Selbstlerneinheit Elektrizitätslehre

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1 Selbstlerneinheit Elektrizitätslehre Beim Experimentieren zum Thema Elektrizität und Strom werden wir häufig Geräte aus der Sammlung benutzen. Damit andere Schülergruppen genauso wie du Spaß am Experimentieren haben können, sollen ein paar Regeln beachtet werden: Lies immer zuerst die Anleitung zum Experiment durch und hole erst dann die benötigten Gegenstände zum Experimentieren Manche Geräte bekommst du von deiner Lehrkraft. Lege die Geräte nach dem Experimentieren in die dafür vorgesehenen Kästen und Behälter zurück. Die Kabel hängen im Unterrichtsraum an der Wand. Sie werden nach dem Unterricht ordentlich wieder aufgehängt. Die Experimentierkästen sollen immer als ganze Kästen aus dem Schrank im Sammlungsraum genommen und dorthin zurückgestellt werden. Glühlämpchen gehören in die Extra-Kästen und sollen nicht in den Fassungen bleiben. Wenn etwas kaputt ist, sag der Lehrkraft Bescheid, damit Ersatz besorgt werden kann. Du wirst in dieser Einheit lernen, woraus ein Stromkreis besteht und wie man ihn einfach in Schaltplänen zeichnet. was der Unterschied zwischen einer Reihen- und Parallelschaltung ist und wie man die beiden Schaltungen jeweils sinnvoll einsetzt. ACHTUNG!! Experimentieren mit Strom kann gefährlich sein! Führe nie Experimente an der Steckdose durch! Es besteht Lebensgefahr! Beschädigte Kabel nicht benutzen und stromführende Kabel nicht berühren! Wir werden die folgenden Versuche mit Batterien oder Stromquellen durchführen, die ungefährlich sind, auch wenn du die Pole berühren solltest. Die Aufgaben bestehen aus Versuchen und aus Übungen, die schriftlich erledigt werden sollen. Diese Selbstlerneinheit soll am Ende abgegeben werden. Bitte arbeite sehr sorgfältig! Seite 1 von 12

2 1. EINFACHE STROMKREISE Versuch 1.1. Für dieses Experiment benötigst du eine Batterie, eine kleine Glühlampe und ein Kabel. Aufgaben: (a) Ordne die drei Bauteile so an, dass die Glühlampe leuchtet. (b) Zeichne die genaue Anordnung der drei Bauteile hier ein: (c) Verändere die Anordnung, z.b. die Reihenfolge. Finde so vier verschiedene Anordnungen, wie die Lampe zum Leuchten gebracht werden kann. Du musst diese nicht alle aufzeichnen. Übung 1.2. Formuliere Gemeinsamkeiten der Fälle, wenn die Glühlampe leuchtet. Schreibe eine Regel auf, die so beginnt: Die Glühlampe leuchtet, wenn. Die Abbildung hilft dir vielleicht bei der Formulierung. Gewinde Fußkontakt Übung 1.3. Warum nennt man eine Anordnung aus Batterie, Kabel und Glühlampe Stromkreis? Seite 2 von 12

3 Übung 1.4. Um einen Stromkreis aufzubauen, brauchst du eine elektrische Energiequelle oder wie sie umgangssprachlich bezeichnet wird, eine Stromquelle. Benenne folgende Stromquellen: Übung 1.5. (a) Nenne vier Beispiele für Geräte, die elektrischen Strom zum Betrieb benötigen, z.b. im Haushalt oder an Fahrzeugen. Man sagt, dass diese Geräte Strom verbrauchen. Wir werden lernen, dass das so nicht stimmt. Sie werden daher aber Verbraucher genannt. (b) Nicht jedes elektrische Gerät passt zu jeder Stromquelle. Überlege, welche Stromquelle zu folgenden Verbrauchern passt: Fahrradbeleuchtung Digitaluhr Computer Telefon MP-3 Player Taschenrechner Seite 3 von 12

4 Übung 1.6. (Hausaufgabe) Informiere dich (z.b. im Internet) über den Unterschied zwischen elektrischen Leitern und Nichtleitern (Isolatoren). Nenne jeweils 5 Beispiele. 2. DARSTELLUNG VON STROMKREISEN Elektrische Geräte werden mit Schaltzeichen dargestellt, damit man eine einheitliche und übersichtliche Darstellung von Schaltungen erhält, die jeder verstehen kann. Übung 2.1. Schaltzeichen wurden für die elektrischen Bauteile vereinbart. Überlege dir mithilfe der Sammlung von Schaltzeichen, welches Schaltzeichen welchem Bauteil entspricht. Skizziere anschließend das Schaltzeichen nochmal sauber in die Tabelle und gib ein Anwendungsbeispiel an. Bezeichnung Schaltzeichen Anwendungsbeispiel Batterie Leitung Abzweigung einer Leitung Glühlampe Einfacher Schalter Seite 4 von 12

