Was ist ein Stromkreis?

Transkript

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2 Was ist ein Stromkreis? Warum leuchtet eigentlich die Lampe in einem Raum, wenn du auf den Lichtschalter drückst? Die Lösung des Rätsels beinhaltet alle einzelnen Komponenten, aus denen ein Stromkreis besteht. Schauen wir uns dieses Problem anhand eines Stromkreises an, den du auch selbst aufbauen kannst. ACHTUNG: Weil es viel zu gefährlich ist, mit dem Strom zu experimentieren, der aus der Steckdose kommt, verwenden wir eine Batterie, die uns mit Gleichspannung versorgt. Und statt der Lampe setzen wir eine Leuchtdiode (LED) ein, da diese sich besser zur Verwendung mit einer Batterie eignet. Aber nun zurück zum Stromkreis. Ein Stromkreis besteht im einfachsten Fall aus 1. einer Spannungs- bzw. Stromquelle 2. einem Verbraucher und 3. Leitungen bzw. Kabeln. Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) stellt Strom und Spannung bereit. Für die Schrotty-Versuche kann dies eine Batterie sein. Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) ist mit Leitungen (3) mit dem Verbraucher (2) verbunden. Die Leitungen bestehen im Inneren aus einem elektrisch sehr gut leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer. Um den leitfähigen Kern herum befindet sich meist ein Mantel aus elektrisch nicht leitfähigem Material wie Kunststoff. Dadurch können Leitungen an der isolierten Schicht (am Kunststoff) berührt werden, ohne mit Strom in Berührung zu kommen. Der Verbraucher (2) wandelt im geschlossenen Stromkreis die elektrische Energie in eine andere Form von Energie um. In Falle einer LED wird Elektrizität in Licht und Wärme umgewandelt. Je nach Verbraucher können dies auch andere Formen von Energie sein. Wichtig dabei ist, dass jeder Verbraucher durch zu hohen Strom bzw. zu hohe Spannung zerstört werden kann. Eine LED ist beispielsweise ein Bauteil, der eine Spannung zwischen 1,6 Volt und 2,5 Volt Spannung benötigt. Ist die Spannung zu niedrig, leuchtet sie nicht. Ist sie zu hoch, wird die LED zerstört. Daher befindet sich in dieser Schaltung ein weiterer Verbraucher (Widerstand) um die Spannung, die für die LED benötigt wird, einzustellen. Die LED wird leuchten, wenn alle Leitungen wie im Schaltplan eingezeichnet miteinander verbunden sind. Nur dann kann der Strom von der Spannungsquelle zum Verbraucher und wieder zurück zur Spannungsquelle fließen. Es wird hier auch von einem geschlossenen Stromkreis gesprochen. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 2 13

3 Fehlt eine der Leitungen, wird der Stromkreis als offener Stromkreis bezeichnet. Der Strom kann nicht fließen und die LED kann daher nicht leuchten. Weitere sehr nützliche Informationen zu Stromkreisen sind im online verfügbaren Elektronik Kompendium zu finden: Um die Aufteilung von Strom und Spannung in einem Stromkreis zu ermitteln, kommen die Kirchhoffschen Regeln zum Einsatz: Wie schließe ich eine LED richtig an? Bei einigen elektronischen Bauteilen ist es wichtig zu wissen, welcher Anschluss sich näher dem Pluspol der Schaltung und welcher sich näher dem Minuspol befinden muss. Bei einer Leuchtdiode ist es zum Beispiel wichtig! Die Leuchtdiode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Wird sie anders herum angeschlossen, sperrt sie den Strom. Das bedeutet, nur wenn der Strom durch die LED fließen kann, ist der Stromkreis geschlossen. Und nur dann leuchtet die LED. Eine LED, die in einer Farbe leuchten kann, hat üblicherweise zwei Anschlüsse. Ein Anschluss nennt sich Anode und steht für den Pluspol der LED. Damit die LED in einem geschlossenen Stromkreis leuchtet, muss sich dieser Anschluss näher dem Pluspol der Schaltung befinden. Der Pluspol der Schaltung befindet sich dort, wo sich der Pluspol der Spannungsquelle (z.b. Batterie) befindet. Der andere Anschluss der LED wird Kathode genannt und muss sich näher dem Minuspol der Schaltung befinden. Vergiss bitte nicht auf einen geeigneten Vorwiderstand für deine LED, damit sie nicht durch zu hohe Spannung beschädigt wird! Stromkreise begreifen Schrotty Seite 3 13

