die Möglichkeiten, eine Leuchtdiode elektrisch zum Leuchten zu bringen und zeichnen den sichtbaren Aufbau einer Leuchtdiode in ihren Hefter. Widerstandsstern, Arbeitsblatt Übung zur Farbkennzeichnung von Widerständen Widerstandsbrett Station 6, Digitalmultimeter Widerstandsbrett Station 7, Digitalmultimeter Leuchtdiode, Batterie, Clip mit Vorwiderstand

4 Station 10 Station 11 Station 12 Station 13 Station 14 Station 15 Station 16 Die Schüler messen mit dem Digitalmultimeter den Strom, der durch eine Leuchtdiode fließt. Die Schüler berechnen mit dem Ohmschen Gesetz den Vorwiderstand einer Leuchtdiode. Die Schüler ermitteln aus Katalogen die elektrischen Werte unterschiedlicher Leuchtdioden. Die Schüler lösen eine Leuchtdiodenrätsel und ermitteln den Stromweg in einer Leuchtdioden- und Diodenschaltung sowie die Anzahl der Leuchtdioden. Lernstationen: Kondensatoren Die Schüler laden und entladen einen Kondensator (1000µF) und beobachten den Lade- und Entladestrom, der eine LED betreibt. Die Schüler laden und entladen einen Kondensator (10µF) und beobachten den Lade- und Entladestrom, der eine LED betreibt. Die Schüler formulieren einen Merksatz zu den Beobachtungen. Sie fertigen eine grafische Darstellung ihrer Beobachtungen an. Versuchsbrett Station 10 Kataloge unterschiedlicher Bauteileanbieter Versuchsbrett Station 14 Versuchsbrett Station 15

5 Was ich schon immer über SPANNUNG wissen wollte, aber nie zu fragen wagte. Mit elektrischer Spannung bezeichnet man die Möglichkeit, elektrische Arbeit zu verrichten. Du kennst bereits verschiedene Spannungen: Aufgabe: 230 Volt Spannung an einer Steckdose 9 Volt Spannung an einer Blockbatterie 1,5 Volt Spannung an einer Mignonzelle 1,2 Volt Spannung an einer Akkuzelle Benutze das Messgerät Stelle den Gleichspannungsmessbereich V= 20V ein Miss die Spannung der beigelegten Batterien und trage sie in eine Tabelle in deinem Ordner ein. Typ Batterie 1 Mignon Batterie 2 Blockbatterie Batterie 3 Micro Batterie 4 Mono Sollspannung in Volt Gemessene Spannung Batteriezustand: voll / leer Merke: Spannung bezeichnet die Möglichkeit, elektrische Arbeit zu verrichten. Spannungen werden in Volt (V) gemessen. Der Formelbuchstabe für die Spannung ist U. Batterien haben einen Plus- und einen Minuspol. Am Minuspol ist Elektronenüberschuss, am Pluspol ist Elektronenmangel. Die Elektronen versuchen diesen Unterschied auszugleichen. Hilfen: Arbeitsblatt: Messen mit dem Digitalmultimeter Spannungsmessung

6 Was ich schon immer über STROM wissen wollte, aber nie zu fragen wagte. Mit elektrischem Strom bezeichnet man die Menge der Elektronen, die durch einen Leiter fließen. Verbindet man eine Batterie als Spannungsquelle und einen elektrischen Verbraucher (z. B. Leuchtdiode mit Drähten), setzt der gewünschte Effekt ein: Die Leuchtdiode leuchtet. Den Strom, der durch die Leuchtdiode fließt, sollst du jetzt messen. Aufgabe: Benutze das Messgerät. Die Messleitungen stecken in den Buchsen COM und I 200mA Stelle den Gleichstrommessbereich A= 200mA ein. Verbinde die Schaltung mit einer Blockbatterie 9V. Miss die Ströme, die über R1, R2 oder R3 durch die Leuchtdiode fließen und lies den Messwert ab. Trage sie in eine Tabelle in deinem Ordner ein. Plus an R1 Plus an R2 Plus an R3 Messwert in ma Leuchtdiode: hell / mittel / dunkel Merke: Strom wird in Ampere (A) gemessen. Der Formelbuchstabe ist I. Kleine Ströme werden auch in ma (Milliampere) und µa (Mikroampere) gemessen. 1mA = 0,001 A 1µA = 0, A. Strom kann nur fließen, wenn an den Polen der Spannungsquelle eine Spannung vorhanden ist. Hilfen Arbeitsblatt: Messen mit dem Digitalmultimeter Strommessung

