Neue Medien. IGS List

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1 Neue Medien

2 Neue Medien 1 Inhaltsverzeichnis Neue Medien...2 Checkliste...3 Elektrizität Größen messen und berechnen...4 Elektrizität Größen berechnen...5 Widerstände aus Metallen I...6 Widerstände aus Metallen II...7 Bestimmung der Widerstandswerte...8 Farbcode-Tabelle der Widerstände...9 Der Spannungsteiler...10 Halbleiter und ihre Leitfähigkeit...11 Eigenschaften eines unbekannten Bauteils I...12 Eigenschaften eines unbekannten Bauteils II...13 Versuche mit Dioden...14 Leuchtdioden (LEDs)...15 Spannung und Stromstärke an der Diode...16 Die Halbleiter-Diode...17 Funktionsweise einer Halbleiterdiode...18 Transistor als Schalter...19 Beispiel für eine Anwendung eines Transistors: Lichtschranke...20 Der Transistor ein Halbleiterbauteil...21 Der Transistor - Schalter und Verstärker...23 Test Yourself...24 Die paradoxe Schaltung...25 Signale speichern mit Kippschaltungen...26 Die Flipflopschaltung...27 Vom Kerbholz zum elektronischen Speicher...29 Lexikon der Computerbegriffe...30 Analog - digital binär...31 Was ist "der ASCII-Code"?...32 Transistoren in elektronischen Schaltungen...33 Der Kondensator...35 Auf- und Entladen eines Kondensators...36 Hörspiel versetzt USA in Panik...37 Der informative Wert der Nachrichten...38 Mediennutzung früher und heute I...39 Mediennutzung früher und heute II...40 Quellen...41 Literatur...41

3 Neue Medien 2 Neue Medien (verändert nach Wikipedia) Der Begriff Neue Medien bezieht sich auf zeitbezogene neue Medientechniken. Geschichtliches: Anfänglich wurde damit das Radio bezeichnet, in den Anfängen des Fernsehens wurde der Begriff dafür gebraucht, und mit dem Aufkommen von Videotext und BTX wurden diese als Neue Medien ausgezeichnet. Seit Mitte der 1990er Jahre ist er für alle elektronischen, digitalen, interaktiven Medien und den Kontext Multimedia und Netzpublikation gebräuchlich. Dietrich Ratzke bezeichnete in seinem 1982 erschienenen Handbuch der Neuen Medien alle Verfahren und Mittel (Medien), die mit Hilfe neuer oder erneuerter Technologien neuartige, also in dieser Art bisher nicht gebräuchliche Formen von Informationserfassung und Informationsbearbeitung, Informationsspeicherung, Informationsübermittlung und Informationsabruf ermöglichen als neue Medien. Der Begriff bezieht sich sowohl auf Kommunikation im Allgemeinen, wie auch die Ausdrucksmittel der zeitgenössischen Kunst (Medienkunst) und anderes Kulturschaffen. Heutige Neue Medien Heutzutage werden als Neue Medien meistens Medien bezeichnet, die Daten in digitaler Form übermitteln, speichern oder auf Daten in digitaler Form zugreifen, also z. B. , World Wide Web, DVD, Blu-ray, CD-ROM, MP3, usw. Im engeren Sinne sind Dienste gemeint, die über das Internet möglich sind. Als Kennzeichen der Neuen Medien lassen sich die rechnergestützte Handhabung, das digitale Vorliegen der Daten sowie die Interaktivität beim Umgang mit diesen Daten festhalten. Erst die Digitalisierung von Informationen, Ton, Bild, Bewegtbild, usw. und die schnelle Weiterentwicklung der Kompressionsverfahren ermöglichten die Bewältigung der enorm großen Datenmengen, wodurch der Übergang von der Dienstleistungsgesellschaft in die Informationsgesellschaft eingeleitet wurde. Manchmal wird auch der Begriff Multimedia durch den der Neuen Medien ersetzt, da durch die Digitalisierung die Integration von allen möglichen Kommunikationswegen wie Sprache und Text, Video und Audio, Telekommunikation, Unterhaltungselektronik und Computertechnik geschehen kann. Dieses Zusammenwachsen ist kennzeichnend für die Angebote der neuen Informations- und Medienwelt. Literatur: Klaus Arnold, Christoph Neuberger: Alte Medien neue Medien. Theorieperspektiven, Medienprofile, Einsatzfelder. VS, Wiesbaden 2005, ISBN Karin Bruns und Ramón Reichert (Hrsg.): Reader Neue Medien. Texte zur digitalen Kultur und Kommunikation. Transcript, Bielefeld 2007, ISBN Aufgaben: 1) Formuliere eine Definition für das heutige Verständnis von Neuen Medien. 2) Liste die wichtigsten Kennzeichen auf, die Neue Medien gemeinsam haben.

4 Neue Medien 3 Checkliste Im Laufe dieser Unterrichtseinheit sollst du verschiedene Dinge erlernen und beherrschen. Du solltest: - die Begriffe aus dem Fachwortlexikon erklären können. - die Kennzeichen Neuer Medien nennen können. - wissen, wie sich der Widerstand von Metallen beim Erwärmen verändert und die Veränderung erklären können. - wissen, wie ein Spannungsteiler funktioniert und mit welcher Formel man einzelne Werte daraus berechnen kann. - die Bauteile: NTC, LDR, Diode, LED, Transistor und Kondensator als Schaltzeichen kennen und ihre besonderen Merkmale und Einsatzmöglichkeiten nennen können. - wissen, welche elektronischen Bauteile Halbleiter sind und Beispiele für ihre Anwendung nennen können. - die Zusammenhänge zwischen dem Aufbau von Halbleitern und den Veränderungen in ihrer Leitfähigkeit erklären können. - die Funktionsweise einer Diode beschreiben können. - wissen, an welcher Stelle in einer Transistorschaltung ein Sensor eingebaut werden muss, um den gewünschten Effekt erzielen zu können. - den Aufbau von Halbleitern beschreiben und erklären können. - mit dem Ohmschen Gesetz rechnen können. - mit der Formel für einen Spannungsteiler beliebige Werte ausrechnen können. - ein vollständiges Versuchsprotokoll erstellen können. - einen Versuchsaufbau als Schaltskizze darstellen können. - aus einer Schaltskizze ableiten können, ob der Stromkreis geschlossen ist und wie der Strom fließt. - einen Versuch begründet planen können.