4 Worum geht es bei den Experimenten? Baue mit elektrisch leitfähiger und Knetmasse deine eigenen Stromkreise. Du findest hier die folgenden Experimente: Experiment 01 Einfachen Stromkreis formen... 5 Experiment 02 Einfachen Stromkreis mit Schalter formen... 8 Weitere Möglichkeiten Probiere einfach die beschriebenen Experimente aus. Beim Experimentieren wirst du aber schnell herausfinden, dass du deiner Kreativität freien Lauf lassen kannst. Du kannst auch die Kirchhoffschen Gesetze einfach mit Knetmasse nachbauen und selbst herausfinden, was das Besondere an der Serien- oder Parallelschaltung ist. Mehr dazu, findest du im Elektronik Kompendium: Videos zu diesen Experimenten und Variationen davon findest du auf der Schrotty-Website: Stromkreise begreifen Schrotty Seite 4 13

5 Experiment 01 Einfachen Stromkreis formen Welche Materialien brauche ich für das Experiment? Knetmasse, die elektrischen Strom leiten kann; am besten in vielen verschiedenen Farben (Knetmasse auf Wasserbasis eignet sich sehr gut dafür, z.b. Play-Doh) Musterbeutelklammern oder Nägel aus Metall oder Büroklammern aus Metall ohne Plastiküberzug Batterie 9 Volt Krokoklemmen Leuchtdiode (LED) Welche Werkzeuge brauche ich? Keine Stromkreise begreifen Schrotty Seite 5 13

6 Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Forme aus der leitfähigen Knetmasse zwei Leitungen. Die Leitungen können, wie am folgenden Foto zu sehen, einfache Stangen sein. Du kannst sie aber auch in eine andere Form kneten. Achte aber darauf, dass sich die beiden Leitungen an keiner Stelle berühren! In die Enden deiner beiden Leitungen steckst du nun noch jeweils einen Nagel oder je eine Musterbeutelklemme. Diese dienen dazu, die Spannungsquelle (Batterie) leichter anschließen zu können. Du kannst an Stelle der Nägel auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwenden. Schritt 2 Danach steckst du jeweils ein Füßchen der LED in das Ende je einer Leitung. Merke dir dabei, in welche Leitung du das längere Füßchen der LED gesteckt hast. Das längere Füßchen ist die Anode der LED und muss sich näher dem Pluspol der Spannungsquelle in deiner Schaltung befinden. Wenn du dir dabei nicht ganz sicher bist, schau bitte in den Abschnitt Wie schließe ich eine LED richtig an? in diesem Arbeitsblatt. Dort wird ganz genau erklärt, wie du herausfinden kannst, welches Füßchen der Plus- und welches der Minuspol der LED ist. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 6 13

7 Schritt 3 Verbinde nun deine eigene Knetmasse-Leitung, in der sich das längere Füßchen der LED (Anode) befindet, mit dem Pluspol der Spannungsquelle (rotes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden Foto). Als Spannungsquelle eignet sich eine 9V-Batterie in diesem Fall sehr gut. Deine andere Leitung verbindest du einfach mit dem Minuspol der Spannungsquelle (schwarzes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden Foto). Nun sollte wie am Foto auch deine LED leuchten. Wunderst du dich, dass du in dieser Schaltung keinen Widerstand siehst? Zu Beginn des Arbeitsblattes wurde im Kapitel Was ist ein Stromkreis? erwähnt, dass eine LED unbedingt einen Vorwiderstand benötigt, damit diese nicht durch zu hohe Spannung zerstört wird. Nun, die Knetmasse die du verwendet hast, leitet zwar Strom, aber nicht sonderlich gut. Das bedeutet, dass der Widerstand der Leitung schon so groß ist, dass die Spannung an der LED bei einer 9-Volt- Spannungsquelle nicht zu hoch werden kann. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 7 13

8 Experiment 02 Einfachen Stromkreis mit Schalter formen Welche Materialien brauche ich für das Experiment? Knetmasse, die elektrischen Strom leiten kann; am besten in vielen verschiedenen Farben (Knetmasse auf Wasserbasis eignet sich sehr gut dafür, z.b. Play-Doh) Elektrisch nicht leitfähiges Material (Papier, Plastilin, Plastikfolie, ) Musterbeutelklammern oder Nägel aus Metall oder Büroklammern aus Metall ohne Plastiküberzug Batterie 9 Volt Krokoklemmen Leuchtdiode (LED) Welche Werkzeuge brauche ich? Keine Stromkreise begreifen Schrotty Seite 8 13