7 Was ich schon immer über WIDERSTAND wissen wollte, aber nie zu fragen wagte. Widerstand bedeutet umgangssprachlich, dass sich etwas entgegenstellt. Eine ähnliche Bedeutung hat der Begriff Widerstand in der Elektrizität. Unterschiedliche Materialien setzen dem Stromfluss unterschiedlichen Widerstand entgegen. Sie leiten den Strom unterschiedlich gut. Materialien mit geringem Widerstand z. B. Metalle nennt man Leiter. Materialien mit sehr hohem Widerstand z. B. Porzellan, Gummi, Kunststoffe nennt man Nichtleiter (Isolatoren). Jedes Gerät und jeder Verbraucher, der sich in einem Stromkreis befindet, stellt dem Strom einen Widerstand entgegen. Widerstand wird gemessen in Ohm (Ω). Der Formelbuchstabe ist R. Andere Einheiten sind kω = kilo Ohm = 1000 Ω MΩ = Mega Ohm = Ω Widerstände kann man mit dem Messgerät messen. Aufgabe: Benutze das Messgerät. Die Messleitungen stecken in den Buchsen COM und U/Ω Stelle den größten Widerstandmessbereich ein. Miss die beigelegten Widerstände und Glühlampe und trage die Messwerte in eine Tabelle ein. Nimm jeweils eine Messspitze in die rechte und linke Hand und miss deinen Körperwiderstand. Trage den Messwert in die Tabelle ein. Bauteil Messwert in Ω / kω / MΩ Aufdruck / Kennzeichnung Hilfen: Arbeitsblatt: Messen mit dem Digitalmultimeter Widerstandsmessung

8 Was ich schon immer über das OHMSCHE GESETZ wissen wollte, aber nie zu fragen wagte. Du hast jetzt schon eine Vorstellung von den drei wichtigen elektrischen Größen Strom, Spannung, Widerstand bekommen. Doch wie hängen sie zusammen? Eine höhere Spannung bei gleichem Widerstand lässt den Strom steigen: U Also I = R Ebenso steigt der Strom, wenn bei gleicher Spannung der Widerstand verringert wird (Beispiel Kurzschluss). Das Ohmsche Gesetz drückt die Abhängigkeit von Strom (I) in Ampere (A) Spannung (U) in Volt (V) Widerstand R in Ohm (Ω) aus. Am Beispiel der Berechnung eines Vorwiderstandes für Leuchtdioden soll der Umgang mit dem Ohmschen Gesetz verdeutlicht werden.

9 STATION 1: DIE GEHEIMSCHRIFT AUF DEN WIDERSTÄNDEN I Der Wert eines Widerstandes wird nicht in Ziffern angegeben, sondern in einer Farbcodierung. Deine Aufgabe ist es, die Widerstandwerte von den Widerständen zu ermitteln. Um diese Aufgabe zu bearbeiten, findest du ein Widerstandsbrett mit zwölf Widerständen und das Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen. AUFGABE 1: Untersuche und betrachte die Widerstände. Du erkennst vier Farbringe auf dem Widerstandskörper. AUFGABE 2 : Trage die Farben der Farbringe der einzelnen Widerstände in das Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen ein. Die Zeilen Werte bleiben frei. BEACHTE: Die Farbe GOLD wird nicht als erster Farbring verwendet. In diesem Fall ist der Widerstand umzudrehen. Gold ist immer der 4. Ring.

