ELEXBO. ELektro - EXperimentier - BOx

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1 Elektro-Experimentier-Box ELektro - EXperimentier - BOx 1 Copyright Gmbh

2 Inhaltsverzeichnis Elektro-Experimentier-Box 2 Einleitung.3 Grundlagen..3 Der elektrische Strom 4 Die elektrische Spannung..6 Der Widerstand...9 Widerstand messen..10 Zusammenfassung der elektrischen Werte..11 Von der Foto zum Schema..11 Das ohmsche Gesetz 12 Die Serie-Schaltung..15 Ersetzen des Multimeterbildes durch ein Symbol.16 Der Spannungsteiler.17 Die Parallelschaltung 18 Rechnen und Messen in der Parallelschaltung 19 Kombinierte Schaltung.20 Die elektrische Leistung 21 Elektrische Energie 22 Das Potentiometer.23 Der NTC-Widerstand.24 Der PTC-Widerstand.25 Der LDR-Widerstand.26 Der Kondensator 27 Der Schalter...30 Der Taster...30 Die Glühlampe 31 Das Relais 32 Relais-Arten Copyright Gmbh

3 Einleitung Elektro-Experimentier-Box 3 Hallo, Ich freue mich, Sie in die faszinierende Welt der Elektrotechnik begleiten zu dürfen. Nur zwei Tipps habe ich für Sie: 1. Freuen Sie sich, wenn eine Schaltung funktioniert 2. Nehmen Sie sich Zeit Ich habe versucht, Sie nicht mit zuviel Theorie zu belasten, sondern Sie die Elektrizität erleben zu lassen. Grundlagen Beginnen wir: Bauen Sie die erste Schaltung nach dem Foto auf. Kippschalter Betätigen Sie den Schalter und freuen Sie sich, wenn die Lampe leuchtet. Sie haben Ihre erste elektrische Schaltung verwirklicht. Ziehen Sie nun an beliebigen Stellen ein Kabel aus. Was passiert? Egal wo Sie unterbrechen, immer löscht die Lampe Somit muss doch in den Kabeln etwas passieren? Aber was? Copyright Gmbh

4 Elektro-Experimentier-Box 4 Ziehen Sie nun beide Stecker am Schalter aus und halten die silbernen Enden aneinander. Jetzt leuchtet die Lampe! Halten Sie nun die beiden Stecker am roten Teil zusammen. Jetzt leuchtet die Lampe nicht. Warum? Da muss sich doch etwas durch das Kabel bewegen, damit die Lampe leuchtet und zwar nur durch das Metall. Hier muss nun etwas Theorie einsetzen. Der elektrische Strom Wenn man in ein Kabel genau hineinsieht, erkennt man, dass es aus einer Isolation aus Kunststoff und innen aus einem Metall-Draht (Kupferdraht) besteht. Schaut man nun ganz genau ins Metall Kupfer hinein, erkennt man, dass es aus Atomen besteht. Atome sind die kleinsten Bauteile. Betrachten wir nun also so ein Kupferatom, erkennen wir, dass es aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Elektron Copyright Gmbh

5 Elektro-Experimentier-Box 5 Die Elektronen umkreisen den Kern aus Protonen und Neutronen. Alle Materialien bestehen aus unterschiedlichen Atomen. Metalle haben nun die spezielle Eigenschaft, dass sie auf der äussersten Schale ein einzelnes Elektron haben, welches man leicht wegbewegen kann. Wenn sich also Elektronen durch den Draht bewegen, nennen wir dies elektrischen Strom. Und dies können wir messen. Bauen Sie die Schaltung wie auf dem Foto auf (Rotes Kabel auf A, und schwarzes Kabel auf COM ). Dazu lassen wir die Elektronen durch das Messgerät (Multimeter) fliessen. Stellen Sie am Multimeter den Drehschalter auf A-. Schliessen Sie den Schalter, die Lampe leuchtet und das Multimeter zeigt in der Anzeige 0.08 A. Schalten wir die Lampe aus, zeigt die Anzeige 0.00 A. Wir können sagen: Es fliesst ein Strom von 0.08 Ampere. Der elektrische Strom wird gemessen in der Einheit Ampere, abgekürzt ein grosses A. Warum sollten nun aber die Elektronen durch den Draht fliessen wollen? Wer drückt die Elektronen durch den Draht? Copyright Gmbh

