Thema Elektrizitätslehre Doppellektion 7

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1 Natur und Technik 2 Physik Lektionsablauf Thema Elektrizitätslehre Doppellektion 7 Ziele Einblick in das Leben eines Forscher erhalten Das Ohmsche Gesetz herleiten Das Ohmsche Gesetz und die Umformungen kennen Zeit Ablauf Material 20 Einstieg ideofilm Teil 1 G. S. Ohm Das Wogen der Kraft Besprechen des Films LMZ Georg Simon Ohm 15 L-Demo L demonstriert an einem einfachen Stromkreis den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung. S protokollieren die Ergebnisse und erstellen eine Grafik auf dem Übungsblatt Theoriestudium S studieren das Theorieblatt 15. Kontrollfragen durch L Experimentiermaterial Übungsblatt 16 Theorieblatt 15 Pause 20 S-Übung S lösen Beispiele vom Übungsblatt 17 Korrektur Weitere Beispiele als Hausaufgabe Übungsblatt 17 Lösungsblatt 17/L 25 S-Übung S ermitteln in eigenen ersuchen die Abhängigkeit des es von: der Länge dem Querschnitt dem Material der Temperatur des Leiters, den sog. spezifischen. S formulieren das Gesetz über den spezifischen. Planungshinweise: Übungsblatt 18 Messgeräte, verschiedene Widerstände, Stromquellen Kr/Ge Doppellektion 7

2 Natur und Technik 2 Physik Theorie Festlegung ergleicht man bei gleicher Spannung die Stromstärke in unterschiedlichen Geräten, z.b. in einer Glühlampe, einem Motor und einem Heizdraht, so ergeben sich verschiedene Werte. Die verschiedenen Geräte leiten den Strom unterschiedlich gut. Hohe Stromstärke bedeutet eine hohe Leitfähigkeit. Die Bewegung von Ladung im Stromkreis wird kaum behindert. Man sagt, das Gerät hat einen kleinen elektrischen. Mit dem Wort bezeichnet man aber auch den Leiter selbst, der diese Eigenschaft besitzt. Entsteht in einem Leiter bei der Spannung U die Stromstärke, so hat er den elektrischen R: R = U 1 Ω = 1 1 A oder U = R und = U R Die Einheit des elektrischen es ist 1 Ohm = 1 Ω. Sie stammt vom deutschen Physiker Georg Simon Ohm ( ). Ohmsches Gesetz Für Leiter, bei denen sich der über den ganzen Messbereich betrachtet nicht ändert, gilt folgendes Gesetz: Für metallische Leiter ist bei konstanter Temperatur der elektrische R = U : konstant. und Temperatur Technische Widerstände Messungen zeigen, dass die Stromstärke beim Erhitzen eines Drahtes zurückgeht, d.h. der wächst. Bei vielen metallischen Leitern (z.b. Kupfer, Aluminium) ändert sich der mit der Temperatur. Metalle gehören also zu den Leitern, die im kalten Zustand besser leiten als im erwärmten. Man spricht deshalb von Kaltleitern (PTC-). PTC: positiver Temperaturcoeffizient iele der heute in der Elektronik verwendeten Halbleiter gehören zur Gruppe der Heissleiter (NTC-). Sie leiten besser im erwärmten als im kalten Zustand. n der Elektronik werden häufig Bauteile benötigt, welche die Stromstärke begrenzen. Hierzu benutzt man Widerstände in unterschiedlichen Bauformen: Drahtwiderstände Schichtwiderstände Ein isolierter Draht ist auf einen Zylinder gewickelt. Mit Hilfe eines Schiebers können jeweils verschieden lange Teile eines Drahtes abgegriffen werden, der ist so veränderbar. Sie bestehen aus einem Keramikröhrchen, auf das eine dünne Kohle- oder Metallschicht als Leiter aufgedampft ist. Sie werden meist nur bei kleinen Stromstärken verwendet. Ge/Kr Elektrik 15

3 Ohmsches Gesetz ersuch Zwischen zwei solierklemmen wird ein Konstantandraht (z.b. l = 1 m, d = 0,2 mm) gespannt und über ein Ampèremeter an eine einstellbare Spannungsquelle (regelbares Netzgerät) angeschlossen. Die Spannung wird zwischen den beiden Drahtenden gemessen. Schaltplan Messergebnisse U 0 0,5 1 1,5 2 2,5 * U * Berechne den Quotienten auf 1 Dezimale! Grafische Darstellung Ampère U olt Ge/Kr Elektrik 16

4 Lösungen Ohmsches Gesetz ersuch Zwischen zwei solierklemmen wird ein Konstantandraht (z.b. l = 1 m, d = 0,2 mm) gespannt und über ein Ampèremeter an eine einstellbare Spannungsquelle (regelbares Netzgerät) angeschlossen. Die Spannung wird zwischen den beiden Drahtenden gemessen. A Schaltplan R Messergebnisse U 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 A 0,13 A 0,25 A 0,38 A 0,5 A 0,63 A * U 3,8 A 4 A 3,9 A 4 A 3,9 A Ampère * Berechne den Quotienten auf 1 Dezimale! Grafische Darstellung U olt Der Quotient U ist praktisch konstant. Man bezeichnet ihn auch als elektrischen. Ge/Kr Elektrik 16 / L