10 Zusatzmaterial: Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen zurück zum Unterrichtsablauf im Einzelnen

11 STATION 2: DIE GEHEIMSCHRIFT AUF DEN WIDERSTÄNDEN II Die von die ermittelten Farben müssen nun in Ziffern umgewandelt werden. Diese Ziffern werden dann in den Widerstandswert umgerechnet. Um diese Aufgabe zu bearbeiten, benötigst du dein Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen und die Tabelle mit dem Codierungsschlüssel. AUFGABE : Trage die Werte der Farben der Farbringe in das Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen in die Zeilen Werte ein und berechne den Widerstandswert. BEISPIEL : Reihenfolge der abgelesenen Farben: grün / blau / rot / gold Ermittelte Ziffern und Multiplikator: 5 6 X 100 = 5600 = 5,6k Codierschlüssel zur Farbkennzeichnung von Widerständen Farbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring 1. Ziffer 2. Ziffer Multiplikator Toleranz schwarz 0 0 x 1 Ohm - braun 1 1 x 10 Ohm 1 % rot 2 2 x 100 Ohm 2 % orange 3 3 x Ohm - gelb 4 4 x Ohm - grün 5 5 x Ohm 0,5 % blau 6 6 x Ohm - violett grau weiß gold - - x 0,1 Ohm 5 % silber - - x 0,01 Ohm 10 %

12 Vorwiderstandsberechnung Die Leuchtdioden benötigt eine Spannung von 2V bei 0,02 A Die Batteriespannung beträgt 9 V. Sie teilt sich auf Leuchtdiode und Vorwiderstand auf. Die Aufgabe des Vorwiderstandes ist es nun, die überflüssigen 7 Volt zu vernichten. Wird das nicht erreicht, kann die Leuchtdiode geschädigt werden. Der Strom geht sowohl durch die Leuchtdiode als auch durch den Widerstand und ist an allen Stellen gleich groß. Also haben wir folgende Werte zur Berechnung des Vorwiderstandes: U = 7V; I = 0,02 A U 7V R = R = = 350 Ω Der Vorwiderstand muss einen Wert von 350 Ω haben. I 0,02A

13 STATION 3: DIE GEHEIMSCHRIFT AUF DEN WIDERSTÄNDEN III Deine Aufgabe ist es, den tatsächlichen Widerstandswert zu messen und mit berechneten Widerstandswert zu vergleichen. Um diese Aufgabe zu bearbeiten, benötigst du dein Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen, das von die benutzte Widerstandsbrett und ein Digitalmultimeter. AUFGABE 1 : Lies das Arbeitsblatt Messen mit dem Digitalmultimeter aufmerksam durch. Miss die Widerstände des Brettes aus. Trage die gemessenen Werte in das Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen in die Zeilen Werte; Gemessen ein. AUFGABE 2 : Vergleiche deine berechneten Werte mit den gemessenen. Bei größeren Abweichungen führe die Arbeitsschritte Ablesen der Farbcodierung und Messen nochmals durch.

14 MESSEN MIT DEM DIGITALMULTIMETER WIDERSTANDSMESSUNG 1. Stecker der Messschnüre in die Buchsen COM (schwarz) und V/Ohm (rot) stecken. 2. Multimeter einschalten. 3. Wahlschalter auf den größten Widerstandsmessbereich einstellen. (2000 kohm = Ohm = 2M Ohm) 4. Messspitzen mit der Messstelle verbinden. Auf gute Verbindung achten. 5. Stillstand der Anzeige abwarten. 6. Messzahl ablesen. 7. Ist die Anzeige "1", dann ist der gemessene Widerstand größer als der eingestellte Messbereich. 8. Sind Nullen vor der Messzahl, dann ist ein kleinerer Messbereich zu wählen. 9. Die angezeigte Messzahl unter Beachtung der Kommastellen und des Messbereiches in den Messwert umrechnen. 10. Nach den Messungen ist das Multimeter auszuschalten. BEISPIEL: Berechnung des Messwertes. abgelesene Messzahl Messbereich Messwert 14,79 20 kohm Ohm = 14,79kOhm 3,33 20 kohm 3330 Ohm = 3,33kOhm 0, kohm Ohm = 815 kohm 123,4 200 kohm Ohm = 123,4 kohm Ohm 1234 Ohm = 1,234 kohm Beachte: 1000 Ohm = 1kOhm!