5 Neue Medien 4 Elektrizität Größen messen und berechnen Größe Einheit Definition Name Abk. Name Abk. Ladung Q Coulomb C Strom(stärke) Spannung Widerstand elektr. Leistung elektr. Energie I=Q/t Ein Voltmeter (Spannungsmesser) schaltet man immer. Ein Amperemeter (Strommesser) schaltet man immer. Rechendreiecke für das Ohmsche Gesetz und die elektrische Leistung Schreibe darunter die jeweils drei möglichen Gleichungen. U R I P U I

6 Neue Medien 5 Elektrizität Größen berechnen 1. Ein Glühlampe wird an einer 9 V-Batterie betrieben. Es fließt ein Strom von 0,5 A. Wie groß ist der Widerstand der Lampe; wie groß die umgesetzte Leistung? 2. Ein Widerstand (2 kω) ist an den Gleichspannungsausgang eines unserer grauen Netzgeräte angeschlossen. Der Regler wird voll aufgedreht. Wie groß ist dann die Spannung? Wie groß wird der fließende Strom sein und welche Leistung wird umgesetzt? 3. Durch einen 500 Ω-Widerstand fließen 0,3 A. An welcher Spannung wird er betrieben? 4. Mein Staubsauger hat 1400 W. Welche Größe ist damit angegeben? Welchen Strom zieht dieser Staubsauger? Wie groß ist sein Widerstand? 5. Wie groß ist der Widerstand einer in deiner Schreibtischlampe eingesetzten 60 Watt-Glühlampe? 6. Für die Waschmaschine gibt es im Sicherungskasten meistens eine eigene 16 A-Sicherung. Was heißt das? Bei welcher Leistung würde die Sicherung auslösen ( rausfliegen )? Welchen Widerstand hat die Waschmaschine in diesem Betriebszustand? Müsste der Widerstand größer oder kleiner sein, damit die Sicherung nicht auslöst?

7 Neue Medien 6 Widerstände aus Metallen I Versuchsaufbau I: Baue einen Stromkreis nach der vorliegenden Schaltskizze auf. Bevor der Strom angeschaltet wird musst du genau überprüfen, ob die Messgeräte als Strom- bzw. Spannungsmessgeräte in der richtigen Position geschaltet sind. Nun führe nacheinander im gleichen Versuchsaufbau drei Messungen durch: U gesamt 1. Die Spannungsquelle wird so weit herunter gedreht, bis die Glühlampe nicht mehr leuchtet. Dann werden die Werte für Strom und Spannung gemessen. Der Widerstand der Glühlampe wird berechnet. 2. Nun wird die Spannung erhöht, bis die Glühlampe gerade erkennbar glimmt. Bitte ebenfalls messen und rechnen. 3. Die Spannung wird auf 12 V erhöht und eine dritte Messung und Berechnung durchgeführt. Beobachtung I(Messungen und Berechnungen): Ergebnis I:

8 Neue Medien 7 Widerstände aus Metallen II Bevor der Strom angeschaltet wird musst du genau überprüfen, ob die Messgeräte als Strom- bzw. Spannungsmessgeräte in der richtigen Position geschaltet sind. U gesamt Versuchsaufbau II: 1. Statt der Glühlampe verwenden wir nun zwei Tonnenfüße mit einem eingespannten Eisendraht (Ø 0,3 mm). Der 0,3 mm starke Eisendraht wird zuvor auf einem Stift zu einer Wendel gedreht, sodass der Draht eine ähnliche Form annimmt wie in der Glühlampe. 2. Spannung und Stromstärke werden gemessen und der Widerstandswert des Eisendrahtes berechnet. 3. Nun wird bei einer zweiten Messung der Draht von außen mit einem Bunsenbrenner erwärmt. Ändert sich der Widerstandswert? Ergebnis II: Gesamtergebnis I + II:

9 Neue Medien 8 Bestimmung der Widerstandswerte Information: Den Wert unbekannter Widerstände kann man ermitteln. Man kann ihn entweder anhand des aufgedruckten Farbcodes errechnen oder mit Hilfe spezieller Messgeräte bestimmen. Widerstandsbestimmung mit der Widerstandsfarbcode-Tabelle 1. Bevor man mit der Widerstandsbestimmung anfängt, muss man zählen, wie viele Farbringe auf dem Widerstand aufgebracht sind. Kohleschichtwiderstände haben üblicherweise 4 Ringe. Metallschichtwiderstände haben 5 Ringe. 2. Zum Berechnen des Widerstandswertes muss man feststellen, welcher Ring der erste ist. Üblicherweise versucht man dazu herauszufinden, welcher Ring der letzte Ring ist. Der letzte Ring ist der Toleranzring, der angibt, wie viel Prozent der bestimmte Widerstandswert vom tatsächlichen Widerstandswert abweichen darf. Meistens hat dieser Toleranzring die Farbe Gold. Wenn es diese Farbe nicht gibt, dann muss man auf die beiden äußeren Ringe achten. In der Regel hat einer einen größeren Abstand zum Körperende, dieser ist dann der letzte Ring. 3. Dann beginnt man von vorne an den Widerstandswert zusammenzusetzen. Die Farben haben bestimmte Werte. Der erste und der zweite Ring bestimmen den Widerstandszähler (die Zehner und die Einer). Der dritte Ring dient als Multiplikator. Alle drei Zahlen zusammen bestimmen wie hoch der Widerstandswert ist. 4. Der vierte Ring ist der Toleranzring, der die Abweichung des Widerstandswerts bestimmt. Aufgaben: 1. Bestimme die Widerstandswerte von mindestens drei Widerständen mithilfe der folgenden Tabelle. 2. Bestimme den Widerstandswert aller Widerstände auch durch Messung. 3. Vergleiche deine Ergebnisse.

10 Neue Medien 9 Farbcode-Tabelle der Widerstände Widerstandsbestimmung (4 Ringe) bei Kohleschichtwiderständen Ringfarbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring (Multiplikator) schwarz braun % rot % orange gelb grün ,5 % 4. Ring (Toleranz) blau ,25 % violett ,1 % grau weiß gold - - 0,1 5 % silber - - 0,01 10 % Widerstandsbestimmung (5 Ringe) bei Metallschichtwiderständen Ringfarbe schwar z 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring (Multiplikator) braun % rot % orange gelb Ring (Toleranz) grün ,5 % blau ,25 % violett ,1 % grau weiß gold ,1 5 % silber ,01 10 %

11 Neue Medien 10 Der Spannungsteiler Aufgabe: Fertige ein vollständiges Versuchsprotokoll an. Beachte dabei folgende Schritte. a) Suche dir unter den Materialien zwei beschriftete Widerstände aus. Trage die Werte der Widerstände in die Schaltskizze und in die Tabelle ein. Berechne den Quotienten aus R 1 und R 2. b) Baue den Versuch gemäß Schaltskizze auf. Bestimme bei unterschiedlichen Gesamtspannungen (U G ) die an den Widerständen abfallenden Teilspannungen U 1 und U 2. Berechne jeweils den Quotienten aus U 1 und U 2. Material: Skizze: Beobachtungen: R 1 R 2 R 1 R 2 U G U 1 U 2 U 1 U 2 Ergebnis:

12 Neue Medien 11 Halbleiter und ihre Leitfähigkeit 1. undotierte Halbleiter: 1a) Beschreibe den Aufbau eines Halbleiters. Schreibe das Elementsymbol in den Atomkern. 1b) Erkläre, warum Halbleiter bei Raumtemperatur kaum, bei Erwärmung oder Belichtung aber deutlich besser leiten. (Vergleiche: Prisma Physik 7-10, S. 364f) 2. dotierte Halbleiter: n-dotierter Halbleiter: p-dotierte Halbleiter. 2a) Beschreibe die Begriffe n-dotiert und p-dotiert. Schreibe die Symbole der Elemente, die zur jeweiligen Dotierung eingesetzt werden, in den entsprechenden Atomkern. 2b) Erkläre, warum die jeweilige Dotierung die Leitung verbessert. (Vergleiche: Prisma Physik 7-10, S. 366f)