6 Die elektrische Spannung Elektro-Experimentier-Box 6 Hierzu wieder etwas Theorie. Betrachten wir die Batterie, welche schon auf dem Arbeitsbrett montiert ist. Sie besteht aus einem Gehäuse mit zwei metallischen Anschlüssen Der obere Anschluss ist mit einem Pluszeichen versehen und heisst darum Pluspol Der untere Anschluss ist mit einem Minuszeichen versehen und heisst darum Minuspol Auf der Batterie ist zusätzlich das Symbol dargestellt. Der obere breite Balken zeigt an, dass es sich hier um den Pluspol handelt. Zusätzlich sehen Sie dazu auch das Pluszeichen. Was ist nun im Innern der Batterie? Sie besteht aus zwei getrennten Behältern, welche mit Metall gefüllt sind. In der Elektrotechnik interessieren uns nur die im Atom beweglichen Elektronen und so sind in der Batterie nur die freibeweglichen Elektronen dargestellt. In beiden Behältern hat es hier gleichviele Elektronen. Die Batterie ist nicht geladen. Copyright Gmbh

7 Elektro-Experimentier-Box 7 Wie verbinden nun die leere Batterie mit einem langen aufgewickelten Draht (Fachausdruck dafür ist Spule) Da passiert noch nichts Bewegt man nun einen Dauermagneten an der Spule vorbei, kann man die Elektronen im Innern des Drahtes bewegen. So werden nun Elektronen aus dem Minuspol abgesaugt. Der bewegende Dauermagnet saugt also die Elektronen aus dem Minuspol ab und pumpt sie in den Pluspol. Im Pluspol wird der Platz nun knapp und das Gedränge nimmt zu. Im Minuspol hat es immer mehr Platz Die Batterie wird geladen Copyright Gmbh

8 Elektro-Experimentier-Box 8 Wenn nun alle Elektronen im Pluspol sind, ist die Batterie geladen. Im Pluspol herrscht nun ein grosses Gedränge. Die Batterie ist geladen. Im Pluspol der Batterie herrscht nun ein grosses Gedränge. Die überzähligen Elektronen wollen zurück in den Minuspol. Wie stark die Elektronen aus dem Pluspol drängen ist das Mass der Spannung in Volt. Name Einheit Einheit gekürzt Spannung Volt V Und diese Spannung können wir messen. Schalten Sie Ihr Messgerät ein und wählen am Drehknopf die Einheit V---. Verbinden Sie das rote Kabel von Batterie-Plus mit dem Messgerät-Anschluss V Verbinden Sie das schwarze Kabel von Batterie- Minus mit dem Messgerät-Anschluss Com. Je nach Messgerät sollte das Voltmeter jetzt eine Spannung von 4.2 V bis 4.8 V anzeigen. 4.8 V zeigt, dass die Batterie voll geladen ist. Die Spannung einer Batterie sagt aus, mit wieviel Druck die Elektronen aus der Batterie gedrückt werden. Copyright Gmbh

9 Elektro-Experimentier-Box 9 Bauen Sie nun diese Schaltung auf. Wenn Sie nun den Schalter betätigen und die Lampe leuchtet, herrscht an der Lampe eine Spannung von ca. 4.3 bis 4.6 V. Wenn Sie den Schalter öffnen und die Lampe erlischt, herrscht an der Lampe keine Spannung und das Voltmeter zeigt 0 V an. Betrachten Sie die Helligkeit der Lampe und versuchen, sich die Helligkeit zu merken. Ergänzen Sie nun die Schaltung mit dem 47 Ω Bauteil. Betrachten Sie nun die Helligkeit und messen die Spannung. Die Lampe leuchtet schwächer und die Spannung an der Lampe ist nur noch ca. 2.2 V. Die Elektronen können nicht mehr ungebremst durch die Glühlampe fliessen, der 47 Ω Widerstand bremst die Elektronen. Und damit sind wir bei der dritten Grösse!!! Der Widerstand Würden wir den Pluspol direkt mit einem Kabel mit dem Minuspol verbinden, könnten die Elektronen ungebremst wieder in den Minuspol zurückfliessen und dabei das Kabel so stark erhitzen, dass es schmilzt. Dies wäre ein Kurzschluss und zerstört Bauteile Copyright Gmbh

10 Elektro-Experimentier-Box 10 Die Elektronen müssen gebremst werden. Dies geschieht mit dem Widerstand. Das Bild zeigt das Widerstands-Bauteil. Es hat an seinem Umfang Farbringe. Diese zeigen an, wie gross der Widerstand ist. Zusätzlich ist das Bauteil als Symbol mit dem dazugehörigen Wert beschrieben. Die Zahl 47 zeigt an, wie stark die Elektronen gebremst werden. Je grösser die Zahl, umso mehr werden die Elektronen gebremst. Ω heisst Ohm und ist die Einheit für den Widerstand Wir sagen: Der Widerstand hat einen Wert von 47 Ohm Widerstand messen Schalten Sie Ihr Messgerät ein und wählen am Drehknopf die Einheit Ω. Verbinden Sie das rote Kabel von Batterie-Plus mit dem Messgerät-Anschluss Verbinden Sie das schwarze Kabel von Batterie- Minus mit dem Messgerät-Anschluss Com. Je nach Messgerät sollte das Ohmmeter jetzt einen Wert von 46 Ω bis 48 Ω anzeigen. Der Widerstandswert hat eine Toleranz und darum ist diese Wertschwankung möglich. Achtung: Bei Widerstandsmessungen müssen alle Anschlüsse im Stromkreis entfernt werden. Hier sehen Sie verschiedene Widerstandstypen. Oben sieht man mit Direktbeschriftung des Wertes, unten mit Farbcodierung (Tabelle für Farbkodierung siehe Datenwerte Bauteile Reg.9) Copyright Gmbh