15 Station 4 : DIE GEHEIMSCHRIFT AUF DEN WIDERSTÄNDEN IV Die Bedeutung des 4. Ringes auf den Widerständen wird hier erarbeitet. In der Tabelle Codierschlüssel von Widerständen wird der 4. Farbring als Toleranz bezeichnet. Die Toleranz gibt an, in welchem Bereich der tatsächliche Widerstandswert vom berechneten Wert abweichen darf. Ein Beispiel verdeutlicht das: BEISPIEL : Widerstandswert berechnet: 120 kohm = Ohm Toleranz: 5% vom Wert 5% von Ohm = 6000 Ohm Abweichung nach oben: Abweichung nach unten: Ohm Ohm = Ohm Ohm 6000 Ohm = Ohm. Also muss der mit dem Messgerät zu messende Widerstandswert zwischen Ohm und Ohm liegen. AUFGABE : Trage die von dir berechneten Widerstands- Toleranzbereiche vom Arbeitsblatt Übung zum Farbcode von Widerständen in die Tabellenzeilen in deinem Heft ein. Berechne den Toleranzbereich. Überprüfe, ob deine Messungen im Toleranzbereich liegen. Widerstand Wert Toleranz Unterer Oberer Gemessen Prü- Nr. berechnet Wert Wert fung Beispiel OK

16 Station 5: Die Geheimschrift auf den Widerständen Metallschichtwiderstände V Elektronische Schaltungen mit höheren Anforderungen sind mit Widerständen ausgerüstet, die eine geringere Toleranz besitzen. Diese Widerstände besitzen 5 Ringe als Codierung. Dabei sind die ersten drei Ringe Werteziffern, der vierte Ring gibt den Multiplikator an, der fünfte Ring gibt die Toleranz an. Codierungsschlüssel von Metallschicht- Widerständen Farbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring 5. Ring 1. Ziffer 2. Ziffer 3. Ziffer Multiplikator Toleranz schwarz x 1 Ohm - braun x 10 Ohm 1 % rot x 100 Ohm 2 % orange x Ohm - gelb x Ohm 0,5 % grün x Ohm - blau x Ohm - violett grau weiß gold x 0,1 Ohm - silber x 0,01 Ohm - AUFGABE : Lies dieses Arbeitsblatt aufmerksam durch. Notiere in deinem Hefter die Besonderheiten der Codierung für Metallschicht- Widerstände.

17 Station 6: REIHENSCHALTUNG I Hier wirst du untersuchen, wie sich eine Spannung an Widerständen verhält. Du hast eine Versuchsbrett mit drei in Reihe angeschlossenen Widerständen. AUFGABEN : Bestimme die Größe der Widerstände der Reihenschaltung I. Schließe die Versorgungsspannung (9V Batterie oder Netzgerät) an die Messpunkte MP1 und MP4 der Reihenschaltung 1 an. Benutze das Digitalmultimeter und stelle den Messbereich 20 DCV ein. Miss die Spannungen zwischen den Messpunkten MP1 MP4. Messpunkt Batterie spannung Spannung MP1 MP2 U1 = V MP2 MP3 U2 = V MP3 MP4 U3 = V MP2 MP4 U4 = V R1= R2= R3= R2+R3= Widerstand und versuche eine Regelmäßigkeit zu finden. Trage die Messwerte in eine Tabelle in deinen Hefter ein. Vergleiche die eingetragenen Werte MATERIAL: Widerstandsbrett mit drei gleich großen Widerständen, Digitalmultimeter