13 Neue Medien 12 Eigenschaften eines unbekannten Bauteils I Aufgabe 1: a. Baue mit dem unbekannten Bauteil den folgenden Versuch auf. b. Die Versuchsbedingungen werden wie folgt variiert: I. Vertausche die Polung der Gleichspannungsquelle. II. Betreibe die Schaltung mit Wechselspannung. c. Beschreibe, welches Verhalten dieses Bauteil besitzt und wozu es verwendet werden könnte. Beschreibung: Aufgabe 2: a. Baue die folgende Versuchsanordnung auf. b. Bau danach das unbekannte Bauteil andersherum (drehe das Bauteil) in den Versuchsaufbau ein. c. Was stellst du fest, beschreibe. Beschreibung:

14 Neue Medien 13 Eigenschaften eines unbekannten Bauteils II Aufgabe 3: a. Bearbeite im Physikbuch Prisma Physik 7-10 die Seite 371. b. Formuliere einen Merksatz über die Funktion von Dioden (Beziehe bei der Formulierung des Merksatzes die Abbildung in deine Überlegungen mit ein). Quelle: Querschnitt Physik 9/10, S.173, Westermann, 1995

15 Neue Medien 14 Versuche mit Dioden Baue die Schaltung wie in der Schaltskizze beschrieben auf. Notiere bei allen Versuchen deine Beobachtungen schriftlich und erkläre diese an Hand einer Skizze. Versuch A: Versuch B: Notiere deine Vermutungen, bevor du den Versuch durchführst Versuch C: Führe den Versuch durch und vertausche danach die Pole. Notiere deine Beobachtungen. R = 500 Ω...1 kω Versuch D: Notiere deine Vermutungen, bevor du den Versuch durchführst. Vertausche auch hier nach Durchführung des Versuchs die Pole und notiere deine Beobachtungen.

16 Neue Medien 15 Leuchtdioden (LEDs) Leuchtdioden benötigen zur Strombegrenzung einen Schutzwiderstand, da sie sonst durchbrennen. Bei der Ermittlung des richtigen Schutzwiderstandes R S wird folgende Formel angewendet. Dabei ist U B die Spannung der Stromquelle, U max der Durchlassspannung der LED und I max der maximale Durchlassstrom der LED. R S U = N U I m ax max Für die am häufigsten eingesetzten roten LEDs gelten folgende Kenndaten: Durchlassspannung: 1,6 V maximaler Durchlassstrom: 20 ma Aufgaben: 1. Welchen Schutzwiderstand benötigst du, bei einer Netzteilspannung U N von 12 V. Berechne den Widerstandswert R S mit der angegeben Formel. R S = 2. Welche Farbringe muss der Schutzwiderstand R S aufweisen (Farbcode-Tabelle der Widerstände s.s.9). Material: Netzgerät (12 V), 2 Kabel mit Krokodilklemmen, Lüsterklemme (3 Steckplätze), rote LED, 1. Schutzwiderstand 180 Ω, 2. Schutzwiderstand. Aufgaben: 1. Baue zur Untersuchung der LED eine Schaltung nach der Abbildung auf. Die Spannung wird auf ca. 4 V eingestellt. Pole mehrmals um! Was beobachtest du? Notiere. 2. Erprobe die Schaltung bei einer Gleichspannung bis zu 12 V. Erkläre, wie du mit dieser Schaltung eindeutig den Plus- und den Minuspol einer Gleichspannung bestimmen kannst. Notizen: Literatur: Querschnitt Physik 9/10, Westermann (1995), S

17 Neue Medien 16 Spannung und Stromstärke an der Diode Aufgabe: Schaltet eine Diode in Durchlassrichtung mit einem Schutzwiderstand (100 Ω) in Reihe. Baut zwei Messgeräte so in die Schaltung, dass ihr die Spannung und die Stromstärke an der Diode messen könnt. Skizze: Tabelle: Fertigt folgende Messtabelle an: U [V] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,7 I Diagramm: Stellt eure Messwerte anschließend in einem U-I-Diagramm graphisch dar.

18 Neue Medien 17 Die Halbleiter-Diode Quelle:

19 Neue Medien 18 Funktionsweise einer Halbleiterdiode Halbleiterdioden sind sehr einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial. Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die Diode eine Spannung derart gepolt an, dass das n-dotierte Material mit dem positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, dass sich ähnlich wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen sich daher ab. Verbindet man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung in Richtung dieses Pols. Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch gibt es in der Mitte der Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher. Ohne frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluss. Somit kann in diese Richtung kein Strom fließen. Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition springen und dieses ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt, wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der n- dotierten Seite besetzt werden. Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der sogenannten Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte Material nach fließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt. Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit einem Loch. Zusammenfassung Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig von der Polung einer externen Spannungsquelle entweder ein Stromfluss statt oder der Stromfluss wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung. Quelle:

20 Neue Medien 19 Transistor als Schalter Versuchsziel: Nachweis, dass ein Transistor als Schalter dienen kann. Material: Steckbrett mit Transistor Typ 142, Glühlampe mit Fassung, 10 k Ohm-Widerstand, Spannungsquelle, Kabel Skizze/Foto: Versuchsdurchführung: An die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors und ein in Reihe geschaltetes Lämpchen wird - wie in der Schaltskizze und dem Foto deutlich - eine Gleichspannung angelegt. Der Basisanschluss des Transistors wird über einen 10k Ohm-Widerstand (Schutzwiderstand) einmal mit dem Minuspol und einmal mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Beobachtung: Erklärung:

21 Neue Medien Beispiel für eine Anwendung eines Transistors: Lichtschranke Material: Steckbrett mit Transistor Typ 142, Glühlampe mit Fassung, 10k Ohm-Regelwiderstand, LDR, Spannungsquelle, Kabel Skizze/Foto: Versuchsdurchführung: Der 10k Ohm-Regelwiderstand (Potentiometer) wird so eingestellt, dass die Lampe gerade nicht leuchtet. Nun beleuchtet man den LDR. Beobachtung: Erklärung: 20

22 Neue Medien 21 Der Transistor ein Halbleiterbauteil Wie die Diode ist auch der Transistor ein Halbleiterbauteil. Transistoren bestehen aus drei Schichten von n- und p-dotierten Halbleitermaterialien, die Kollektor (C), Emitter (E) und Basis (B) genannt werden. Beim npn-transistor bestehen die Kollektor- und Emitterschicht aus n-dotierten Halbleitern und die Basisschicht aus einem p-dotierten Halbleiter. B C n-dotiert p-dotiert n-dotiert E 1)Überlege dir was an den pn-übergängen geschieht, wenn keine äußere Spannung angelegt wird? Beschrifte dazu Bild 1. Wenn der Kollektor an dem Pluspol und der Emitter an dem Minuspol einer Stromquelle angeschlossen sind, fließt kein Strom. 2)Wie lässt sich dies erklären? Was geschieht im Inneren des Transistors? Beschrifte Bild 2. Erst wenn auch die Basis mit an den Pluspol der Stromquelle angeschlossen wird und die Spannung zwischen Basis und Emitter U BE größer als 0,6 V ist, fließt auch Strom über den Kollektor und Emitter. Dieser Stromkreis wird Arbeitsstromkreis genannt. In ihm können Verbraucher eingebaut werden. Die Erklärung im Einzelnen: (siehe nächste Seite) Bild 1 Bild 2

