Größen der Elektrizität

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1 Größen der Elektrizität S Aufträge S. 90 Lösungen und Hinweise zu den Arbeitsaufträgen, Heimversuchen und Aufgaben A1 Beispiele s. Tabelle Haushaltsgerät Toaster Wasserkocher Glühlampe Leuchtstofflampe LED Mixgerät Lautsprecher elektrische Zahnbürste Rasierapparat Fernsehapparat Wirkungen vor allem Wärmewirkung Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung Licht- und Wärmewirkung vor allem Lichtwirkung Licht- und Wärmewirkung (bei Röhrengeräten auch magnetische Wirkung) Aufträge S. 91 Aufträge S. 93 Aufträge S. 94 A1 3 A = ma; 0,15 A = 150 ma; 0,08 A = 80 ma ma = 1,5 A; 270 ma = 0,27 A; 50 ma = 0,05 A A1 Im Prinzip zwei Möglichkeiten: Unterbrechung des Stromkreises: Reihenschaltung: Unterbricht man bei einem Gerät, arbeiten die anderen auch nicht mehr. Parallelschaltung: Die Geräte funktionieren weiter, wenn man eines abschaltet. Messung der Stromstärke: Reihenschaltung: Stromstärke durch alle Geräte gleich 1 = 2 = = ges Parallelschaltung: Einzelstromstärken durch die Geräte addieren sich zur Gesamtstromstärke = ges A1 Durch eine Reihenschaltung der vier Batterien erhält man maximal eine Spannung von 6 V. A2 Die Glühlampe brennt durch. Aufträge S. 98 A1 U in V in V 0,2 0,39 0,61 0,85 1,15 1,45 1,82 R in Ω 5 5,13 4,92 4,7 4,35 4,14 3,85 Der Widerstand des Graphitstabes nimmt mit steigender Spannung ab. A2 Eisendraht in Wasser Konstantandraht = 0,36 _ A V U = 0,12 _ A V U ImpulsePhysik 7/8 Größen der Elektrizität 57

2 Aufträge S. 99 A1 Es ergeben sich folgende Mittelwerte: U = 1 V; = 0,17 A U = 2 V; = 0,343 A U = 3 V; = 0,5 A U = 4 V; = 0,697 A U = 5 V; = 0,86 A Da die Messfehler sehr klein sind, ist kaum ein Unterschied zwischen den Diagrammen zu erkennen. Wird der Widerstand aus der Steigung ermittelt, so ergeben sich nahezu identische Werte. U- -Diagramm: Ø in A 0,8 0,6 0,4 0,2 U in V Aufträge S. 100 Aufträge S. 101 A1 In Wasser bleibt die Temperatur des Eisendrahts bei Strom unterschiedlicher Stärke konstant. Daher verändert sich der Widerstand des Drahtes nicht. Stromstärke und Spannung sind unter diesen Bedingungen proportional zueinander, das Ohm sche Gesetz gilt. A1 Beim Experimentieren muss man darauf achten, dass man unterhalb der Sättigungsgrenze bleibt, da der Auflösungsvorgang insgesamt sehr lange dauert. Außerdem sollte nach Zugabe des Zuckers gründlich umgerührt werden. Man stellt fest, dass nur die Wassertemperatur Einfluss auf die Auflösungszeit hat. A2 Man benötigt ein Stromstärke-, ein Spannungsmessgerät und eine geeignete elektrische Quelle oder alternativ ein Widerstandsmessgerät, sowie Drahtstücke unterschiedlicher Dicke, aber gleicher Länge. Die Drahtstücke werden nacheinander in Reihe zu dem Stromstärkemessgerät geschaltet (bzw. alternativ an das Widerstandsmessgerät angeschlossen). Die Abhängigkeit zur Länge eines Drahtes kann man durch einen variablen Abgriff mit Hilfe einer Krokodilklemme bestimmen. Es ist darauf zu achten, dass sich die Drähte nicht erwärmen. Aufträge S. 102 Aufträge S. 103 A1 R Ersatz = R 1 + R 2 = 100 Ω Ω = 300 Ω = U R Ersatz = 10 V 300 Ð = 0,033 A 1 A1 R Ersatz = R 1 R 2 = Ω Ω = Ω R = 66,7 Ω Ersatz Gesamt = U R Ersatz = 10 V 66,7 Ð = 0,15 A ; = 1 U R 1 = 0,10 A ; = 2 U R 2 = 0,05 A Aufträge S. 104 Aufträge S. 107 A1 Die Erwärmung des Bimetallschalters ist träge, d. h., ein kurzzeitiges Überschreiten der zulässigen Höchststromstärke würde nicht zum Auslösen der Sicherung führen, wohl aber eine länger andauernde leichte Überschreitung. Beim Magnetschalter ist es umgekehrt. A1 Motor im (in der) Energiekette DVD-Laufwerk elektrische Energie (Elektromotor) kinetische und/oder thermische Energie Drucker s. o. Folienschweißgerät s. o. Föhn s. o. Elektrische Zahnbürste s. o. Rasierapparat s. o. Uhr s. o. Küchenmaschine/Mixer s. o. Waschmaschine s. o. Geschirrspülmaschine s. o. 58 Größen der Elektrizität ImpulsePhysik 7/8