11 Elektro-Experimentier-Box 11 Zusammenfassung der elektrischen Werte Die Spannung in Volt zeigt, wie stark die Elektronen durch den Draht gedrückt werden. Der Strom in Ampere zeigt, wieviele Elektronen durch den Draht fliessen. Der Widerstand in Ohm zeigt, wie stark die Elektronen gebremst werden. Vom Foto zum Schema Ein Foto braucht viel Speicherplatz und man erkennt die Bauteile nicht optimal. Darum werden die Bauteile in der Elektrotechnik mit Symbolen angezeigt. Anstelle der Foto wird nur das Symbol gezeichnet. Achtung: 47R = 47Ω Auf jedem Bauteil ist auch das Symbol aufgezeichnet. Betrachten Sie nun alle Bauteile und die dazugehörigen Symbole. Messen Sie die Widerstandsbauteile mit Ihrem Ohmmeter. Alle Bauteile mit den Symbolen finden Sie im Register 6, Bauteil-Informationen. Bauen Sie nun diese Schaltung auf, die nur noch mit Symbolen gezeigt wird. Es ist die gleiche Schaltung, die Sie Seite 9 oben als Foto sehen. Copyright Gmbh

12 Das ohmsche Gesetz Elektro-Experimentier-Box 12 Bauen Sie diese Schaltung auf: Messen Sie nun die Spannung an der Lampe. Resultat = ca. 2.1 V Die Batteriespannung ist aber ca. 4.6 V Wo ist die Spannungsdifferenz von ca. 2.5 V? Messen Sie nun die Spannung am Widerstand: Messen Sie den Spannungsverlust am Widerstand von 47 Ω. Resultat = ca. 2.5 V Wir sehen also, dass mit einem Widerstand die Spannung an der Lampe gesenkt werden kann. Die Elektronen müssen durch den 47 Ω Widerstand und werden dort gebremst. Dadurch sinkt die Spannung. Die Spannungen am Widerstand und an der Lampe teilen sich auf. Messen Sie nun den Strom wie in der Schaltung gezeigt Das Amperemeter zeigt einen Strom von 50 ma an. Strommenge hätten wir auch berechnen können: Strom = Spannung : Widerstand = Strom = 2.5 V : 47 Ohm = 0.05 A = 50mA Mit dem ohmschen Gesetz können wir aus zwei Werten den dritten Wert berechnen. Copyright Gmbh

13 Elektro-Experimentier-Box 13 Spannung in Volt = Widerstand in Ohm x Strom in Ampere V = Ω x A In der Formel sind diese Abkürzungen üblich Name (Grösse) Formelzeichen Einheit Einheit abgekürzt Spannung U Volt V Widerstand R Ohm Ω Strom I Ampere A Und mit dem Formeldreieck kann man die Formel ohne mathematische Kenntnisse umstellen: Copyright Gmbh

14 Rechnen von Werten 1: Elektro-Experimentier-Box 14 Welche Spannung wird das Voltmeter anzeigen, wenn ein Strom von 0.05 A fliesst? Die Spannung am Widerstand kann berechnet werden: U R 47Ω = R x I = 47 Ω x 0.05 A = 2.35 V Spannung Batterie - Spannung Widerstand = Spannung an der Lampe U Batt - U R = U L = 4.5 V V = 2.15 V Rechnen von Werten 2: Bauen Sie diese Schaltung auf und messen die Spannung über dem Widerstand Resultat = 0.7 V Wie grosser Strom fliesst durch die Kabel? I = U : R = 0.7 V : 10 Ω = 0.07 A Welchen Widerstand hat der Glühfaden in der Lampe? Spannung Batterie - Spannung Widerstand = Spannung an der Lampe U Batt - U R = U L = 4.6 V V = 3.9 V R Lampe = U Lampe : I Lampe = 3.9 V : 0.07 A = 56 Ω Copyright Gmbh

