Was ist ein Stromkreis?

Transkript

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2 Bei dem Spiel Der heiße Draht können Kinder versuchen, einen Metallring von einem Punkt zu einem anderen Punkt zu bewegen, ohne dabei den Draht zu berühren. Wird er berührt, so leuchtet eine LED-Leuchte auf und der Griff vibriert. Durch das Spiel und die Erklärungen dazu, wird den Kindern sehr viel Wissen vermittelt. Sie lernen nicht nur, was ein Stromkreis ist und wie er funktioniert. Sie lernen auch, wie sie einen solchen Stromkreis selber bauen können. Bei diesem Spiel werden somit nicht nur das logische Denken, sondern auch die Geschicklichkeit und Geduld der Kinder gefördert. Aber nun zuerst einmal zum Begriff Stromkreis. 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 heiße Draht Schrotty Seite 2 13

3 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. 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: Jetzt, wo geklärt ist, was ein Stromkreis ist, sollten wir aber auch die Leuchtdiode, die wir in den Bauanleitungen auch benötigen, genauer unter die Lupe nehmen. Was ist eine LED? Eine LED ist eine Leuchtdiode. Sie wandelt elektrische Energie in sichtbares Licht und Wärme um. LEDs sind sehr praktisch, da schon sehr wenig elektrische Energie ausreicht, damit sie leuchten. Du musst nur ein paar Kleinigkeiten beachten, wenn du eine LED anschließen möchtest. 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. Der heiße Draht Schrotty Seite 3 13

4 Vergiss bitte nicht auf einen geeigneten Vorwiderstand für deine LED, damit sie nicht durch zu hohe Spannung beschädigt wird! Was brauche ich alles und wie baue ich es zusammen? Hier findest du Bauanleitungen für zwei verschiedene Varianten des Spiels. Bauanleitung 01 Der heiße Draht... 5 Bauanleitung 02 Der heiße Draht mit Play-Doh... 8 Weitere Möglichkeiten Probiere einfach die beschriebenen Bauanleitungen aus. Vielleicht fällt dir aber auch eine eigene Variation des Spiels ein. Der heiße Draht Schrotty Seite 4 13

5 Bauanleitung 01 Der heiße Draht Welche Werkzeuge brauche ich für das Experiment? Isolierband Heißkleber Zange Schraubenzieher Seitenschneider Welche Materialien brauche ich? Zwei Papprollen, z.b. von einer Küchenrolle Eine 4,5V Flachbatterie (oder 9V Batterie) Einen etwa halben Meter Kupferdraht mit einem Querschnitt von ca. 2,5 Quadratmillimeter Ein dünnes und leicht biegsames Kabel von etwa 40 cm Länge Kleber für die Heißklebepistole Eine möglichst stabile Plattform, auf der das Spiel befestigt wird. Holz oder Pappe eignet sich sehr gut Ein kleineres Stück Holz als Griff Eine LED-Leuchte Einen Vorwiderstand für die LED-Leuchte Einen kleinen Vibrationsmotor Ein paar dünne Drähte oder Krokoklemmen zur Verbindung der Schaltkreis-Elemente Der heiße Draht Schrotty Seite 5 13

6 Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Die stabile Plattform, welche als Fundament für das Spiel dient, auf einen freien Tisch legen. Die zwei Papprollen mit Heißkleber vertikal auf der Plattform befestigen. Diese dienen als Aufhängung für den Kupferdraht. Schritt 2 Auf dem Griff wird der Vibrationsmotor mit Isolierband befestigt. Am besten so, dass ein Kontakt des Motors nach unten und der andere Kontakt nach oben zeigt. Nun mit dem Seitenschneider ein kurzes Stück (10cm) vom dicken Kupferdraht abschneiden. Dieses Stück so biegen, dass sich ein Ring bildet, von dem aber noch ein kurzes Stück weggebogen ist. Den Ring so auf dem Griff befestigen, dass das wegstehende Stück Kontakt mit dem oberen Kontakt des Vibrationsmotors hat. Das dünne und biegsame Kabel nehmen, und beide Enden abisolieren (also das Stück Kunststoff vom Draht nehmen). Ein Ende des dünnen Kabels so auf dem Griff befestigen, dass es Kontakt mit dem unteren Kontakt des Vibrationsmotors hat. Schritt 3 Den dicken Kupferdraht zu einem Parcours biegen, also mehrere Windungen nach Belieben verwenden. Ein Ende des dicken Kupferdrahts durch den Ring am Griff stecken. Der heiße Draht Schrotty Seite 6 13

7 Beide Enden des Kupferdrahts an den Papprollen befestigen. Zum Beispiel kann man mit einem dünnen Schraubenzieher jeweils ein Loch in die Rollen machen und dort den Draht einhängen. Das Bild zeigt wie das Ganze bisher aussehen soll: Schritt 4 Den Minuspol der Batterie an einem Ende des dicken Kupferdrahts befestigen. Das geht ganz einfach mit Krokoklemmen. Den Widerstand mit dem Pluspol der Batterie verbinden. Das andere Ende des Widerstands mit der Plusseite der LED verbinden. Bei LEDs ist das immer der längere Draht. Die andere Seite (Minusseite) der LED mit dem Kabel des Griffes verbinden. Das war der letzte Schritt, nun ist der Heiße Draht fertig, um damit loszuspielen. Der heiße Draht Schrotty Seite 7 13