18 Station 7: REIHENSCHALTUNG II Du hast eine Versuchsbrett mit zweimal drei in Reihe angeschlossenen Widerständen. AUFGABE : Bestimme die Größe der Widerstände der Reihenschaltung 2. Schließe die Versorgungsspannung (9V Batterie oder Netzgerät) an die Messpunkte MP1 und MP4 der Reihenschaltung II an. Benutze das Digitalmultimeter und stelle den Messbereich 20 DCV ein. Miss die Spannungen zwischen den Messpunkten MP1 MP4 Messpunkt Batterie spannung Spannung MP1 MP2 U1 = V MP2 MP3 U2 = V MP3 MP4 U3 = V MP2 MP4 U4 = V Widerstand R1= R2= R3= R2+R3= Trage die Messwerte in eine Tabelle in deinen Hefter ein. Vergleiche die eingetragenen Werte und versuche eine Regelmäßigkeit zu finden. MATERIAL: Widerstandsbrett mit drei unterschiedlich großen Widerständen, Digitalmultimeter zurück zum Unterrichtsablauf im Einzelnen

19 Station 8: REIHENSCHALTUNG III Du hast gemessen, wie sich eine Spannung an Widerständen, die in Reihe geschaltet sind, verhält. Deine Aufgabe ist es, herauszufinden, ob es Gesetzmäßigkeiten zwischen den Widerständen und den Spannungen gibt. AUFGABEN: Betrachte deine Messergebnisse und vergleiche die Widerstände mit den gemessenen Spannungen. Untersuche sie auf Ähnlichkeiten (Größe und Verhältnisse). Formuliere eine Regel. Beginne die Regel mit: In der Reihenschaltung verhalten sich die einzelnen Spannungen wie... Schreibe die Regel in deinen Hefter. Hinweis: Die von dir gemessenen Eigenschaften der Reihenschaltung finden in verschiedenen Schaltungen Anwendung. Eine davon ist die Reihenschaltung von Widerstand und Leuchtdioden. Zu finden in den Stationen 9 13 LEUCHTDIODEN zurück zum Unterrichtsablauf im Einzelnen

20 Station 9: DIE POLUNG DER LEUCHTDIODE Deine Aufgabe ist es, herauszufinden, wie die Leuchtdiode anzuschließen ist, um sie zum Leuchten zu bringen. Benutze dazu die Leuchtdiode und die Spannungsquelle. AUFGABE : Finde heraus, wie die Leuchtdiode zum Leuchten gebracht werden kann. Untersuche die Leuchtdiode. Finde heraus, wie man die beiden Anschlüsse der Leuchtdiode unterscheiden kann. Formuliere einen Merksatz über den Anschluss einer Leuchtdiode. Schreibe den Merksatz in deinen Hefter. Zeichne die wichtigen Merkmale einer Leuchtdiode in deinen Hefter. zurück zum Unterrichtsablauf im Einzelnen

21 Station 10: DER STROM DURCH DIE LEUCHTDIODE Im ersten Schritt hast du den Anschluss einer Leuchtdiode untersucht. Deine Aufzeichnungen müssten folgendes Bild ergeben: Ist deine Zeichnung inhaltlich unterschiedlich, korrigiere sie bitte. Deine Aufgabe ist es jetzt herauszufinden, wie viel Strom durch eine Leuchtdiode fließt. AUFGABEN: Benutze das Digitalmultimeter. Stecke die Anschlüsse der Messleitungen in COM (schwarze Messleitung) und V Ω ma (rote Messleitung). Stelle den Bereichsschalter auf DCA 200m. Halte die Messspitzen an die Messstellen. Lies den Messwert ab und trage ihn in deinen Hefter ein: Der Strom durch die Leuchtdiode beträgt ma.