15 Die Serie-Schaltung Bauen Sie diese Schaltung: Elektro-Experimentier-Box 15 Das Ohmmeter zeigt ca 10 Ω Erweitern Sie die Schaltung so: Das Ohmmeter zeigt nun 57 Ω Aussage: Die Widerstände sind in Reihe geschaltet. Man sagt auch: Sie sind in Serie geschaltet. Gesetz: Bei der Serieschaltung werden die einzelnen Widerstände zusammengezählt. R total = R 47Ω + R 10Ω = 47 Ω + 10Ω = 57 Ω Wie gross ist der Gesamtwiderstand dieser Schaltung? R total = R 47Ω + R 100Ω = 47 Ω + 100Ω = 147 Ω R = R 1 + R 2 Copyright Gmbh

16 Elektro-Experimentier-Box 16 Ersetzen des Multimeterbildes durch ein Symbol Auch das Messgerät kann vereinfacht dargestellt werden Messgerät Symbol Beschreibung Das Voltmeter wird mit einem Kreis und dem Buchstaben V benannt. Die Einstellung am Messgerät muss selbst gewählt werden. Das Ohm wird mit einem Kreis und dem Buchstaben Ω benannt. Die Einstellung am Messgerät muss selbst gewählt werden. Das Amperemeter wird mit einem Kreis und dem Buchstaben A benannt. Die Einstellung am Messgerät muss selbst gewählt werden. Berechnen von Serie-Schaltungen: Berechnen des Gesamtwiderstandes: R total = R 47Ω + R 100Ω + R 100Ω = 47 Ω + 100Ω + 100Ω =247 Ω Kontrollieren Sie das Resultat durch Messen. Berechnen des Gesamtwiderstandes: R total = R 2.2kΩ + R 100Ω + R 100Ω = 2200 Ω + 100Ω + 100Ω =2400 Ω Kontrollieren Sie das Resultat durch Messen. Copyright Gmbh

17 Der Spannungsteiler Elektro-Experimentier-Box 17 Bauen Sie diese Schaltung auf, ohne das Voltmeter anzuschliessen. Könnte man hier nun mit diesen Angaben die Werte, die die Voltmeter mal anzeigen sollen, berechnen? 1. Berechnung des Gesamtwiderstandes R = R 10 + R 47 = 10 Ω + 47 Ω = 57 Ω 2. Berechnung des Stromes I = U : R = 4.5 V : 57 Ω = A = 78 ma 3. Spannung am Widerstand 10 Ω U = R x I = 10 Ω x A = 0.78 V 4. Spannung am Widerstand 47 Ω U = U Batt U 10Ω = 4.5 V 0.78 V = 3.72 V Mit Widerständen kann die Spannung aufgeteilt werden. Messen Sie nun die gerechneten Werte und beurteilen. Berechnen Sie diese Schaltung wie oben und kontrollieren Copyright Gmbh

18 Die Parallelschaltung Bauen Sie diese Schaltung: Elektro-Experimentier-Box 18 Das Ohmmeter zeigt 50 Ω Messen Sie nun den Gesamtwiderstand! Das Ohmmeter zeigt ca. 9.1 Ω Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand Bei zwei Widerständen kann so gerechnet werden: R = R 10 x R 100 = 10 Ω x 100 Ω = 9.09 Ω R 10 + R Ω Ω R= R 1 x R 2 R 1 + R 2 Bauen Sie diese Schaltung auf und messen den Gesamtwiderstand: Resultat = 8.3 Ω Zur Berechnung dieser Schaltung muss eine andere Formel benutzt werden: R = 1 = 1 = 8.33 Ω R 1 R 2 R R = 1 = R 1 R 2 R 3 Copyright Gmbh

19 Elektro-Experimentier-Box 19 Rechnen und Messen in der Parallelschaltung Bauen Sie diese Schaltung auf: Betrachten Sie die Helligkeit der Lampe: Sie leuchtet praktisch so hell wie ohne Widerstände. Die Widerstände sind parallel geschaltet. Wie gross ist der Gesamtwiderstand der beiden Widerstände? R = R 10 x R 47 = 10 Ω x 47 Ω = 8.24 Ω R 10 + R Ω + 47 Ω Begründung: Die Elektronen können sowohl durch den 10 Ω als auch durch den 47 Ω Widerstand fliessen. Dadurch wirken sich die beiden Widerstände so aus, als wenn ein 8.2 Ω Widerstand eingebaut wäre. Messen Sie nun den Gesamtstrom = 73 ma Wie grosser Strom fliesst nun durch den 10 Ω Widerstand. Es ist eine Serieschaltung der beiden Widerstände mit der Lampe. Die Spannung an den Widerständen ist U = R : I = 8.2 Ω x A = 0.6 V I R10 = U R : R 10 = 0.6 V : 10 Ω = 0.06 A Wie grosser Strom fliesst nun durch den Widerstand 47 Ω? I R47 = U R : R 47 = 0.6 V : 47 Ω = A = 12 ma Oder anders gerechnet: I R47 = I I R10 = 73 ma 60 ma = 13 ma Messen Sie nun mit dem Messgerät alle gerechneten Werte und kontrollieren Copyright Gmbh