23 Neue Medien 22 Über den Emitter gelangen Elektronen in den Transistor. Ein kleiner Teil dieser Elektronen fließt über die Basis wieder ab. Dies führt zu einem geringen Stromfluss, der entstehende Stromkreis wird Steuerstromkreis genannt. Der Großteil der Elektronen fließt allerdings nicht über den Basisanschluss ab. Da die Basisschicht sehr klein ist und sich die Elektronen in der Emitterschicht vom Minuspol weg bewegen, gelangen die meisten Elektronen über die Basisschicht hinaus in die Kollektorschicht. Hier werden sie vom Pluspol angezogen, so dass auch durch den Arbeitsstromkreis ein Strom fließt (Bild 3). Der Transistor schaltet durch. 3) Zeichne in Bild 3 den Arbeits- und den Steuerstromkreis ein und beschrifte entsprechend. Bild 3

24 Neue Medien 23 Der Transistor - Schalter und Verstärker Der Transistor wurde Ende 1947 in Amerika erfunden. Schon zwei Jahrzehnte später steckte dieses Bauteil in praktisch jedem Fernseher, Radio und Computer. Ein Transistor wird stets in zwei Stromkreise eingebaut: in den Steuerstromkreis und in den Arbeitsstromkreis (Bild 1). Das ist genauso wie bei einem Relais. Beim Transistor muss man jedoch - im Gegensatz zum Relais - auf die richtige Polung der Anschlüsse achten. Steuer- und Arbeitsstromkreis sind nicht völlig voneinander getrennt: Die Stromkreise haben oft nur eine Stromquelle, und durch den Emitteranschluss und einen Teil des Transistorinnern fließen die Ströme für beide Stromkreise. Transistoren werden für zwei verschiedene Aufgaben eingesetzt: als Schalter (wie ein Relais) und als Verstärker. Ihre Arbeitsweise hängt vor allem von der Spannung U BE zwischen Basis und Emitter ab. Fall 1: Zwischen Basis und Emitter herrscht keine oder eine Spannung unter 0.6V. In diesem Fall fließt kein oder nur ein sehr kleiner Steuerstrom. Der Transistor sperrt; er wirkt im Arbeitsstromkreis wie ein geöffneter Schalter. Ohne genügend Strom im Steuerstromkreis fließt auch kein Strom im Arbeitsstromkreis. Fall 2: Die Spannung U BE erreicht 0,7 V. Der Fachmann bezeichnet diesen Wert als Schwellenspannung. Jetzt fließt ein Steuerstrom (auch Basisstrom I B genannt). Seine Stärke reicht aus, um den Strom im Arbeitsstromkreis einzuschalten. Man sagt, der Transistor steuert durch. Wird dann die Spannung U BE und damit auch der Steuerstrom etwas vergrößert, so steigt der Arbeitsstrom stark an. Man sagt, der Transistor wirkt in Fall 2 als Verstärker: Kleine Änderungen des Steuerstromes bewirken große Änderungen des Arbeitsstromes. "Verstärken" bedeutet aber nicht, dass der Transistor aus wenig elektrischer Energie viel Energie macht. Die Energie für den großen Strom stammt immer aus der Energiequelle des Arbeitsstromkreises, nie aus dem Transistor selbst. Fall 3: Die Spannung U BE wird noch weiter erhöht (ca. 0,7 bis 0,9 V). Der Steuerstrom wird immer größer. (Er kann den Transistor sogar zerstören.) Der Strom im Arbeitsstromkreis ändert sich aber nicht mehr. Der Transistor leitet; er "steuert völlig durch". In Fall 3 hat der Transistor die gleiche Wirkung wie ein geschlossener Schalter: Der Arbeitsstrom wird nur durch die Glühlampe (oder einen anderen Widerstand im Arbeitsstromkreis) begrenzt. Der Widerstand des Transistors ist sehr klein.

25 Neue Medien 24 Test Yourself 1) Nenne die drei wichtigsten Kennzeichen Neuer Medien. (3) 2) Erkläre die Begriffe: Kaltleiter, NTC, LDR. (6) 3) Erkläre, warum Metalle bei zunehmender Temperatur schlechter leiten. (3) 4) Zeichne eine Schaltskizze aus einer Spannungsquelle, zwei in Reihe geschalteten Widerständen und zwei Spannungsmessgeräten, die so eingebaut werden sollen, dass an beiden Widerständen die anliegende Spannung bestimmt werden kann. (4) Die eingesetzte Gesamtspannung beträgt 14 V, U1 = 5V, R2 = 470 Ohm. Berechne U2 und R1! (6) 5) Ein Spannungsteiler soll so aufgebaut werden, dass sich die Gesamtspannung von 24 V auf die Teilspannungen U1= 14V und U2=10V aufteilt. Welche Widerstände müssen benutzt werden? (4) 6) Nenne Bauteile, die aus Halbleitern aufgebaut sind. (3) 7) Erkläre wie Halbleiter aufgebaut sind und erläutere die Begriffe p-dotiert und n-dotiert. (6) 8) Beschreibe den Aufbau und nenne die Einsatzmöglichkeiten von Dioden, Transistoren und Kondensatoren. (10) 9) Ein Widerstand beträgt 450 Ohm. Wie groß ist die Stromstärke bei 12 V? (3) 10) Wie groß muss der Widerstand sein, damit bei 12 V eine Stromstärke von 0,05 A fließt? (3) 11) Zeichne eine Schaltung für folgendes Problem: Wenn es regnet, soll eine Lampe ausgehen. (4) Lösungshinweise: Zu 3) Metalle sind wie folgt aufgebaut: die Metallatome bilden eine feste Netzstruktur. Innerhalb dieses Netzes sind die Elektronen der äußersten Schale frei beweglich. Die Atomrümpfe sind an einen Platz gebunden, können aber auf diesem Platz hin und her schwingen. Je höher die Temperatur, desto stärker schwingen die Atomrümpfe, desto stärker werden die Elektronen in ihrer Bewegung behindert => der Widerstand steigt, die Leitfähigkeit sinkt. Zu 4) In Reihenschaltungen gilt: U1 + U2 = U gesamt U gesamt -U1 = U2 => 14 V 5 V = 9 V; U2 ist 9 Volt In Spannungsteilern gilt: U1/U2 = R1/R2 R1 = U1/U2 *R2 = 5V/9V*470 Ohm => R1 = 261,11 Ohm Zu 5) U1/U2 = R1/R2 14 V/10 V = 1.4 = R1/R2 R1 = 1,4 * R2 Z.B. R1 = 200 Ohm und R2 = 280 Ohm Zu 9) U = R*I; I = U/R = 12V/450 Ohm => I = A Zu 10) U = R*I => R = U/I = 12 V/0,05A = 240 Ohm Zu 11) s. Versuch Transistor als Lichtschranke (s.s.18). Statt LDR ein Widerstand oben. Statt dem Widerstand darunter zwei Drähte als Feuchtigkeitssensor. (gelöste Salze im Wasser bzw. im feuchten Boden leiten den Strom)

26 Neue Medien 25 Die paradoxe Schaltung 1) Zeichne den Stromfluss in jede Abbildung farbig ein. 2) Notiere die Beobachtungen, die man bei dem jeweiligen Versuchsaufbau machen kann.