5 Die Leitungen werden immer durch gerade Striche dargestellt und werden rechtwinklig verbunden. Ein einfacher Stromkreis sieht mit Schaltzeichen als Schaltplan so aus: Info 2.2. Was haben Wasserkreislauf und Stromkreis gemeinsam? Eine Modellvorstellung Wasserrad Wasserpumpe Nun hast du schon mehrfach einen einfachen Stromkreis aufgebaut. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, leuchtet das Lämpchen. Das Verhalten des elektrischen Stromes im Stromkreis lässt sich mit einem Wasserkreislauf vergleichen, in dem sich die Wasserteilchen immer in einem geschlossenen Kreis bewegen. An der Kurbel musst du drehen und so das Wasser in Bewegung versetzen. Der Strom wird auch durch die Bewegung von Teilchen erzeugt. Wir nennen sie Elektronen, die eine elektrische Ladung tragen. Daher der Name elektrischer Strom. Aufgabe : Welches Gerät im Stromkreis entspricht der Wasserpumpe und welches Gerät dem Wasserrad? Übung 2.3. Fahrradbeleuchtung (a) Zeichne die Kabel farbig ein, so dass der Scheinwerfer und die Schlussleuchte leuchten. Kennzeichne den geschlossenen Stromkreis mit einer anderen Farbe. (b) Skizziere den Schaltplan der Lichtanlage. Seite 5 von 12

6 3. VERSCHIEDENE SCHALTUNGEN Versuch 3.1. Kurzschluss Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit den Bauteilen, zwei Kabel und ein Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle (Würfel). Aufgaben: (a) Baue einen Stromkreis mit einer Glühlampe ohne Schalter auf. Schließe die Kabel an dem roten (Plus) und dem blauen (Minus) Pol der Stromquelle an. Stelle die Spannung passend zur Angabe auf deinem Lämpchen ein. Stelle einen Schalter auf 0 (offen) und stecke ihn seitlich neben die Glühlampe, d.h. parallel zu ihm auf das Steckbrett. Dann benutze zwei Verbindungsstecker, um die beiden Anschlüsse der Glühlampe mit denen des Schalters zu verbinden. Die Schaltung muss dann von oben gesehen so aussehen: Betätige den Schalter nur ganz kurz und lass ihn nicht geschlossen!!!!!! Beobachte das Verhalten der Glühlampe, wenn der Schalter offen und wenn der Schalter geschlossen ist. Du hast gerade gesehen, dass die Glühlampe nicht leuchtet, wenn ein Draht und ein Schalter sie überbrücken, auch wenn sie ein Teil eines geschlossenen Stromkreises ist. Der Schalter macht einen Kurzschluss. Er verbindet direkt die beiden Pole der Spannungsquelle ohne einen Verbraucher. Da dann ein sehr großer Strom fließt, musst du vielleicht die Sicherung deiner Stromquelle wieder einschalten. (b) Zeichne einen Schaltplan der Schaltung zweimal auf und zeichne ein, wie der Strom in dieser Schaltung durch die Lampe bei offenem Schalter und durch den Schalter bei geschlossenem Schalter fließt. Seite 6 von 12

7 Versuch 3.2. Reihenschaltung Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit den Bauteilen sowie zwei gleiche Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle. Aufgaben: (a) Baue einen Stromkreis mit einer Glühlampe auf und beobachte die Helligkeit der Glühlampe. Stelle die Spannung an der Quelle so ein, dass das Glühlämpchen hell leuchtet. (b) Schalte dann noch eine zweite Glühlampe in Reihe dazu, wie im Schaltbild abgebildet. Wenn zwei Glühlampen hintereinander in einem Kreis geschaltet sind, sagt man auch, dass sie in Reihe geschaltet sind. (c) Vergleiche die Helligkeit der beiden Glühlampen mit der Helligkeit einer (einzigen) Glühlampe im Stromkreis. Beantworte: Wie unterscheidet sich die Stärke des elektrischen Stromes durch eine Glühlampe in einem Stromkreis mit nur einer Lampe von dem Strom durch dieselbe Lampe, wenn du noch eine zweite in Reihe schaltest (die Helligkeit einer Glühlampe ist für uns ein Maß für die Stärke des Stromes)? Versuch 3.3. 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: I I 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. Seite 7 von 12