20 Kombinierte Schaltung: Elektro-Experimentier-Box 20 Eine kombinierte Schaltung setzt sich aus Serie und Parallel-Schaltung zusammen. Die beiden 100 Ω Widerstände sind parallel-geschaltet und zu diesen beiden Widerständen ist der 10 Ω Widerstand in Serie geschaltet. Zuerst muss der Wert der Parallelschaltung berechnet werden: Wenn zwei parallel geschaltete Widerstände gleich gross sind lautet die Formel: R = R einzel R= 100 Ω = 50 Ω n = Anzahl Widerstände n 2 Nun kann der Ersatzwiderstand von 50 Ω in Serie mit dem 10 Ω Widerstand gerechnet werden: R = R 50 + R 10 = 50 Ω + 10 Ω = 60 Ω Berechnen Sie den Gesamtwiderstand dieser Schaltung 1.Parallelschaltung der beiden 100 Ω Widerstände ergibt = 50 Ω Ω Widerstand in Serie mit dem 10 Ω Widerstand = 60 Ω 3. Diese 60 Ω Widerstände sind parallel geschaltet mit dem 1 kω Widerstand. Berechnung mit Parallel-Formel: R= R 60 x R 1000 = 60 Ω x 1000 Ω = 56.6 Ω R 60 + R Ω Ω Copyright Gmbh

21 Die elektrische Leistung Elektro-Experimentier-Box 21 Bauen Sie diese Schaltung auf Messen Sie nun den Strom, der durch die Lampe fliesst: Resultat: = 78 ma oder A Messen Sie nun die Spannung an der Lampe: Resultat: = ca. 4.5V Wenn A Strom mit einer Spannung von 4.5 V durch die Lampe fliesst, bedeutet dies eine Leistung, denn die Lampe leuchtet und erhellt den Raum. Die Leistung berechnet sich indem die Spannung mit dem Strom multipliziert wird. P = U x I Das Formelzeichen für die Leistung ist das grosse P (engl. Power) Das Formelzeichen für die Spannung ist das grosse U Das Formelzeichen für den Strom ist das grosse I Die Leistung der Lampe ist also: P = U x I = 4.5 V x A = 0.35 W Auch hier kann das Formeldreieck eingesetzt werden: Die Einheit für die Leistung ist das Watt, abgekürzt W P = U x I P U x I U = P I I = P U Copyright Gmbh

22 Elektro-Experimentier-Box 22 Bauen Sie diese Schaltung auf: Welche Leistung verbraucht die Lampe jetzt? Suche Sie aus obigen Schaltungen folgende Werte: Strom: = 51 ma = 0.051A Spannung am Widerstand: = 2.5 V P L = U x I = (4.5 V 2.5 V) x A = 0.1 W Die Lampe verbraucht nun eine Leistung von 0.1 W Elektrische Energie: Wie lange kann die Lampe mit dieser Batterie leuchten? Die Lampe verbraucht eine Leistung von 0.35 W Die Batterie hat eine Kapazität (aus Bauteile-Beschrieb) von 4800 mah = 4.8 Ah Die Kapazität von 4.8 Ah sagt aus, dass diese Batterie 1 Stunde lang 4.8 A Strom liefern kann. Man kann sich hier auch vorstellen, dass im Pluspol der Batterie soviele Elektronen drin sind, dass während einer Stunde dauernd 4.8 A Strom (Elektronen) in den Minuspol fliessen können. Durch die Lampe fliesst ein Strom von: I = P : U = 0.35 W : 4.5 V = A = 78 ma Zeit = Kapazität = 4800 mah = 61.5 Stunden Strom 78 ma Mit dieser Batterie kann diese Lampe also 61.5 Stunden leuchten. Welche Energie hat die Lampe dabei verbraucht? Energie = Leistung x Zeit = 0.35 W x 61.5 h =21.5 Wh 1000 Wh elektrischer Strom kostet sfr Copyright Gmbh

23 Das Potentiometer: Elektro-Experimentier-Box 23 Bauen Sie diese Schaltung auf und drehen am Potentiometer Durch Drehen am Potentiometer verändert sich der Widerstand von 0 Ω bis 220 Ω. Das Potentiometer ist ein veränderbarer Widerstand Die schraffierte Fläche ist eine Kohleschicht die auf beiden Seiten Anschlüsse hat. Das drehbare Teil ist ein Metall, welches auf der Kohleschicht elektrischen Kontakt macht Bauen Sie diese Schaltung auf und drehen am Poti Durch Drehen am Poti kann die Helligkeit der Lampe variabel verändert werden. (Beispiel: Innenbeleuchtung im Fahrzeug) Copyright Gmbh