27 Neue Medien 26 Signale speichern mit Kippschaltungen Alarmschaltungen mit Gedächtnis" lassen sich mit Relais oder Kondensatoren aufbauen. Kondensatoren können aber ihre Ladung verlieren" und Relais sind teuer, laut und nicht Energie sparend. Diese Nachteile lassen sich vermeiden, wenn man Speicherschaltungen mit zwei Transistoren benutzt (Bilder 1-3). Grundlagen: Das Flipflop - Speicher aus zwei Transistoren Erster stabiler Zustand Wenn man in Bild 2 den Taster 2 schließt, sind Basis und Emitter des Transistors T2 direkt miteinander verbunden. Die Spannung UBE beträgt 0 V; durch T2 fließt kein Steuerstrom. Der Transistor T2 sperrt; der Summer ertönt nicht. Der Transistor T1 leitet, weil sein Steuerstromkreis geschlossen ist: Über den Summer, der selbst nicht ertönt, fließt nämlich ein kleiner Strom durch den Widerstand R 1 sowie über Basis und Emitter von T1. Dies ist der Steuerstrom von T1. Der Transistor T1 wirkt wie ein geschlossener Schalter: Die Leuchtdiode leuchtet. Wenn man den Taster 2 wieder loslässt, sperrt der Transistor T2 weiterhin: Seine Basis und sein Emitter sind immer noch über R2 und den leitenden Transistor T1 miteinander verbunden. Durch T2 fließt daher auch jetzt kein Steuerstrom. Die Schaltung befindet sich in einem stabilen Zustand. Al Erkläre den Begriff bistabile Kippschaltung". A2 Welcher der Taster in Bild 2 löst den Alarm aus? Zweiter stabiler Zustand Nun wird der Taster 1 kurz betätigt (Bild 3). Dadurch sind Basis und Emitter des Transistors T1 miteinander verbunden. Die Spannung UBE beträgt 0 V; der Transistor T1 sperrt; die LED geht sofort aus... Was daraus folgt, lässt sich auf die gleiche Weise wie oben beim Transistor T2 erklären. Die Schaltung kippt" in ihren zweiten stabilen Zustand. Bistabile Kippschaltung Die Schaltung heißt bistabile Kippschaltung. Elektroniker haben ihr einen Namen mit mehr Klang gegeben: Flipflop. In diesem Wort hört man geradezu das Umkippen der Schaltung. Eine bistabile Kippschaltung enthält zwei Transistoren und kann speichern: Signal gesetzt", SE 1 oder Signal nicht gesetzt", RESET, 0. Jedes Flipflop im SRAM (static random acceess memory) eines Rechners kann 1 Bit speichern. A4 Warum können bei einem Flipflop niemals beide Transistoren gleichzeitig durchsteuern? Was pas siert, wenn man beide Taster gleichzeitig drückt? A3 Beschreibe, wie das Flipflop (Bild 3) nach Drücken von Taster 1 in den zweiten stabilen Zustand kippt. Quelle: Natur und Technik Physik, 10 9 S.102, Cornelsen 2004

28 Neue Medien 27 Die Flipflopschaltung Transistorschaltungen als Gedächtniszellen" von Computern Aus Umwelt und Technik: Von Flipflops und Computern Bei unseren Alarmschaltungen kamen wir jeweils mit einem einzigen Transistor aus. Als Einbruchmelder haben diese Schaltungen jedoch einen Nachteil: Wenn ein Dieb z. B. eine mit einer Lichtschranke gesicherte Tür öffnet und dabei einen Alarm auslöst, wird er vermutlich die Tür schnell wieder schließen. Auf diese Weise beendet er aber den Alarm. Besser ist also eine Schaltung, auf die der Dieb nach dem Einschalten keinen Einfluss mehr hat oder - wie der Fachmann sagt - die er nicht zurücksetzen kann. Eine solche Schaltung zeigen dir die Bilder 1 u. 2. So funktioniert diese Schaltung: Wenn man in Bild 1 den Taster 2 schließt, sind Basis und Emitter des Transistors T2 direkt miteinander verbunden. Die Spannung UBE beträgt 0 V; durch T2 fließt kein Steuerstrom. Der Transistor T2 sperrt, und der Summer ertönt nicht. Der Transistor T1 dagegen leitet: Da T2 sperrt, liegt die gesamte Spannung der Stromquelle an T2. Über den Summer fließt daher ein kleiner Strom durch den Widerstand R1 sowie über Basis und Emitter von T1. Dies ist der Steuerstrom von T1. Der Transistor T1 wirkt wie ein geschlossener Schalter. Die Leuchtdiode leuchtet. Lässt man den Taster 2 wieder los, so sperrt der Transistor T2 weiterhin: Seine Basis und sein Emitter sind immer noch über R2 und den (leitenden) Transistor T1 miteinander verbunden. Durch T2 fließt daher auch jetzt kein Steuerstrom. Die Schaltung befindet sich in einem stabilen Zustand. Nun wird der Taster 1 kurz betätigt. Die Schaltung kippt" in einen zweiten stabilen Zustand (Bild 2). Er lässt sich auf die gleiche Weise erklären... Eine solche Schaltung heißt bistabile Kippschaltung (lat. Vorsilbe bi-: zwei). Die Elektroniker haben ihr einen Namen mit mehr Klang gegeben: Flipflop. In diesem Wort hört man geradezu das Umkippen" der Schaltung. Flipflops werden keineswegs allein zum Vertreiben von Einbrechern eingesetzt. Vielmehr haben Kippschaltungen eine überragende Bedeutung in der Computertechnik. Das Flipflop stellt nämlich ein Art Gedächtnis" dar: In unserem Beispiel speichert" es, ob man den Taster 1 betätigt hat, ob also das Alarmsignal eingeschaltet oder gesetzt wurde (engl. set). Mit Hilfe von Schalter 2 kann das Signal zurückgesetzt werden (engl. reset). Kippschaltungen sind die kleinsten Gedächtniszellen" von Computern. Sie können speichern: Signal gesetzt (ja oder 1) oder Signal nicht gesetzt (nein oder 0). Eine solche Ja/Nein"-Möglichkeit nennt man 1 Bit.