8 Wie zuvor, 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? I I I (b) Baue ein weiteres Glühlämpchen in den Stromkreis ein (Reihenschaltung). Miss wiederum die Stromstärke an verschiedenen Stellen des Stromkreises. I I Formuliere einen Satz für die Stromstärke bei einer Reihenschaltung: I Übung 3.4. Lies das folgende Gespräch zweier Schüler (S1, S2): S1: In 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. Seite 8 von 12

9 Versuch 3.5. Parallelschaltung Nun werden wir eine andere Art kennenlernen, Lampen in einem Stromkreis zu schalten. Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit den Bauteilen, zwei Kabel und zwei gleiche Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle. Aufgaben: (a) Baue einen Stromkreis mit einer Glühlampe auf und beobachte deren Helligkeit. (b) Füge dann noch eine zweite Glühlampe hinzu, wie auf dem Schaltplan dargestellt. Zwei so geschaltete Glühlampen bezeichnet man als parallel geschaltet. Beantworte: Wie unterscheidet sich der elektrische Strom durch eine Glühlampe in einem Stromkreis mit nur einer Lampe von dem Strom durch dieselbe Lampe, wenn du noch eine zweite parallel schaltest? Versuch 3.6. Strommessung bei der Parallelschaltung (Materialien wie bei Versuch 3.5.) Aufgaben: (a) Miss nun die Stromstärken in den einzelnen Zweigen entsprechend der Abbildung. I 1 I 2 I 4 Notiere Deine Messwerte (Einheiten nicht vergessen!): I1 = I2 = I3 = I 3 Seite 9 von 12

10 Formuliere einen Zusammenhang zwischen I 1, I 2 und I 3 für die Parallelschaltung: Welche Stromstärke erwartest Du für I 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) Ist der Strom, der von der elektrischen Energiequelle geliefert wird, immer gleich groß oder hängt er von der Anzahl der Glühlampen ab? Erläutere deine Antwort. Seite 10 von 12

11 (d) Baue nun diesen Stromkreis mit 4 Lämpchen auf. Miss die Stromstärken in den einzelnen Zweigen entsprechend der Abbildung. Notiere Deine Messwerte: I1 = I2 = I3 = I4 = I5 = Erkläre die Messwerte. Übung 3.7. Lies das folgende Gespräch zweier SchülerInnen: Schüler 1: Der Strom durch die Batterie oder elektrische Energiequelle ist in jedem Stromkreis der gleiche. Im 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. Seite 11 von 12

12 4. ANWENDUNGEN VON SCHALTUNGEN Übung 4.1. Die sichere Waschmaschine (UND-Schaltung) Eine Waschmaschine enthält neben einem Ein-Aus-Schalter noch einen Schalter in der Bedienungstür. Das eingestellte Waschprogramm darf erst starten, wenn beide Schalter geschlossen sind. (a) Überlege dir wie die Schaltung für die Waschmaschine aussehen könnte, bei der das Wasser nur einfließen darf, wenn die Bedienungstür geschlossen ist und der Ein-Schalter betätigt wurde. (b) Entwirf einen Schaltplan und beschreibe die Fälle, in denen kein Wasser in die Maschine laufen darf. Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit den Bauteilen, zwei Kabel und ein Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle. (c) Baue die Schaltung auf und überprüfe sie. Anstelle der Waschmaschine nimmst du eine Glühlampe. (d) Zeichne den Schaltplan. Wie sind die Schalter geschaltet? Übung 4.2. Die elektrische Klingelanlage (ODER-Schaltung) In einem Mehrfamilienhaus gibt es für jede Wohnung eine Klingelanlage, die sowohl an der Haustür als auch an der Wohnungstür betätigt werden kann. Recker (a) Überlege dir wie die Schaltung für die einer Klingelanlage für eine Wohnung aussehen könnte, bei der man an der Haustür oder an der Wohnungstür klingeln kann. (b) Entwirf einen Schaltplan und beschreibe die Fälle, in denen die Klingel läutet. Für dieses Experiment benötigst du ein Steckbrett und einen Kasten mit den Bauteilen, zwei Kabel und eine Klingel oder als Ersatz ein Glühlämpchen und eine elektrische Energiequelle. (c) Baue die Schaltung auf und überprüfe sie. (d) Zeichne den Schaltplan. Wie sind die Schalter geschaltet? Seite 12 von 12