24 Elektro-Experimentier-Box 24 Der NTC-Widerstand (Negativ Temperatur Coefficient) Bauen Sie diese Schaltung auf: Benutzen Sie dazu die grüne LED wie symbolisch im Schema dargestellt. Feststellung: Die LED leuchtet nicht, es fliesst kein Strom Erhitzen Sie nun vorsichtig den NTC mit einem Feuerzeug Feststellung: Die LED beginnt zu leuchten, es fliesst Strom Bauen Sie diese Schaltung auf: Erkenntnis: Welchen Wert zeigt das Ohmmeter bei Zimmertemperatur? Resultat: = ca Ω (Schreibweise = 11 kω) Dies ist auch im Symbol so beschrieben Bei Ohm Widerstand kann fast kein Strom fliessen Erwärmen Sie nun den Widerstand Resultat: = Widerstand sinkt auf unter 1000 Ω Der NTC-Widerstand ändert bei Erwärmung seinen Widerstandswert Der Widerstand sinkt bei Erwärmung. Dies wird mit den beiden Pfeilen angezeigt. Zusätzlich steht das Zeichen t Der linke Pfeil zeigt nach oben und bedeutet den Wert der Temperatur Der rechte Pfeil zeigt nach unten und bedeutet den Wert des Widerstandes t bedeutet, dass es sich hier um einen temperaturabhängigen Widerstand handelt Bei 20 C hat er einen Widerstand von 13kΩ Copyright Gmbh

25 Elektro-Experimentier-Box 25 Der PTC-Widerstand (Positiv Temperatur Coefficient) Bauen Sie diese Schaltung auf: Benutzen Sie dazu die grüne LED wie symbolisch im Schema dargestellt. Feststellung: Die LED leuchtet, es fliesst Strom Erhitzen Sie nun vorsichtig den PTC mit einem Feuerzeug Feststellung: Die LED beginnt abzudunkeln, es fliesst weniger Strom Bauen Sie diese Schaltung auf: Welchen Wert zeigt das Ohmmeter bei Zimmertemperatur? Resultat: = ca Ω Dies ist auch im Symbol so beschrieben Bei 67 Ohm Widerstand kann Strom fliessen Erwärmen Sie nun den Widerstand Resultat: = Widerstand steigt auf über 1000 Ω Erkenntnis: Der PTC-Widerstand ändert bei Erwärmung seinen Widerstandswert Der Widerstand steigt bei Erwärmung. Dies wird mit den beiden Pfeilen angezeigt. Zusätzlich steht das Zeichen t Der linke Pfeil zeigt nach oben und bedeutet den Wert der Temperatur Der rechte Pfeil zeigt nach oben und bedeutet den Wert des Widerstandes t bedeutet, dass es sich hier um einen temperaturabhängigen Widerstand handelt Bei 20 C hat er einen Widerstand von 67 Ω Copyright Gmbh

26 Elektro-Experimentier-Box 26 Der LDR Widerstand (LDR =Light Dependent Resistor ) Bauen Sie diese Schaltung auf: Benutzen Sie dazu die grüne LED wie symbolisch im Schema dargestellt. Feststellung: Die LED leuchtet, es fliesst Strom Halten Sie nun Ihren Finger auf den LDR Feststellung: Die LED beginnt abzudunkeln, es fliesst weniger Strom Bauen Sie diese Schaltung auf: Welchen Wert zeigt das Ohmmeter bei Helligkeit? Resultat: = ca Ω Bei 1000 Ohm Widerstand kann Strom fliessen Verdunkeln Sie nun den LDR Resultat: = Widerstand steigt auf über Ω Erkenntnis: Der LDR-Widerstand ändert seinen Widerstandswert durch Lichteinfall Bei Dunkelheit ist der Widerstand gross Dies wird mit den beiden Pfeilen angezeigt. Die beiden Pfeile zeigen an, dass Licht auf die Fläche einwirkt Das viereckige Symbol zeigt einen Widerstand und mit der Beschriftung LDR wird es ein lichtabhängiger Widerstand Copyright Gmbh

