Autor: Nik Köppel Widnau, 28. August 2009

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1 Autor: Nik Köppel Widnau, 28. August 2009

2 Stromkreislauf 1 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS... 1 ABSTRACT... 2 ELEKTRISCHER STROM... 2 KIRCHHOFFSCHE REGELN... 2 KLARE UNTERSCHEIDUNG SPANNUNGSQUELLE / STROMQUELLE... 3 LITERATURVERZEICHNIS... 4 BILDERNACHWEIS... 4 WEITERES MATERIAL... 4 STROM/STROMKREIS... 5 GLEICHUNG FÜR SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND... 7 KNOBELAUFGABE... 8 GRUNDLAGEN LEISTUNG... 9 ELEKTRISCHE LEISTUNG LÖSUNGSVORSCHLÄGE STROM/STROMKREIS GLEICHUNG FÜR SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND KNOBELAUFGABE GRUNDLAGEN LEISTUNG ELEKTRISCHE LEISTUNG... 15

3 Stromkreislauf 2 Abstract Die folgenden Arbeitsunterlagen beschäftigen sich mit dem elektrischen Strom. Es ist ein Lehrerteil zu finden und dazu gehörige Arbeitsblätter. Im Schülerteil wird die elektrische Stromstärke, der Stromkreis, der Widerstand, die Spannung und die elektrische Leistung behandelt. Im Zusatz für Lehrpersonen werden zusätzlich die elektrischen Leiter und die Kirchhoffschen Regeln repetiert und eine kleine Theorie zur Unterscheidung von Stromquellen und Spannungsquellen ist enthalten. Elektrischer Strom Unter elektrischem Strom versteht man grundsätzlich die gerichtete Bewegung von Ladung. Leiter / Nichtleiter Stoffe, die viele und freie bewegliche Ladungsträger besitzen, heissen Leiter. Metallatome gehen Metallbindungen ein. Diese Bindungen führen dann zu einem Metallgitter. Die Valenzelektronen der einzelnen Metallatome werden nur schwach an den Rumpf gezogen, deshalb können sie sich frei im Metallgitter bewegen. Der Rumpf ist nun positiv geladen und bildet ein Atomion. Die freien Elektronen können als Elektronennebel betrachtet werden. Hat ein Stoff keine solchen freien Valenzelektronen, so liegt ein Nichtleiter, Isolator vor. Halbleiter Halbleiter sind Stoffe, bei denen erst durch äussere Einflüsse Valenzelektronen frei werden und dadurch Leitfähig werden. Dies kann zum Beispiel durch Einfluss von Wärme geschehen. Zu den Halbleitern gehören Silicium, Selen und Germanium. Bei einer schematischen Zeichnung werden die Verbindungen der einzelnen Elemente mit schwarzen Strichen gekennzeichnet. Diese Verbindungen werden meist als ideal betrachtet. Das heisst, der Widerstand des Leiters wird vernachlässigt, da er sehr gering ist. Kirchhoffsche Regeln Knotenregel Wie auf dem Bild zu erkennen ist, fließen die Ströme I 1 und I 3 in den Knoten hinein und die Ströme I 2, I 4 und I 5 aus dem Knoten heraus. Nach der Knotenregel ergibt sich folgende Formel: I 1 - I 2 I 3 I 4 I 5 = 0 Maschensatz Alle Teilspannungen eines Umlaufs bzw. einer Masche in einem elektrischen Netzwerk addieren sich zu Null. U 1 U 2 U 3 U 0 = 0

4 Stromkreislauf 3 Klare Unterscheidung Spannungsquelle / Stromquelle Spannungsquelle Stromquelle im Arbeitsbereich:! U x = konstant! R im Arbeitsbereich:! I x = konstant! R x: z.b. 0-12V x: z.b. 0-1A z.b. Auto-Bleiakku, einfaches z.b. Ladegerät für Labornetzgerät wiederaufladbare Batterien