29 Neue Medien 28 Um eine Ziffer oder einen Buchstaben zu speichern, verwendet man meist acht Speicherzellen. Dabei werden alle gebräuchlichen Zeichen (Buchstaben, Ziffern,...) in der Regel nach dem ASCII-Code (American Standard Code for Information Interchange) verschlüsselt. Der Buchstabe R z. B. wird gespeichert als und die Ziffer 8 als Jeweils 8 Bit nennt man 1 Byte, und 1000 Byte (genaugenommen: 2 10 Byte = 1024 Byte) ergeben 1 Kilobyte. Die ersten Heimcomputer wie in Bild 3 hatten Speicherzellen für 64 Kilobyte. Er konnte also z. B Buchstaben speichern. Dazu waren immerhin mehr als eine halbe Million einzelner Ja/Nein"-Speicherplätze nötig. Nahezu unglaublich ist, auf welch kleinem Raum Zehntausende von Speicherzellen untergebracht werden (Bild 4). Ermöglicht wird diese starke Verkleinerung dadurch, dass nicht mehr einzelne Bauteile zusammengelötet werden. Vielmehr stellt man auf einem einzigen Chip gleich die vollständige Schaltung her einschließlich aller Transistoren, Widerstände und elektrischen Verbindungen. Aufgaben 1 Baue das Flipflop in einem Versuch auf. Überlege dir zuvor, welche Festwiderstände du verwenden willst. 2 Was geschieht, wenn du in der Flipflop-Schaltung auf der Nebenseite den Schalter 1 für kurze Zeit schließt? Beschreibe den Vorgang genau. Bild 2 hilft dir dabei. 3 Warum können beim Flipflop niemals beide Transistoren gleichzeitig durchsteuern (also ihren Arbeitsstrom kreis einschalten)? 4 Mit diesem Streßtester (Bild 5) kannst du feststellen, ob du eine ruhige Hand hast. Die Aufgabe besteht darin, den Ring über den gebogenen Draht zu führen, ohne dass sich beide berühren. Wie funktioniert diese Schaltung? 5 Welcher der Taster in Bild 1 löst den Alarm aus? 6 Erkläre den Begriff bistabile Kippschaltung. 7 Bild 6 zeigt dir eine Gegenüberstellung der Ziffern des Dezimalsystems und der jeweiligen Codierungen für den Computer.Gelingt es dir, den Code zu entschlüsseln"? Ergänze in deinem Heft den fehlenden Teil der Tabelle. Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S , Cornelsen, 1992

30 Neue Medien 29 Vom Kerbholz zum elektronischen Speicher Erlebnisse, Gefühle, Bilder, Symbole, Töne, Texte, Formeln, Zahlen und noch viel mehr können wir im Gedächtnis behalten. Die Speicherfähigkeit unseres Langzeitgedächtnisses ist sehr hoch. Man schätzt, dass die gespeicherten Informationen dem Inhalt von mehr als 1 Million CD- ROMs entsprechen würden (10 15 Bit). Und jeden Tag gelangen neue Informationen in diesen Speicher". Manches geht über kurz oder lang wieder verloren es wird aus unserem Speicher gelöscht". Wir vergessen es einfach. Um dem Vergessen entgegenzuwirken, ersannen die Menschen schon früh andere Speichermöglichkeiten für Informationen. So gab es im Mittelalter z. B. für die Stammgäste in Wirtshäusern einen Holzstab, in den der Wirt für jeden geschuldeten Dukaten eine Kerbe schnitzte. Heute wird die Höhe der Zeche oft mit Strichen auf einem Bierdeckel gespeichert. Als Speicher am meisten verbreitet ist Papier. In Form von Texten und Noten, Formeln und Zahlen, Zeichnungen und Fotos speichert es das Wissen der Menschheit aus den vergangenen Jahrhunderten. Inzwischen gibt es viele neue Speichermedien. Mal stecken die Daten in dünnen Magnetschichten, mal in kleinen Vertiefungen auf Kunststoffscheiben, mal in elektronischen Schaltkreisen (auf Chips im Computer). Einige Speicher kann man nach Belieben selbst löschen. Bei anderen Speichern sind die Daten dagegen fest vorgegeben und können nicht verändert werden; man spricht dann von festen Speichern. Sie dienen z. B. als Speicher für Musik (CDs) oder für Programmsprachen und Rechenregeln im Computer (Chips). Man bezeichnet sie als Nur-Lese-Speicher oder kurz als ROM (engl. read only memory). Aufgaben 1. Bild 2 zeigt einige technische Speicher. Wo werden sie benutzt? In welcher Form sind auf ihnen die Informationen gespeichert? 2. Zähle mehrere Speicher auf deren Daten vom Benutzer nur gelesen, aber nicht verändert werden können. 3. Computer besitzen auch RAM Speicher (engl. random access memory). Informiere dich über deren Eigenschaften. Quelle: Natur und Technik Physik, 10 9 S.94, Cornelsen 2004 Bild 2: Natur und Technik Physik, 10 9 S.280, Cornelsen 2008

31 Neue Medien 30 Lexikon der Computerbegriffe BASIC BASIC ist eine Programmiersprache. Der Name steht für Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code (symbolische Altzweck-Befehlssprache für Anfänger). BASIC wurde in den 60er Jahren erfunden und seitdem ständig weiterentwickelt. Betriebssystem Im Betriebssystem sind alle für den Betrieb des Computers grundlegenden Systemprogramme zusammengefasst. Das Betriebssystem sorgt dafür, dass angeschlossene Geräte wie Drucker, Tastatur etc. mit dem Computer verwendet werden können. Bit Ein Bit ist die kleinste Dateneinheit. Es kann die Zustände 0 oder 1 haben. bps Die Geschwindigkeit von Datenübertragungen gibt man in Bits pro Sekunde, abgekürzt bps, an. Byte 8 Bits werden zu einem Byte zusammengefasst. Ein Byte kann 256 verschiedene Zustände haben. Ein Kilobyte (KByte bzw. KB) umfasst 1024 Byte, 1 Megabyte (MByte bzw. MB) 1024 KByte, also Byte. Chip Dieser Computerbaustein aus Silicium steuert bestimmte elektrische Vorgänge im Computer. Computer Computer stammt vom lateinischen computare, rechnen", ab. Heute sind unter diesem Begriff alle programmgesteuerten Rechnersysteme zusammengefasst. DFÜ DFÜ ist die Abkürzung für Datenfernübertragung. Wenn du z.b. über das Internet Daten austauschen möchtest, sind verschiedene Computer über DFÜ miteinander verbunden. DOS DOS steht für Disk Operation System (Disketten- Betriebssystem). DOS war eines der ersten Betriebssysteme für Computer. DSL Die Abkürzung steht für Digital Subscriber Line und bezeichnet verschiedene Verfahren, um Daten mit einer hohen Übertragungsrate über die Kupferleitungen des Telefonnetzes zu übermitteln. EDV Abkürzung für elektronische Datenverarbeitung Festplatte Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium. Formatierung Damit Daten auf einem Speichermedium übertragen werden können, muss das Medium für den Gebrauch mit dem Computer vorbereitet werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Formatieren. Grafikkarte Eine Steckkarte im Computer, die die Kommunikation zwischen Bildschirm und Computer steuert. Hardware Unter diesem Begriff sind alle mechanischen und elektronischen Bauteile eines Computersystems zusammengefasst. Mikroprozessor Zentraler Baustein im Computer zur Steuerung und Verarbeitung von Daten Modem Gerät zur Übertragung von Daten über die Telefonleitung (I> B 1) Netzwerk In einem Netzwerk sind alle Computer zusammengefasst, die miteinander Daten austauschen können. Pascal Programmiersprache, die nach dem französischen Mathematiker BLAISE PASCAL ( ) benannt wurde Programm Als Programm bezeichnet man eine Abfolge von Befehlen an den Computer. Programme erstellt man mithilfe einer Programmiersprache, die die Steueranweisungen in für den Computer verständliche Befehle übersetzt. RAM Es gibt in einem Computer zwei Speichertypen: das RAM und das ROM. RAM steht für Random Access Memory. Es bezeichnet einen Speicher, aus dem Daten ausgelesen und in dem Daten abgelegt werden können. Lädt man z. B. ein Programm oder einen Text, werden die Daten im RAM des Computers abgelegt. Mit dem Ausschalten des Computers gehen die Daten aus dem RAM verloren. ROM Abkürzung für Read Only Memory. Dieser Speicher kann nur ausgelesen werden. Software Alle Programme sind unter dem Begriff Software zusammengefasst (I> B 2). 1 Software für die Bildbearbeitung Quelle: Prisma Physik 7-10, S.357, Klett, 2006