8 Bauanleitung 02 Der heiße Draht mit Play-Doh Welche Werkzeuge brauche ich für das Experiment? Isolierband Heißkleber Zange Welche Materialien brauche ich? Leitfähige Knetmasse, im Handel erhältliches Playdoh eignet sich sehr gut Eine 4,5V Flachbatterie (oder 9V Batterie) Einen etwa halben Meter Kupferdraht mit einem Querschnitt von ca. 2,5 Quadrat Ein dünnes und leicht biegsames Kabel von etwa 40 cm Länge Eine möglichst stabile Plattform, auf der das Spiel befestigt wird. Holz oder Pappe eignet sich sehr gut (optional, Playdoh kann auch einfach auf dem Tisch verwendet werden) Ein kleineres Stück Holz als Griff Eine LED-Leuchte Einen Vorwiderstand für die LED-Leuchte (je nach verwendeter LED wird ein anderer Widerstand benötigt. Wie dieser berechnet werden kann, wird im entsprechenden Schrotty Tutorial erklärt) Einen kleinen Vibrationsmotor Ein paar dünne Drähte oder Krokoklemmen zur Verbindung der Schaltkreis-Elemente Optional: Einen Schalter (Ein- / Ausschalter, Taster, ) Der heiße Draht Schrotty Seite 8 13

9 Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Die stabile Plattform, welche als Fundament für das Spiel dient, auf einen freien Tisch legen. (optional) Zwei faustgroße Bälle aus Play-Doh formen und auf die Plattform oder den Tisch kleben. Das Bild zeigt den ungefähren Abstand, der jedoch je nach Länge des Kupferdrahts variieren kann. Schritt 2 Auf dem Griff wird der Vibrationsmotor mit Isolierband befestigt, am besten so, dass ein Kontakt des Motors nach unten und der andere Kontakt nach oben zeigt. Nun mit dem Seitenschneider ein kurzes Stück (10cm) vom dicken Kupferdraht abschneiden. Dieses Stück so biegen, dass sich ein Ring bildet, von dem aber noch ein kurzes Stück weggebogen ist. Den Ring so auf dem Griff befestigen, dass das wegstehende Stück Kontakt mit dem oberen Kontakt des Vibrationsmotors hat. Das dünne und biegsame Kabel nehmen und beide Enden abisolieren (also das Stück Kunststoff vom Draht nehmen). Der heiße Draht Schrotty Seite 9 13

10 Ein Ende des dünnen Kabels so auf dem Griff befestigen, dass es Kontakt mit dem unteren Kontakt des Vibrationsmotors hat. Nun kann der Griff zur Verschönerung mit Isolierband überzogen werden. Den dicken Kupferdraht zu einem Parcours biegen, also mehrere Windungen nach Belieben verwenden. Ein Ende des dicken Kupferdrahts durch den Ring am Griff stecken. Beide Enden des Kupferdrahts in die Knete stecken. Schritt 3 Den Minuspol der Batterie an einem Ende des dicken Kupferdrahts befestigen. Das geht ganz einfach mit Krokoklemmen. Der heiße Draht Schrotty Seite 10 13

11 Den Pluspol der Batterie mit einem Kontakt eines Ein-/Ausschalters verbinden. Hier können Taster oder Schalter verwendet werden. Der Schalter dient dazu, das Spiel ein- und auszuschalten. Den zweiten Kontakt des Schalters mit einem Fuß des Widerstands verbinden. Das andere Ende des Widerstands mit der Plusseite der LED-Leuchte verbinden. Bei LED-Leuchten ist das immer der längere Draht. Die andere Seite (Minusseite) der LED-Leuchte mit dem Kabel des Griffes verbinden. Der heiße Draht ist fertig und die Kinder können nun mit dem Spiel beginnen. Der heiße Draht Schrotty Seite 11 13

12 Weitere Möglichkeiten Der heiße Draht kann auch im Liegen betrieben werden, sodass man die Papprollen nicht stehend befestigen muss. Dadurch wird das Spiel aber etwas instabiler. Man kann dem allerdings mit einem Knick entlang der Längsseite entgegenwirken. Man kann durch den Einsatz eines Schalters zwischen Batterie und Widerstand den Stromkreislauf beliebig unterbrechen, sodass man zum Ausschalten des Spiels nicht ein Kabel von der Batterie nehmen muss. Die Kinder können die Papprollen und die Plattform anmalen und verzieren. So verleiht man dem Spiel mehr Pepp! Optional kann der Vibrationsmotor für den Griff weggelassen werden. Dann wird der Ring am oberen Ende vom Griff direkt mit der LED über das lange Kabel zusammengeschlossen. Die Kinder können verschiedenfarbige Knetmasse verwenden. So verleiht man dem Spiel mehr Pepp! Der heiße Draht 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. Der heiße Draht Schrotty Seite 13 13