5 Stromkreislauf 4 Literaturverzeichnis Flütsch S. (1996). Lehrlingsunterlagen. Mels Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B. & Walter A. (2002). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 2. Hannover: Schroedel Verlag GmbH sfb Bildungszentrum, Lehrerunterlagen. Dietikon Online unter: ( ) Bildernachweis Online unter: ( ) Flütsch S. (1996). Lehrlingsunterlagen. Mels sfb Bildungszentrum, Lehrerunterlagen. Dietikon Online unter: ( ) Weiteres Material Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B. & Walter A. (2000). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 1 Arbeitsheft Physik/Chemie. Hannover: Schroedel Verlag GmbH Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B. & Walter A. (2002). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 2 Arbeitsheft Physik/Chemie. Hannover: Schroedel Verlag GmbH Online unter: ( )

6 Stromkreislauf 5 Strom/Stromkreis In der Abbildung unten seht ihr links einen Wasserstrom. Eine Kolbenpumpe presst Wassertropfen (Wasser) in die Leitung und treibt das Wasserrad an. Beim elektrischen Strom übernehmen die Elektronen den Transport von z.b. der Batterie zur Lampe. Nur in einem geschlossenen Stromkreis fliesst elektrischer Strom. Von Strom spricht man, wenn Elektronen in einem elektrischen Leiter vom Minuspol (Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel) fliessen. Strom ist grundsätzlich die gerichtete Bewegung von Ladungen=Elektronen. Wird nun die Batterie korrekt mit der Lampe zum geschlossenen Stromkreis verbunden, findet ein Ausgleich statt. Dabei verrichten die Elektronen Arbeit, z.b. leuchtet eine Glühlampe. Elektrische Symbole: Wenn man in einem Raum das Licht anmachen will, dann schliesst man mit Hilfe eines Schalters den Stromkreis. Der Strom beginnt zu fliessen und die Glühlampe leuchtet. Im Alltag brauchen wir noch viele weitere Geräte, die wir an den Strom anschliessen. Jedes dieser Geräte kann in einem Schema

7 Stromkreislauf 6 vereinfacht als Widerstand gezeichnet werden. Die Eigenschaft, den Elektronenfluss mehr oder weniger hemmen zu können, nennt man Widerstand. Um sich den elektrischen Widerstand besser vorstellen zu können, eignet sich der Vergleich mit Wasser: So stellen wir uns einen aufgedrehten Gartenschlauch vor und stellen uns nun auf diesen Schlauch, so fliesst nun weniger Wasser. Treten wir nun etwas stärker auf den Schlauch, so können wir vielleicht den Wasserfluss ganz stoppen. Der Fuss auf dem Schlauch bildet also einen Widerstand. Je grösser der Widerstand, desto weniger Wasser fliesst! Damit der Strom fliesst, braucht es einen Antrieb, die Spannung. Als Vergleich kann wieder Wasser herangezogen werden. Stehen wir wieder ganz auf den Wasserschlauch, so herrscht trotzdem ein Druck. Dieser Druck kann mit der Spannung verglichen werden. Woher kommt der Strom? Elektrischer Strom muss erzeugt werden in Kraftwerken. Zum Beispiel in einem Wasserkraftwerk wird die Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Eine Batterie ist ein Medium, um elektrische Energie zu speichern. Energie kann nie verloren gehen, sie wird nur umgewandelt in eine andere Energieform.

8 Stromkreislauf 7 Gleichung für Spannung, Strom und Widerstand A V In dieser Schaltung wird mit dem Voltmeter die Spannung (V) und mit dem Ampèremeter die Stromstärke (A) gemessen. Wir verändern abwechslungsweise die einzelnen Grössen. Vergleiche das Produkt von Widerstand und Stromfluss mit der Spannung. Spannung U Widerstand R Strom I Produkt R I

9 Stromkreislauf 8 Knobelaufgabe In einem Treppenhaus gibt es zwei Lichtschalter. Einer befindet sich am Fuss der Treppe, der andere oben. Das Treppenhaus wird mit einer Lampe beleuchtet. Wie muss nun der schematische Schaltkreis geplant werden, damit zu jeder Zeit oben wie auch unten das Licht angemacht und auch wieder ausgemacht werden kann? Verwende dazu die Symbole zweier Wechselschalter, das Symbol einer Spannungsquelle und das einer Glühbirne! Dies ist das Symbol für einen Wechselschalter.