32 Neue Medien 31 Analog - digital binär Das Oszilloskop zeigt den Verlauf der Spannung am Mikrofon an (Bild 2). Wird die Stimme lauter, so wird die Schwingungskurve auf dem Bildschirm höher. Nimmt die Tonhöhe zu, rücken die Wellen" der Kurve enger zusammen. Die Schwingungskurve von Bild 2 ist ein Beispiel für ein analoges Signal. Das Signal ändert sich nämlich stufenlos entsprechend der Stimme (griech. analogos: entsprechend). Bild 4 zeigt den Ausschnitt aus einer solchen Tonschwingung. Die Höhe" der Kurve kann in gleichen Zeitabständen elektronisch gemessen werden. Durch die taktweise Messung wird das analoge Signal nicht exakt erfasst: Alle Messungen zusammen ergeben nicht genau die ursprüngliche Signalkurve. Der Signalverlauf von Bild 5 ist stufenförmig. Fachmann nennt es ein digitales Signal. Das Wort digital" ist abgeleitet von lat. digitus: Finger. Kinder benutzen ihre Finger zum Zählen. Auch Erwachsene zeigen im Ausland mit den Fingern, ob sie z. B. drei oder vier Mangofrüchte kaufen wollen. Beim Ausmessen der Säulenhöhen von Bild 5 ist es ähnlich: Für die Amplitude sind nur ganze Zahlen erlaubt, keine mit Kommastellen. Wie Bild 5 auch zeigt, müssen bei einem digitalen Signal nicht alle Stufen gleich hoch sein, es gibt zum Teil große Sprünge. Das digitale Signal kann noch weiter umgewandelt werden: Die Messwerte werden nicht als Dezimalzahlen ausgegeben, sondern als Dualzahlen (Bild 6). Die nebeneinander geschriebenen Werte der Messungen bestehen dann nur noch aus Nullen und Einsen, also aus nur zweierlei Zeichen. Ein solches Signal nennt man ein binäres Signal. Binär ist abgeleitet von lat. bi-: zweifach. Das kleinste binäre Signal besteht nur aus einer 1 oder einer 0. Man spricht von einem Bit (von engl. binary digit). Quelle: Text: Natur und Technik Physik, 10 9 S.105, Cornelsen 2004 Bilder: Natur und Technik Physik, 10 9 S.278, Cornelsen 2008

33 Neue Medien 32 Was ist "der ASCII-Code"? ASCII ist eine Abkürzung für die Wörter "American Standard Code for Information Interchange". Es ist ein in Amerika erfundener Verschlüsselungscode (eine Art Geheimcode, der aber nicht geheim ist). Dieser Code wird benutzt, um Zeichen, die mit Hilfe von elektrischen Signalen übertragen werden sollen, zu verschlüsseln um sie dann elektronisch über Leitungen zu versenden. Wenn du also den Buchstaben A in deinen Computer eintippst, wird nicht wirklich ein "A" gespeichert oder ins Internet übertragen, sondern dieses A wird solange umgewandelt und zerlegt, bis es nur noch mit zwei Zeichen dargestellt werden kann. Diese zwei Zeichen sind "0" und "1". Auf dem Weg der Umwandlung dorthin wird eine Zwischenstation (die hexadezimale Darstellung) benutzt. Zum Beispiel steht für "A" die hexadezimale Zahl "41" oder die Dualzahl " ". Eine Kombination aus je zwei hexadezimalen Zahlen (dieses sind die Zeichen 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F) oder eine Kombination aus je acht Dualzahlen (0,1) bilden den ASCII-Code. Einen Teil einer ASCII-Code-Tabelle findest du gleich hier: ASCII Hexa Dual ASCII Hexa Dual ASCII Hexa Dual ! A " B # C $ D % E & F ' G ( H ) I * 2A : 3A J 4A B ; 3B K 4B , 2C < 3C L 4C D = 3D M 4D E > 3E N 4E / 2F ? 3F O 4F ASCII Hexa Dual ASCII Hexa Dual ASCII Hexa Dual P p Q a q R b r S c s T d t U e u V f v W g w X h x Y i y Z 5A j 6A z 7A [ 5B k 6B { 7B \ 5C l 6C C ] 5D m 6D } 7D ^ 5E n 6E ~ 7E F o 6F F

34 Neue Medien 33 Transistoren in elektronischen Schaltungen 3 Kondensatoren für Zeitschaltungen Ein erstaunlicher Versuch: Parallel zur Batterie eines Radios wird ein Kondensator geschaltet (Bild 1; auf die Polung achten!). Dann wird die Batterie entfernt... V 15 Jetzt soll das Aufladen und das Entladen des Kondensators in Zeitlupe" ablaufen. Tausche dazu die Glühlampe gegen einen Widerstand aus (Bild 3). Die Spannung am Kondensator wird beim Laden und beim Entladen alle 10 s gemessen. Notiere die Messwerte in einer Tabelle und stelle sie graphisch dar (waagerechte Achse: Zeit; senkrechte Achse: Spannung). V 14 Wir untersuchen, wie sich ein Kondensator im Gleichstromkreis auswirkt. Bild 2 zeigt den Aufbau. a) Was ist zu beobachten, wenn der Schalter in Stellung 1 gebracht wird? Was geschieht, wenn du ihn anschließend in Stellung 2 bringst? c) Verwende nun Kondensatoren z. B. mit den folgenden Aufschriften: 4700 µf", 100 µf", 1 µf". c) Miss die Spannung zwischen den Anschlüssen des Kondensators vor und nach dem Aufladen. Was stellst du fest, wenn du deine Messwerte mit der Batteriespannung vergleichst? V 16 Mit einem aufgeladenen Kondensator kann man auch die Basis eines Transistors ansteuern. Baue die Schaltung von Bild 4 auf, und probiere sie aus. Erkläre, wie sie funktioniert. Die Kapazität eines Kondensators Ein Kondensator besteht im einfachsten Fall aus zwei Metallplatten oder -folien, die durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind. In Bild 5 siehst du verschiedene Bauformen. Baut man in einen Stromkreis aus Batterie und Lämpchen zusätzlich einen Kondensator ein, so beobachtet man folgendes: Sobald der Stromkreis geschlossen wird, blitzt das Lämpchen kurz auf. Das lässt sich so erklären: Zunächst treibt die Batterie Elektronen von der einen Kondensatorplatte auf die andere. Dadurch werden die beiden Platten aufgeladen.