22 Station 11: DER VORWIDERSTAND Bei deinen Messungen hast du festgestellt, dass eine Leuchtdiode einen Strom von 20 ma = 0,02A bei einer Spannung von 2V benötigt. Wird eine Leuchtdiode mit einer Spannung von 9 Volt betrieben, müssen wir sicherstellen, dass die Leuchtdiode nicht mehr als 2 Volt erhält. Das geschieht durch die Reihenschaltung mit einem Vorwiderstand. Spannungsquelle, Leuchtdiode und Vorwiderstand werden in Reihe geschaltet und bilden einen Stromkreis. Bei einer Spannungsquelle mit 9 Volt, einem Bedarf der Leuchtdiode von 2 Volt muss der Vorwiderstand eine Spannung von 7 Volt vernichten. Doch welche Größe muss der Widerstand besitzen? Das Ohmsche Gesetz hilft hier weiter: R = U / I Die Rechnung: Die Spannung U ist bekannt: 7 Volt Der Strom I ist bekannt: Der Widerstand R wird berechnet: 0,02 Ampere 7 / 0,02 = Ohm AUFGABE 1: Berechne den benötigten Widerstandswert und trage die Beispielrechnung mit Erklärung in deinen Hefter ein. AUFGABE 2: Berechne den Widerstandswert einer Leuchtdiode

23 Station 12: Leuchtdiodentypen Leuchtdioden gibt es in unterschiedlichen Bauformen und Farben. Sie unterscheiden sich auch durch unterschiedliche Elektrische Eigenschaften. AUFGABEN : Zeichne die Tabelle in deinen Hefter. LED- Farbe Wellenlänge LED- Bezeichnung Spannung Strom Lichtstärke in mcd Preis Suche aus den Katalogen der Fachanbieter (Conrad und andere) verschiedene Leuchtdioden heraus. Notiere die elektrischen Werte der Leuchtdioden. Notiere die Wellenlänge und die Lichtstärke. Notiere den Preis jeweils einer Leuchtdiode.

24 Station 13: Leuchtdiodenrätsel AUFGABE: Finde heraus, wie viele Leuchtdioden in dieser Dioden- und Leuchtdiodenschaltung leuchten! Notiere das Ergebnis in deinem Hefter. Es leuchten Leuchtdioden.

25 STATION 14: LADEN UND ENTLADEN VON KONDENSATOREN Kondensatoren haben die Eigenschaft, Energie zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Deine Aufgabe ist es, herauszufinden, welche elektrische Größen der Bauteile für die Ladung und Entladung entscheidend sind. AUFGABE 1: AUFGABE 2: AUFGABE 3: Stelle die Werte der Bauteile Kondensator und Widerstand fest. Schließe die Stromversorgung 9V= an. Beobachte dabei die Leuchtdioden. Beachte die Zeit, bis die LED nicht mehr leuchtet. Formuliere deine Beobachtung und schreibe sie in deinen Hefter. Entferne die Stromversorgung 9V=. Drücke den Taster und halte ihn gedrückt. Beobachte dabei die Leuchtdioden. Beachte die Zeit, bis die LED nicht mehr leuchtet. Formuliere deine Beobachtung und schreibe sie in deinen Hefter. zurück zum Unterrichtsablauf im Einzelnen

26 Station 15: LADEN UND ENTLADEN VON KONDENSATOREN Kondensatoren haben die Eigenschaft, Energie zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Deine Aufgabe ist es, herauszufinden, welche elektrische Größen der Bauteile für die Ladung und Entladung entscheidend sind. AUFGABE 1: Lies das Arbeitsblatt INFO: Kondensatoren aufmerksam durch. AUFGABE 2: Schließe die Stromversorgung 9V= an. Beobachte dabei die Leuchtdioden. Beachte die Zeit, bis die LED nicht mehr leuchtet. Formuliere deine Beobachtung und schreibe sie in deinen Hefter. AUFGABE 3: Entferne die Stromversorgung 9V=. Drücke den Taster und halte ihn gedrückt. Beobachte dabei die Leuchtdioden. Beachte die Zeit, bis die LED nicht mehr leuchtet. Formuliere deine Beobachtung und schreibe sie in deinen Hefter.