10 Stromkreislauf 9 Grundlagen Leistung Elektrische Arbeit F= [ ] s= [ ] Arbeiten heisst mit Kraft eine Masse verschieben. [ ] Arbeit kann auch elektrisch verrichtet werden. Um Kraft zu erzeugen braucht es und. Um den Weg s zurückzulegen braucht es. Elektrische Arbeit: [ ] Die Arbeit wurde nach dem englischen Physiker benannt. = = Quelle: S. Flütsch

11 Stromkreislauf 10 Elektrische Leistung In welcher Zeit eine Arbeit verrichtet wird, wird mit der Leistung beurteilt. Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit Die Einheit für die Leistung ist das zu Ehren des Engländers James Watt. Bedenke das nächste Mal, wenn du eine Glühbirne wechselst, wie viel Watt die neue Birne haben soll.

12 Stromkreislauf 11 Lösungsvorschläge Strom/Stromkreis In der Abbildung unten seht ihr links einen Wasserstrom. Eine Kolbenpumpe presst Wassertropfen (Wasser) in die Leitung und treibt das Wasserrad an. Beim elektrischen Strom übernehmen die Elektronen den Transport von z.b. der Batterie zur Lampe. Nur in einem geschlossenen Stromkreis fliesst elektrischer Strom. Von Strom spricht man, wenn Elektronen in einem elektrischen Leiter vom Minuspol (Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel) fliessen. Strom ist grundsätzlich die gerichtete Bewegung von Ladungen=Elektronen. Wird nun die Batterie korrekt mit der Lampe zum geschlossenen Stromkreis verbunden, findet ein Ausgleich statt. Dabei verrichten die Elektronen Arbeit, z.b. leuchtet eine Glühlampe. Elektrische Symbole: Glühbirne Spannungsquelle Widerstand Batterie Schalter Wenn man in einem Raum das Licht anmachen will, dann schliesst man mit Hilfe eines Schalters den Stromkreis. Der Strom beginnt zu fliessen und die Glühlampe leuchtet. Im Alltag brauchen wir noch

13 Stromkreislauf 12 viele weitere Geräte, die wir an den Strom anschliessen. Jedes dieser Geräte kann in einem Schema vereinfacht als Widerstand gezeichnet werden. Die Eigenschaft, den Elektronenfluss mehr oder weniger hemmen zu können, nennt man Widerstand. Gleichung für Spannung, Strom und Widerstand A V In dieser Schaltung wird mit dem Voltmeter die Spannung (V) und mit dem Ampèremeter die Stromstärke (A) gemessen. Wir verändern abwechslungsweise die einzelnen Grössen. Vergleiche das Produkt von Widerstand und Stromfluss mit der Spannung. Spannung U Widerstand R Strom I Produkt R I U = R I R = U / I I = U / R U U R I Wenn man die gesuchte Grösse verdeckt, bleibt die Formel für ihre Berechnung übrig.

14 Stromkreislauf 13 Knobelaufgabe In einem Treppenhaus gibt es zwei Lichtschalter. Einer befindet sich am Fuss der Treppe, der andere oben. Das Treppenhaus wird mit einer Lampe beleuchtet. Wie muss nun der schematische Schaltkreis geplant werden, damit zu jeder Zeit oben wie auch unten das Licht angemacht und auch wieder ausgemacht werden kann? Verwende dazu die Symbole zweier Wechselschalter, das Symbol einer Spannungsquelle und das einer Glühbirne! Dies ist das Symbol für einen Wechselschalter. Im Moment leuchtet die Lampe!

15 Stromkreislauf 14 Grundlagen Leistung Elektrische Arbeit F= Kraft [N] s= Weg [m] Arbeiten heisst mit Kraft eine Masse verschieben. W = F s [Nm] Arbeit kann auch elektrisch verrichtet werden. Um Kraft zu erzeugen braucht es Spannung und Strom. Um den Weg s zurückzulegen braucht es Zeit. Elektrische Arbeit: W = U I t [J] Die Arbeit wurde nach dem englischen Physiker Joule benannt. 1 J = 1 Nm = 1 kg m 2 / s 2

16 Stromkreislauf 15 Elektrische Leistung In welcher Zeit eine Arbeit verrichtet wird, wird mit der Leistung beurteilt. Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit P = W / t = U I t / t = U I [W] Die Einheit für die Leistung ist das Watt zu Ehren des Engländers James Watt. Bedenke das nächste Mal, wenn du eine Glühbirne wechselst, wie viel Watt die neue Birne haben soll.