Selbstlerneinheit Elektrizitätslehre

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1 Selbstlerneinheit Elektrizitätslehre. Aufgaben zur Wiederholung Aufgabe 1 Skizziere den Schaltplan eines Stromkreises mit (a) einer Batterie als Spannungsquelle und einer Lampe (L) als Verbraucher. (b) einem Netzgerät als Spannungsquelle und zwei in Reihe geschalteten Lampen (L1 und L2). (c) einem Netzgerät als Spannungsquelle und zwei parallel geschalteten Lampen (L1 und L2). Die Schaltung wird mit einem Hauptschalter gesteuert (alle Lampen ein oder aus). Aufgabe 2 Vergleiche die Leuchtkraft der beiden Lampen in den Schaltungen aus Aufgabe 1 (b) und (c). Aufgabe 3 Skizziere den Schaltplan einer Kurzschlussschaltung.

2 Aufgabe 4 Beantworte die folgenden Fragen: (a) Was versteht man unter einem Elektron? (b) Was versteht man unter elektrischem Strom? (c) Was versteht man unter elektrischer Spannung? (d) Wie groß ist die Netzspannung in Europa? Wie groß in den USA? Aufgabe 5 (a) n Mehrfamilienhäusern gibt es eine Klingel am Haupteingang sowie vor der jeweiligen Wohnungstür. Skizziere den Schaltplan für eine solche Klingelanlage. (b) Betrachte eine Verkehrsampel für Autos mit zwei Lampen (rot und grün). Skizziere den Schaltplan für den Fall, dass die Autos fahren dürfen. die Autos halten müssen. die Ampel (z.b. wegen Bauarbeiten) deaktiviert ist.

3 Aufgabe 6 (a) Gegeben seien zwei Elektronen. Skizziere jeweils mit einem Pfeil die Bewegungsrichtung des Elektrons ein. e e (b) Gegeben sei ein Elektron und ein positiver Ladungsträger (z.b. ein Proton). Skizziere jeweils mit einem Pfeil die Bewegungsrichtung des Ladungsträgers ein. e p + (c) Atome sind die Bausteine unserer Materie. Atome sind aber keine Elementarteilchen, sondern zusammengesetzte Teilchen. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. n der Atomhülle befinden sich die Elektronen, im Atomkern Protonen und Neutronen. Elektronen sind negativ, Protonen positiv und Neutronen ungeladen. Weil die Anzahl der Elektronen in der Hülle und die Anzahl der Protonen im Atomkern gleich ist, ist ein Atom elektrisch neutral. Das einfachste Atom ist das Wasserstoff-Atom (H). Es hat im Periodensystem die Ordnungszahl 1. Die Ordnungszahl gibt die Anzahl an Elektronen an. Wie viele Protonen hat Wasserstoff? Zeichne die Ladungsträger (Elektronen und Protonen) für Wasserstoff ein. H Atomhülle Atomkern Finde im Periodensystem der Elemente die Elemente mit den Ordnungszahlen 2, 3 und 6. Skizziere jeweils analog zu Wasserstoff oben den Aufbau der jeweiligen Atome.

4 Aufgabe 7 Die elektrische Ladung ist eine physikalische Größe, die mit dem Buchstaben Q bezeichnet wird. Das Elektron trägt die elektrische Ladung Q = Q e = 1, C. Die Einheit der Ladung ist Coulomb (C). Das Proton hat denselben Betrag der Elektronladung, aber ein positives Vorzeichen Q P = +1, C = 1, C. Das Neutron ist ungeladen, hat also die Ladung Q N = 0C = 0 Beispiel: Betrachten wir ein Atom mit l Elektronen, m Protonen und n Neutronen. Dann gilt für die Ladung des Atoms: Q Atom = Q Hülle + Q Kern = l Q e + m Q P + n Q N n Aufgabe 6 haben wir gelernt, dass die Anzahl an Protonen gleich der Anzahl an Elektronen im Atom ist, d.h. es gilt: l = m. Dann gilt: Q Atom = Q Hülle + Q Kern = l ( 1, C) + l (1, C) + n 0C = 0C Ein Atom hat also Ladung Q = 0C. Man sagt, es ist neutral. Aufgabe: Zeige am Beispiel von Schwefel (S, Ordnungszahl 16), dass ein S-Atom neutral geladen ist. Nimm dabei das obige Beispiel zur Hilfe und führe folgende Schritte durch (Am Ende hast du dies gezeigt!). Die Ladung eines Schwefelatoms: Q Schwefel = Anzahl l an Elektronen im Schwefel: l = Anzahl m an Protonen im Schwefel: m = Anzahl n an Neutronen im Schwefel: n = 16 Einsetzen und ausrechnen: Q Schwefel = l Was ich nach der Bearbeitung der Aufgaben 1 bis 7 noch nicht verstanden habe:

5 . Versuche: Messung von Strömen in Reihen- und Parallelschaltungen ACHTUNG! Experimentieren mit Strom kann sehr gefährlich sein! Führe nie Experimente an der Steckdose durch! Es besteht Lebensgefahr! Beschädigte Kabel nicht benutzen und stromführende Kabel nicht berühren! (A) Aufgabe 8: Strommessung bei der Reihenschaltung Gut lesen! Nun lernst du, wie man den Strom in einer Schaltung misst. Du brauchst dazu ein Vielfachmessgerät (ein sog. Multimeter), mit dem du die elektrische Stromstärke messen kannst. Lass dir vor dem Experiment das Messgerät von deiner Lehrkraft erklären, denn diese Messgeräte kann man leicht zerstören!!! Das Schaltbild eines Messgerätes sieht so aus: ist das Symbol für die Stromstärke. Achte darauf, dass Du die Stecker zuerst in die Buchsen COM (Minus) und 10A (Plus) anschließt und den Messbereich 10A Gleichstrom einstellst. Nur wenn die Anzeige kleiner als 0,2A ist, schalte den Strom aus, schließe Plus an die VΩmA(+) Buchse an und stelle den Messbereich (200 ma) ein. Material: Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit Bauteilen sowie zwei gleiche Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle, zusätzlich ein Vielfachmessgerät. Achte darauf, dass die elektrische Energiequelle (Trafo) so eingestellt ist, dass die Glühlämpchen nicht durchbrennen! Wähle beim Strommessgerät Gleichstrom und zuerst den höchsten Messbereich 10 A, dann ggf. 200 ma! Aufgaben: (a) Baue diesen einfachen Stromkreis mit einer Glühlampe auf. Trenne den Stromkreis an verschiedenen Stellen und miss jeweils die Stromstärke. Was stellst Du fest?

6 (b) Baue ein weiteres Glühlämpchen in den Stromkreis ein (Reihenschaltung). Miss wiederum die Stromstärke an verschiedenen Stellen des Stromkreises. Formuliere einen Satz für die Stromstärke bei einer Reihenschaltung: Aufgabe 9 Lies das folgende Gespräch zweier Schüler (S1, S2): S1: n dieser Schaltung geht der Strom von der Batterie zur ersten Glühlampe, an der ein Teil des Stromes verbraucht wird. Dann fließt der Rest weiter zur zweiten Glühlampe, an der der restliche Strom verbraucht wird. S2: Wir wissen, dass der Strom zurück durch die Batterie fließt, denn wir wissen, dass wir einen vollständigen Stromkreis brauchen, damit die Glühlampen leuchten. Wenn der Strom verbraucht würde, bräuchten wir keinen Rückweg zur Batterie. Außerdem leuchten sie gleich hell. Also müssen sie vom gleichen Strom durchflossen werden. Stimmst Du mit einem der beiden überein? Erläutere deine Antwort.

7 (B) Aufgabe 9: Strommessung bei der Parallelschaltung Material: wie zuvor Aufgaben: (a) Miss nun die Stromstärken in den einzelnen Zweigen entsprechend der Abbildung. Notiere Deine Messwerte (Einheiten nicht vergessen!): 1 = 2 = 3 = Formuliere einen Zusammenhang zwischen 1, 2 und 3 für die Parallelschaltung: Welche Stromstärke erwartest Du für 4? (erst überlegen, dann messen): (a) Beschreibe wie der Strom durch die Parallelschaltung von zwei Glühlampen fließt. Was kannst du darüber sagen, wie sich der Strom an den Verzweigungen der Parallelschaltung aufteilt und wieder vereint? (b) Was kannst du über den Strom durch die Batterie oder elektrische Energiequelle in einer Schaltung mit nur einer Glühlampe im Vergleich zu dem Strom in der Schaltung mit zwei parallelen Glühlampen aussagen? (c) st der Strom, der von der elektrischen Energiequelle geliefert wird, immer gleich groß oder hängt er von der Anzahl der Glühlampen ab? Erläutere deine Antwort.

8 (d) Baue nun diesen Stromkreis mit 4 Lämpchen auf. Miss die Stromstärken in den einzelnen Zweigen entsprechend der Abbildung. Notiere Deine Messwerte: 1 = 2 = 3 = 4 = 5 = Erkläre die Messwerte. Aufgabe 10 (mündlich) Lies das folgende Gespräch zweier Schülernnen: Schüler 1: Der Strom durch die Batterie oder elektrische Energiequelle ist in jedem Stromkreis der gleiche. m zweiten Kreis wird der Strom von der Batterie auf zwei Glühlampen aufgeteilt. So fließt durch jede Glühlampe nur halb so viel Strom wie durch die Lampe im ersten Stromkreis. Schüler 2: Da alle Lampen in etwa gleich hell sind, muss durch die beiden Glühlämpchen im zweiten Kreis jeweils genauso viel Strom fließen wie durch das Lämpchen im ersten Kreis. Also fließt durch die Batterie im Parallelkreis mehr Strom als im ersten Stromkreis. Stimmst du mit einem der Schüler oder mit keinem überein? Erläutere deine Antwort.

9 Aufgabe 11 Eine Anwendung von Schaltungen ist die sogenannte UND-Schaltung. Eine solche Und-Schaltung wird beispielsweise bei Waschmaschinen verwendet. Neben einem Hauptschalter (Waschmaschine ein/aus, Schalter 1) gibt eines einen Türschalter (Schalter 2), der aktiviert wird, wenn die Tür geschlossen ist. Das Wahlprogramm startet erst, wenn beide Schalter (Schalter 1 UND Schalter 2) geschlossen sind. (a) Skizziere den Schalterplan einer solchen Waschmaschinen-Schaltung. (b) Fülle die folgende logische Tabelle aus Hauptschalter (Schalter 1) Türschalter (Schalter 2) Waschmaschine läuft offen (logisch 0) nein offen (logisch 0) geschlossen (logisch 1) geschlossen logisch (1) (c) Eine UND-Schaltung findet auch bei Heckenscheren Anwendung. Erkläre.