27 Station 16: LADEN UND ENTLADEN VON KONDENSATOREN Deine Aufgabe ist es, herauszufinden, welche elektrische Größen der Bauteile für die Ladung und Entladung entscheidend sind. AUFGABE 1: AUFGABE 2: Nimm das Arbeitsblatt INFO: Kondensatoren und lies es aufmerksam durch. Zeichne in die erste Grafik die Veränderung der Helligkeit der Leuchtdiode während der Ladung des Kondensators (Waagerecht = Zeitachse, senkrecht = Helligkeit). AUFGABE 3: Zeichne in die zweite Grafik die Veränderung der Helligkeit der Leuchtdiode während der Entladung des Kondensators (Waagerecht = Zeitachse, senkrecht = Helligkeit). AUFGABE 4: Notiere den Merksatz: Die Ladezeit und die Entladezeit eines Kondensators wird bestimmt 1. durch die Größe (Kapazität) des Kondensators und 2. durch die Größe (Widerstandswert) des Widerstandes (und damit des Stromflusses).

28 ÜBUNG ZUM FARBCODE VON WIDERSTÄNDEN Name: Aufgabe : Trage hier die Nr. des von dir benutzten Widerstandsbrettes ein: Widerstand Nr. Beispiel Farben Beispiel Werte 1 Farben 1 Werte 2 Farben 2 Werte 3 Farben 3 Werte 4 Farben 4 Werte 5 Farben 5 Werte 6 Farben 6 Werte 7 Farben 7 Werte 8 Farben 8 Werte 9 Farben 9 Werte 10 Farben 10 Werte 11 Farben 11 Werte 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring Berechnet orange weiß gelb gold % Gemessen

29 12 Farben 12 Werte

30 HARDWARE DER STATIONEN Die Hardware der Stationen kann zu, großen Teil von Schülern hergestellt werden. GRUNDWISSEN SPANNUNG: Verschiedene Batterien (z.b. Mono, Mignon, 9V- Block, Micro, Baby sowohl leer, halbleer und frisch werden mit einem Digitalmultimeter zur Verfügung gestellt. GRUNDWISSEN STROM: Versuchsanordnung mit drei Widerständen und einer Leuchtdiode sowie ein Digitalmultimeter GRUNDWISSEN WIDERSTAND: Verschiedene Verbraucher (z.b. Glühlampe, Leuchtdiode, Widerstände) sowie ein Digitalmultimeter. STATION 1: Ein Widerstandsbrett mit zwölf unterschiedlichen Widerständen. Es kann leicht durch Schüler hergestellt werden. Die Widerstände werden um die in Pressspanbretter geschlagenen Drahtstifte gewickelt und verlötet. Notwendig ist ein Widerstandsbrett für zwei Schüler bei Partnerarbeit, ebenso ein Digitalmultimeter. STATION 6: STATION 7: STATION 9: STATION 10: Drei gleich große Widerstände (jeweils 1kOhm) werden in Reihe geschaltet. Der Aufbau erfolgt auf einem Pressspanbrett mit Drahtstiften. Drei unterschiedlich große Widerstände (1,5kOhm, 3,3kOhm, 5,6kOhm) werden in Reihe geschaltet. Der Aufbau erfolgt auf einem Pressspanbrett mit Drahtstiften. Eine 9V-Batterie mit einem Vorwiderstand von 390 Ohm werden auf einem Pressspanbrett befestigt. Der Anschluss der Leuchtdiode erfolgt durch Drahtstifte, an die die Leuchtdiode gehalten wird. Eine 9V-Batterie mit einem Vorwiderstand von 390 Ohm für eine rote Leuchtdiode und mit einem M Vorwiderstand MP MP MP