9 Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Forme zuerst aus leitfähiger Knetmasse (Play-Doh) zwei Halbkreise. Lege zwischen die beiden Halbkreise ein elektrisch nicht leitfähiges Material. Dafür eignen sich zum Beispiel Papier, Kunststoff oder auch Plastilin. Plastilin ist eine Knetmasse auf Ölbasis. Alle diese Materialen können als Isolatoren verwendet werden. Auf dem folgenden Foto siehst du, wie das mit Papier aussehen kann. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 9 13

10 Und auf den nächsten beiden Fotos siehst du, wie du Plastilin als Isolator zwischen den beiden Halbkreisen aus Play-Doh verwenden kannst. Entscheide dich einfach für eine der beiden Varianten und setze dann mit dem nächsten Schritt fort. Schritt 2 Danach formst du die Leitungen, wie schon im vorigen Experiment. Eine der Knetmasseleitungen musst du ganz fest mit einem der beiden Knetmasse-Halbkreise verbinden. Schritt 3 Als nächstes steckst du jeweils ein Füßchen der LED in das Ende je einer Leitung. Merke dir dabei, in welche Leitung du das längere Füßchen der LED gesteckt hast. Das längere Füßchen ist die Anode der LED und muss sich näher dem Pluspol der Spannungsquelle in deiner Schaltung befinden. Wenn du dir dabei nicht ganz sicher bist, schau bitte in den Abschnitt Wie schließe ich eine LED richtig an? in diesem Arbeitsblatt. Dort wird ganz genau erklärt, wie du herausfinden kannst, welches Füßchen der Plus- und welches der Minuspol der LED ist. Verbinde danach deine eigene Knetmasse-Leitung, in der sich das längere Füßchen der LED (Anode) befindet, mit dem Pluspol der Spannungsquelle (rotes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden Stromkreise begreifen Schrotty Seite 10 13

11 Foto). Als Spannungsquelle eignet sich eine 9V-Batterie in diesem Fall sehr gut. Den Minuspol dieser Spannungsquelle verbindest du nun noch mit dem Knetmassehalbkreis, der nicht mit der Knetmasseleitung verbunden ist (schwarzes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden Foto). Im Gegensatz zum Experiment 01 leuchtet die LED jetzt noch nicht. Das ist ganz einfach erklärt. Zwischen den beiden Knetmassehalbkreisen aus Play-Doh befindet sich ein Isolator. Auf diesem Foto ist es ein Stück Plastilin. Dieser Isolator verhindert, dass Strom in deinem Stromkreis fließen kann. Schritt 4 Wenn du nun die beiden Knetmassehalbkreise mit einem elektrisch leitfähigen Material verbindest, wirst du sehen, dass die LED zu leuchten beginnt. Und genau das kannst du für deinen Schalter ausnutzen. Forme einfach aus Play-Doh eine Scheibe, die circa dieselbe Größe hat, wie beide Halbkreise zusammen. Wenn du diese elektrisch leitfähige Scheibe auf die Halbkreise legst, stellst du eine elektrisch leitfähige Verbindung her und die LED kann leuchten. Entfernst du die Scheibe wieder, geht die LED aus. Und fertig ist dein Schalter. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 11 13

12 Weitere Möglichkeiten Warum nicht eine Skulptur bauen, die leuchtet? Oder ein Tier mit leuchtenden Augen? Oder ganz etwas anderes? Tob dich mit der Knetmasse kreativ aus! Es muss ja nicht immer ein langweiliger Stromkreis aus Würsten und Stangen aus Knetmasse sein. Hier findest du ein paar Fotos als Anregungen zu neuen Ideen. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 12 13

13 Impressum FH JOANNEUM Gesellschaft mbh Institut Informationsmanagement Alte Poststraße 149 A-8020 Graz Tel.: +43 (0) Inhalte (Texte, Fotos, ) wenn nicht anders gekennzeichnet: DMT-Team und / oder StudentInnen des Studiengangs Informationsmanagement der FH JOANNEUM Schrotty ist ein Projekt der FH JOANNEUM am Institut Informationsmanagement und wurde in der digital media technologies Arbeitsgruppe von Gerhard Sprung ins Leben gerufen. Das Projekt Schrotty wird im Rahmen der generation innovation Regionen Projekte der FFG mit Geldern des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie gefördert. Stromkreise begreifen Schrotty Seite 13 13