5 Ohmsches Gesetz (Berechnungen) 1. Ein von 40 Ω wird von 5,5 A durchflossen. An welche Spannung ist er angeschlossen? 2. Welchen hat die Glühlampe einer Taschenlampe von 3,5 / 0,2 A? 3. Ein Bügeleisen hat einen von 110 Ω. Wie gross ist die Stromstärke, wenn die Spannung 220 beträgt? 4. Um einen Tauchsieder von 50 Ω richtig zu erwärmen ist ein Strom von 4,4 A notwendig. Wie hoch muss die Spannung sein? 5. Eine Glühlampe mit einem von 1000 Ω wird an 220 angeschlossen. Wie gross ist die Stromstärke? 6. Durch einen Ofen, der an 380 angeschlossen ist, fliesst ein Strom von 4,75 A. Wie gross ist sein? 7. Ein Wärmestrahler hat einen von 80 Ω. Wie gross ist die Stromstärke, wenn er an eine Spanung von 220 angeschlossen ist? 8. Eine Stromstärke von ungefähr 0,02 A ist für den Menschen meist tödlich. Welche Spannung wäre tödlich, wenn er eine nicht isolierte Leitung mit nassen Händen berühren würde? (R = 1000 Ω) 9. Ein Drehwiderstand von 250 Ω hat die höchstzulässige Stromstärke von 1,5 A. Darf er an 220 angeschlossen werden? Ge/Kr Elektrik 17

6 Lösungen Ohmsches Gesetz (Berechnungen) 1. Ein von 40 Ω wird von 5,5 A durchflossen. An welche Spannung ist er angeschlossen? U = R = 40 Ω 5,5 A = Welchen hat die Glühlampe einer Taschenlampe von 3,5 / 0,2 A? R = U : = 3,5 : 0,2 A = 17,5 Ω 3. Ein Bügeleisen hat einen von 110 Ω. Wie gross ist die Stromstärke, wenn die Spannung 220 beträgt? = U : R = 220 : 110 Ω = 2 A 4. Um einen Tauchsieder von 50 Ω richtig zu erwärmen ist ein Strom von 4,4 A notwendig. Wie hoch muss die Spannung sein? U = R = 50 Ω 4,4 A = Eine Glühlampe mit einem von 1000 Ω wird an 220 angeschlossen. Wie gross ist die Stromstärke? = U : R = 220 : 1000 Ω = 0,22 A 6. Durch einen Ofen, der an 380 angeschlossen ist, fliesst ein Strom von 4,75 A. Wie gross ist sein? R = U : = 380 : 4,75 A = 80 Ω 7. Ein Wärmestrahler hat einen von 80 Ω. Wie gross ist die Stromstärke, wenn er an eine Spanung von 220 angeschlossen ist? = U : R = 220 : 80 Ω = 2,75 A 8. Eine Stromstärke von ungefähr 0,02 A ist für den Menschen meist tödlich. Welche Spannung wäre tödlich, wenn er eine nicht isolierte Leitung mit nassen Händen berühren würde? (R = 1000 Ω) U = R = 1000 Ω 0,02 A = Ein Drehwiderstand von 250 Ω hat die höchstzulässige Stromstärke von 1,5 A. Darf er an 220 angeschlossen werden? U = R = 250 Ω 1,5 A = 375 ja! Ge/Kr Elektrik 17 / L

7 on welchen Eigenschaften eines Drahtes hängt sein ab? Die ermutung liegt nahe, dass der von der Länge, dem Durchmesser und der Stoffart des Drahtes abhängen kann. Dies kann man nun mit Hilfe von Messreihen klären: 1. Wir ändern die Länge des Drahtes. Messwerte für Konstantandrähte mit 0,4 mm Durchmesser l in m MSW Art U in 2. Wir ändern den Durchmesser des Drahtes. Messwerte für Konstantandrähte der Länge 3 m d in mm 0,4 0,8 1,6 MSW Art. 7242/43/44 U in 3. Wir ändern den Stoff des Drahtes. Messwerte für Drähte mit λ = 3 m und d = 0,4 mm Stoffart Kupfer Eisen Konstantan MSW Art. 7240/41/42 U in Ge/Kr Elektrik 18

8 Lösungen on welchen Eigenschaften eines Drahtes hängt sein ab? Die ermutung liegt nahe, dass der von der Länge, dem Durchmesser und der Stoffart des Drahtes abhängen kann. Dies kann man nun mit Hilfe von Messreihen klären: 1. Wir ändern die Länge des Drahtes. Messwerte für Konstantandrähte mit 0,4 mm Durchmesser l in m MSW Art U in Je länger der Draht, desto kleiner die Stromstärke; d.h. desto grösser wird der. 2. Wir ändern den Durchmesser des Drahtes. Messwerte für Konstantandrähte der Länge 3 m d in mm 0,4 0,8 1,6 MSW Art. 7242/43/44 U in Je dicker der Draht, desto grösser die Stromstärke; d.h. desto kleiner wird der. 3. Wir ändern den Stoff (Material) des Drahtes. Messwerte für Drähte mit λ = 3 m und d = 0,4 mm Stoffart Kupfer Eisen Konstantan MSW Art. 7240/41/42 U in Die Stromstärke ist vom Material abhängig; d.h. auch der ist vom Material abhängig. Ge/Kr Elektrik 18 / L