35 Neue Medien 34 Auf der einen Platte gibt es einen Überschuss an Elektronen, auf der anderen einen Mangel. Je stärker die Platten geladen sind, desto höher ist die Spannung zwischen ihnen und damit zwischen den Anschlüssen des Kondensators. Die Spannung des Kondensators ist der Spannung der Batterie entgegengerichtet: Während die Batterie die Elektronen beim Aufladen in die eine Richtung treibt, übt der Kondensator einen immer stärkeren Antrieb in Gegenrichtung aus. Wenn die Spannung des Kondensators schließlich genauso groß wie die der Batterie ist, fließt kein Strom mehr. Man sagt dann: Der Kondensator ist geladen. Ein geladener Kondensator kann z. B. ein Lämpchen zum Leuchten bringen. Er stellt also eine elektrische Energiequelle dar - aber nur so lange, bis er wieder entladen ist. Den Spannungsverlauf beim Laden und beim Entladen eines Kondensators zeigt Bild 6. Durch einen Kondensator können keine Elektronen fließen. Ströme sind immer nur von einer Platte auf die andere (über angeschlossene Leiter) möglich. Je nach Bauform können Kondensatoren unterschiedlich viel Energie speichern. Man sagt: Die Kondensatoren haben unterschiedlichen Kapazitäten. Die Kapazität C eines Kondensators ist umso größer, je größer die Ladung 0 ist, die bei einer bestimmten Spannung U von der einen Kondensatorplatte zur anderen transportiert wird. Man hat festgelegt: Die Einheit der Kapazität ist 1 Farad (1 F); sie ist nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannt. Die Einheit 1 F ist sehr groß. In der Praxis werden Kondensatoren mit viel kleineren Kapazitäten verwendet. Man gibt daher Kapazitäten meistens in Bruchteilen von 1 F an. Millifarad (mf); 1000mF=1 F; Mikrofarad (µf);1000 µf =1 mf; Nanofarad (nf); 1000 nf =1 F; Pikofarad (pf); 1000 pf =1 nf. 4 Der Kondensator im Wechselstromkreis V 17 Wir untersuchen, wie ein Kondensator in einem Wechselstromkreis wirkt. a) Baue den Stromkreis von Bild 7 zunächst ohne den Kondensator auf. Wie groß ist der Strom? Ob das Lämpchen noch leuchtet, wenn ein Kondensator in den Stromkreis eingebaut wird? b) Setze nacheinander Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten ein (z. B. 4,7 µf und 1000 F). Miß jeweils die Stromstärke. V 18 Die Wechselspannung unseres Stromnetzes hat eine Frequenz von 50 Hz. Ein Frequenzgenerator kann Wechselspannungen mit höheren und geringeren Frequenzen erzeugen. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Frequenz der Wechselspannung und der Stromstärke, wenn sich ein Kondensator im Stromkreis befindet? V 19 Wir schließen einen Lautsprecher über einen Kondensator an ein Radio an (Bild 8). a) Hört man bei dazwischengeschaltetem Kondensator die hohen oder die tiefen Töne besser? b) Welchen Einfluss hat dabei die Kapazität des Kondensators? Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S , Cornelsen, 1992

36 Neue Medien 35 Der Kondensator Aufgabe In diesem Versuch sollt ihr die Funktionsweise eines Kondensators kennen lernen. 1. Baut dazu den Versuch wie in der Skizze auf und führt den Versuch durch. Achtet bei dem Aufbau auf die Polung des Kondensators und während des Versuchs auf den Motor. Regelt zu Anfang des Versuchs die Spannung hoch und schaltet das Netzgerät ein. Notiere deine Beobachtungen. 2. Ziehe nun ein Kabel aus dem Netzgerät und stecke es wieder hinein und notiere deine Beobachtungen. 3. Ziehe nun beide Kabel aus dem Netzgerät und drücke die Anschlüsse aneinander und notiere wieder deine Beobachtungen. 4. Nachdem du deine Beobachtungen notiert hast, drücke die beiden Anschlüsse noch einmal aneinander und notiere wieder deine Beobachtungen. 5. Regele nun die Spannung hinunter und führe den Versuch noch einmal durch. Notiere auch dabei immer deine Beobachtungen. Aufbau (Skizze): Beobachtungen: Ergebnis:

37 Neue Medien 36 Auf- und Entladen eines Kondensators Aufgabe: In diesem Versuch sollst du die Spannung beim Auf- und Entladevorgang des Kondensators messen. Schalte dazu einen Widerstand und einen Kondensator in Reihe. Wie musst du das Messgerät in die Schaltung einbauen, damit du die Spannung am Kondensator messen kannst? Materialien: Spannungsquelle, Messgerät, Widerstand (27 kω), Kondensator (1000 µf), Kabel, Uhr (Smartboard) Skizze: Durchführung (erst durchlesen): 1. Baut die Schaltung nach der Skizze auf. 2. Stellt den Regler an der Spannungsquelle etwa auf den 5. Punkt. 3. Lest im Abstand von je zwei Sekunden den Wert für die Spannung beim Aufladen des Kondensators auf eurem Messgerät ab. Damit dies funktioniert gibt einer den Takt vor, einer liest die Werte ab und einer notiert die Werte. Messt eine Minute lang. Beginnt bei 0 V und notiert den ersten Wert zwei Sekunden nachdem ihr die Spannungsquelle eingeschaltet habt. Schaltet die Spannungsquelle aus, nachdem ihr eine Minute lang Messwerte aufgenommen habt. 4. Lest im Abstand von je zwei Sekunden den Wert für die Spannung beim Entladen des Kondensators auf eurem Messgerät ab. Geht dabei so vor, wie bei der Aufnahme der Messwerte beim Aufladen. Notiert zunächst den Wert, den das Messgerät anzeigt. Verbindet dann die Kabel, die an die Spannungsquelle angeschlossen sind, miteinander und beginnt sofort mit der Messung. Bevor ihr mit der Messung beginnt legt ihr folgende Tabelle in eurer Mappe an: Zeit in s Spannung beim Aufladen in V Spannung beim Entladen in V Auswertung: Übertragt eure Messwerte in zwei Koordinatensysteme. In einem tragt ihr die Spannung am Kondensator beim Aufladen in Abhängigkeit von der Zeit auf. In das andere Koordinatensystem tragt ihr die Spannung beim Entladen in Abhängigkeit von der Zeit auf. Beschreibt die Kurven.