31 von 330 Ohm für eine grüne Leuchtdiode werden auf einem Pressspanbrett befestigt. STATION 11: Zwei verschiedenfarbige Leuchtdioden werden mit jeweils einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet. STATION 12: STATION 13: Keine Hardware notwendig. Verschiedene Kataloge von Elektronik- Anbietern, evtl. Internet Recherche. STATION 14: STATION 15: STATION 16: Eine rote und eine grüne Leuchtdiode mit einem gemeinsamen Vorwiderstand werden mit einem Kondensator 10µF sowie einem Taster zusammengeschaltet. Eine rote und eine grüne Leuchtdiode mit einem gemeinsamen Vorwiderstand werden mit einem Kondensator 100µF sowie einem Taster zusammengeschaltet. Keine Hardware notwendig. Arbeitsblatt: Kondensatoren

32 Zur Spannungsversorgung Die Versorgung der Schaltungen ist über 9V Blockbatterien möglich, die auf der Hardware der Stationen befestigt sind. Es ist jedoch auch möglich, die Batterien nicht in den Stationen zu lassen. An einem 9V- Clips werden kleine Krokoklemmen befestigt, die dann die Spannung von einer beweglichen 9V Batterie zu der Hardware bringt.

33 Einleitung Die Elektronik ist Grundlage vieler weit verbreiteter Geräte, Abläufe und Steuerungen. Um die Funktionsweise zu verstehen, ist es notwendig, die Eigenschaften der verwendeten Bauteile kennen und verstehen zu lernen. Hier erfährst du, welche elektronischen Grundlagen dahinter stehen. Das besondere an diesem Kurs ist, dass du diese Grundlagen durch Versuche an verschiedenen Stationen selbst erarbeitest. Du führst über deinen Arbeitsfortschritt selbst Buch und notierst die Bearbeitung der verschiedenen Stationen. Um diese Stationen bearbeiten zu können, wirst du zuerst die wichtigen Begriffe Strom, Spannung, Widerstand erarbeiten. Die Zusammenfassung und eine Anwendung des Ohmschen Gesetzes folgen. Diese drei Begriffe bilden die Grundlage eines Kurses, der in 16 Stationen Informationen über gibt. Widerstände, Leuchtdioden, Kondensatoren Du wirst an kleinen Schaltungen Messungen durchführen, Messwerte notieren und die Theorie praktisch nachvollziehen können. Die Messungen wirst du mit einem durchführen. Digitalmultimeter Die Ergebnisse deiner Versuche, Merksätze und Regeln werden von dir aufgeschrieben. Dadurch erhältst du ein kleines, selbst geschriebenes Nachschlagewerk.

34 Vielleicht wird dein Interesse für die Elektronik geweckt und du bist dann auf dem Weg, die ein neues, interessantes und spannendes Hobby zu erarbeiten. Arbeit mit den Stationen Wenn du die Stationen aufmerksam durcharbeitest, hast du einen Einführung in den Bereich Elektronik erhalten. Die Arbeitsblätter sollen in Einzelarbeit bzw. in Partnerarbeit (zu zweit) bearbeitet werden. Damit du eine Kontrolle über deine Arbeit hast, sollst du auf diesem Blatt die bearbeiteten Stationen mit Datum und deinem Namen abzeichnen. Viel Erfolg bei deiner Arbeit. Grundwissen Einzelarbeit Bearbeitet am Deine Unterschrift Spannung Strom Widerstand Station Widerstände Station 1 Station 2 Station 3 Station 4 Station 5 E.- bzw. P.- Arbeit Bearbeitet am Deine Unterschrift Station Messen an Widerständen Station 6 Station 7 Station 8 E.- bzw. P.- Arbeit Bearbeitet am Deine Unterschrift Station Leuchtdioden LED Station 9 Station 10 Station 11 Station 12 Station 13 E.- bzw. P.- Arbeit Bearbeitet am Deine Unterschrift

35 Station Kondensatoren Station 14 Station 15 Station 16 E.- bzw. P.- Arbeit Bearbeitet am Deine Unterschrift