27 Der Kondensator Elektro-Experimentier-Box 27 Bauen Sie diese Schaltung auf: Schliessen Sie den Schalter! Das Voltmeter zeigt ca 4.5 V an Oeffnen Sie den Schalter und betrachten das Voltmeter Erkenntnis: Obwohl keine Batterie mehr angeschlossen ist, zeigt das Voltmeter zuerst 4.5 V und dann sinkt die Spannung langsam. Wie ist das möglich? Hier wieder etwas Theorie Der Kondensator besteht aus zwei metallischen Platten, die nur durch eine dünne Kunststofffolie voneinander getrennt sind. Da Metall-Atome auf der äussersten Schale nur ein Elektron haben, sind nur diese Elektronen in den Metallplatten dargestellt. Metallplatte oben (+Platte) Kunststofffolie Metallplatte unten (-Platte) Aufladen des Kondensators Wird eine Batterie an den Kondensator angeschlossen, drücken Elektronen in die obere positive Metallplatte. Copyright Gmbh

28 Elektro-Experimentier-Box 28 Dieses Befüllen der positiven Metallplatte erzeugt eine magnetische Stosskraft, die die Elektronen aus der negativen Metallplatte herausdrücken und in den Minuspol der Batterie fliessen lassen. Der Kondensator ist nun geladen und verhält sich wie eine geladene Batterie. Wird nun ein Voltmeter angeschlossen, drücken die Elektronen aus der geladenen Plus-Metallplatte und zeigen die Batterie-Spannung an 47 μ F heisst 47 Mikro-Farad und ist die Einheit für die Grösse der Metallplatten. Je grösser die Zahl, desto grösser die Platten Die zweite wichtige Grösse auf der Beschriftung ist die Spannung in V. Sie zeigt an, bis zu welcher Spannung die Kunststofffolie die Elektronen am Hinüberspringen hindern (isolieren) kann. Bauen Sie nun diese Schaltung auf: Verwenden Sie dazu Drucktaster und nicht Schalter Drücken Sie nun zuerst den linken Taster für eine kurze Zeit. Was passiert nun? Elektronen fliessen vom Batterie-Pluspol in die positive Platte des Kondensators. Dadurch werden die Elektronen aus der negativen Metallplatte gedrückt und dadurch fliesst ein Strom durch die LED und sie leuchtet kurz auf und ist dann dunkel. Copyright Gmbh

29 Entladen des Kondensators Elektro-Experimentier-Box 29 Wird nun der obere Taster gedrückt, entlädt sich der Kondensator. Die Elektronen fliessen von der positiven Platte zur negativen Platte und gleichen sich so aus. Bauen Sie diese Schaltung auf: Wenn Sie nun den linken Taster schliessen, wird der Kondensator geladen. Oeffnen Sie den linken Taster und betätigen den rechten Taster. Resultat: Die LED leuchtet so lange auf, bis der Kondensator entladen ist. Bauen Sie diese Schaltung auf: Um diese Schaltung zu begreifen, müssten Sie die Funktion des LED kennen. Nur soviel: Die LED leuchtet nur, wenn der Strom in Pfeilrichtung fliesst. Kippen Sie nun den Schalter mehrmals hin und her und beobachten die Funktion. Wenn der Schalter wie im Schema oben ist, wird der Kondensator geladen. Dazu fliesst Strom durch die linke LED und diese blinkt kurz auf. Kippt der Schalter nach unten wird der Kondensator entladen und der Strom fliesst nun durch die rechte LED. Diese blinkt nun kurz auf. So ist die Funktion des Kondensators bewiesen. Anwendungen des Kondensators erleben Sie in den weiteren Schaltungen. Copyright Gmbh

30 Der Schalter Foto Elektro-Experimentier-Box Schema-Symbol Symbol für rastend 30 Der Schalter ist ein metallischer Verbinder. Der Kontakt ist rastend; d.h. dass der Kontakt von selber geschlossen bleibt. Dies wird im Schema mit dem Rast-Zeichen angezeigt. Dies ist ein Kipp-Schalter Beispiele: Lichtschalter, Ein-Aus-Schalter an elektrischen Geräten Der Taster Foto Schema-Symbol Rast-Symbol fehlt Der Taster ist ebenfalls ein metallischer Verbinder. Ausgelöst wird er jedoch meistens durch einen Druckknopf. Beim Loslassen trennt er automatisch den Kontakt wieder. Daher fehlt das Rast-Zeichen. Beispiele: Hausklingel, Hupe etc. Copyright Gmbh

31 Die Glühlampe Foto Elektro-Experimentier-Box Symbol 31 Die Glühlampe besteht aus einem Glühwendel aus Wolframdraht. Elektronen können nicht sehr gut durch den Wolframdraht fliessen und müssen kämpfen. Dadurch erhitzt sich der Draht bis auf 3000 C und beginnt zu glühen. Damit der glühende Draht an der Luft nicht verbrennt und schmilzt, ist er in einem Glaskolben ohne Luft (also Vakuum). Bauen Sie diese Schaltung auf und messen den Widerstand des Drahtes, wenn er kalt ist Resultat: ca. 7.5 Ohm Bei einer Batterie-Spannung 4.5 V sollte also berechnet ein gewisser Strom fliessen. I = U : R = 4.5 V : 7.5 Ω = 0.6 A oder 600 ma Seite 5 haben wir jedoch einen Strom von 0.08 A oder 80 ma gemessen. Wie kommt dieser Unterschied zustande? Bei kaltem Wolfram-Draht sind die Atome im Draht still und der Strom kann gut fliessen. Darum hat die Glühlampe kalt einen kleinen Widerstand von 7.5 Ω Wenn der Wolfram-Draht dann heiss wird, schwingen die Atome stark und bremsen die Elektronen massiv. Darum wird der Strom dann ca. 8 mal kleiner. Der gerechnete Widerstand ist nun ca. 57 Ohm. Die Glühlampe hat PTC-Verhalten und ändert den Widerstand nach der Temperatur. Dies ergibt in der Praxis abweichende Werte zu den gemessenen Werten. Copyright Gmbh

32 Das Relais Foto Elektro-Experimentier-Box Symbol 32 Es besteht aus einer Spule und einem Taster Wenn durch die Spule Strom fliesst, wird der Anker magnetisch und schliesst den Kontakt. Bauen sie diese Schaltung auf: Wenn Sie den Schalter schliessen, hören Sie im Relais ein Klicken und die Lampe leuchtet. Messen Sie nun den Strom durch die Spule: Resultat: 37 ma Mit 37 ma können nun grössere Verbraucher, die bis zu 5 A Strom geschaltet werden. Die ergibt einen Verstärkungsfaktor von = 5 A : A = 135 Der Strom durch die Spule heisst Steuerstrom und ist der kleine Strom Der Strom durch den Schalter heisst Laststrom und ist der grosse Strom Anwendungen: Relais werden zum Schalten von grossen Strömen benutzt Relais können auch als logische Funktionen eingesetzt werden. Copyright Gmbh

33 Relais-Arten Elektro-Experimentier-Box 33 Wenn die Spule an den Anschlüssen 85 und 86 Spannung erhält, zieht der Kontakt an und schliesst. Dies ist ein Schliesser-Relais Wenn die Spule an den Anschlüssen 85 und 86 Spannung erhält, zieht der Kontakt an und oeffnet. Dies ist ein Oeffner-Relais Wenn die Spule an den Anschlüssen 85 und 86 Spannung erhält, zieht der Kontakt an und je nach Anschluss schliesst oder oeffnet der Kontakt. Dies ist ein Wechsler-Relais Bauen Sie diese Schaltung auf Dies ist nun eine logische Schaltung. Wird der linke Taster betätigt, beginnt die Lampe zu leuchten und bleibt hell. Wird der rechte Taster betätigt, erlischt die Lampe wieder. Dies ist eine erste Schaltung zum Festhalten von Informationen und so war der erste Computer aufgebaut. Copyright Gmbh

34 Wichtigkeiten: Elektro-Experimentier-Box 34 Hier nun noch zwei wichtige Themen, die oft zu Diskussionen führen. Bauen Sie diese Schaltung auf, schalten aber den Schalter noch nicht ein. Wird die Lampe leuchten, wenn das Voltmeter so angeschlossen ist? Das Voltmeter hat vom Anschluss V zum Anschluss COM einen sehr grossen Widerstand ( Ω = 20MΩ) Durch das Voltmeter kann also kein Strom fliessen und somit wird die Lampe nicht leuchten. Welchen Wert wird das Voltmeter bei geschlossenem Schalter anzeigen? Das Voltmeter zeigt den Spannungswert der Batterie an, also cirka 4.6 V obwohl der 47 Ω Widerstand eingebaut ist. Warum dies? Bei geschlossenem Schalter können keine Elektronen fliessen; d.h. sie drücken vorne am Kabel mit 4.6 V. Hier kommt der wichtige Satz in der Elektrotechnik: Kein Strom, kein Spannungsabfall. Bauen Sie nun diese Schaltung auf: Welchen Wert zeigt nun das Voltmeter an, wenn der Schalter geschlossen wird, da ja der Widerstand in der Minusleitung eingebaut ist? Das Voltmeter zeigt ca 2.15 V an. Die Spannung teilt sich genau so auf wie wenn der Widerstand in der Plusleitung eingebaut ist. Die Elektronen werden erst nach der Glühlampe gebremst und können erst nach dem 47 Ω Widerstand ungebremst in den Minuspol gelangen. Dies war der Um diese vielen Eindrücke festigen zu können, empfehlen wir ihnen, diesen Satz nun nochmal durchzuarbeiten. Anschliessend können Sie im Register 4, Repetition mit Anleitungen die erreichten Grundkenntnisse vertiefen. Copyright Gmbh