3 Aufträge S. 107 A2 Es gilt: 1 W min = 60 W s = 60 J = 60 Schokoladentafeleinheiten Gerät Leistung Energie in 10 min Anzahl Schokoladentafeleinheiten Taschenrechner 0,0005 W 0,005 Wmin 0,3 Taschenlampe 0,9 W 9 Wmin 540 Fahrradlampen 3 W 30 Wmin 1800 Rasierapparat 10 W 100 Wmin Autofernlicht 60 W 600 Wmin Farbfernseher 110 W 1100 Wmin Haartrockner 600 W Wmin Automotor-Anlasser 1000 W Wmin Bügeleisen 1200 W Wmin Waschmaschine W Wmin Elektroherd, 4 Platten 7400 W Wmin Elektrolokomotive 7000 kw kwmin ICE, 2 Triebköpfe kw kwmin Generator im Kraftwerk kw kwmin Rückblick S. 108 B1 Es handelt sich um ein Vielfachmessgerät, das also u. a. die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand messen kann, d. h., das als Volt-, Ampere- und Ohmmeter eingesetzt werden kann. B2 Die Äpfel sind in Reihe geschaltet, sodass sich ihre Spannungen addieren. B3 Die Helligkeit der Glühlampen hängt nicht allein von der Stromstärke ab. Weitere Größen wie Spannung und Widerstand spielen ebenfalls eine Rolle. B4 Oben: Reihenschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 3 1,5 V = 4,5 V. Unten: Parallelschaltung. Die Gesamtspannung beträgt 1,5 V. B5 Bei 1 V kann eine Ladung von 1 As die Energie 1 J umwandeln. Die Batterie enthält die Ladung 60 Ah = As = As. Wird diese Ladung bei 12 V transportiert, so wird die Energie J = kj umgewandelt. Heimversuche S Der sanfte Lichtschalter Schiebewiderstand und Glühlampe bilden eine Reihenschaltung. Mit diesem Spannungsteiler kann die Spannung für das Glühlämpchen reguliert werden. 2 Ein Feuermelder Wird der Eisendraht erhitzt, so nimmt sein Widerstand zu und das Lämpchen wird dunkler. 3 Ein elektrischer Kraftmesser Durch den unterschiedlichen Druck auf die Schachtel ändert sich die Packungsdichte und damit die Berührungsflächen der Kohlekörnchen. Dadurch wirkt die Schachtel als druckabhängiger, veränderlicher Widerstand. Gegebenenfalls kann auf Parallelen zum Kohlekörnermikrofon hingewiesen werden. Aufgaben S. 109 Zur Spannung 1 Das Spannungsmessgerät muss parallel zu den beiden Messpunkten geschaltet werden. 2 a) Gleichsinnig: 1,5 V + 1,5 V = 3 V b) Gegensinnig: 1,5 V + ( 1,5 V) = 0 V ImpulsePhysik 7/8 Größen der Elektrizität 59

4 Aufgaben S alle einzeln: 1,5 V und 9,0 V zweimal 1,5 V gleichsinnig in Reihe: 3,0 V 1,5 V und 9,0 V gleichsinnig in Reihe: 10,5 V alle gleichsinnig in Reihe: 12,0 V bei gegensinniger Reihenschaltung: 0 V; 6 V; 7,5 V; 9,0 V Parallelschaltung von zweimal 1,5 V: 1,5 V Parallelschaltung der 9,0 V und 1,5 V führt zur Entladung der 9,0 V-Batterie über 1,5 V-Batterie. Widerstand und Kennlinie 4 Der Widerstand des Leiters sagt etwas über den elektrischen Strom aus, der dann besteht, wenn eine bestimmte Spannung anliegt. Entsteht in einem Leiter bei der Spannung U die Stromstärke Ø, dann heißt der Quotient U / Ø Widerstand R. Aufgaben S * = 2 U 2 R = _ U = ; die Stromstärke bleibt unverändert. R 6 a) Schaltung mit einem Messgerät für die Spannung parallel zum Leiter und einem Messgerät für die Stromstärke in Reihe. Spannung variieren, U und mehrfach messen und jeweils R = U/ berechnen. Mittelwert berechnen. b) Wie in Teilaufgabe a) mit großen Unterschieden bei U und. Bleibt R = U/ konstant, so gilt in dem untersuchten Bereich das Ohm sche Gesetz U 7 a) Kennlinie mit abnehmender Steigung, oberhalb 1 V fast linear. b) Metalldraht. c) Bei 4,5 V ca. 0,30 A; 0,18 A erreicht man bei etwa 1,6 V. d) Zugehörige Widerstandswerte in Ð: 6,7; 10,0; 12,5; 14,3; 16,1; 17,1. Ø-R-Diagramm bis 0,25 A fast linear steigend mit ca. 65 Ð/A, dann deutlich abflachend. Der Widerstand kann bis 0,15 A nicht angegeben werden. 0,4 0,3 0,2 0,1 in A U in V a) Ø = _ U R = 230 V = 0,077 A = 77 ma (trocken: 7,7 ma) Ð b) U = R Ø = Ð 0,001 A = 3 V Hinweis: In der Praxis gelten Spannungen bis rund 30 V als ungefährlich. Erst oberhalb dieses Wertes müssen alle Leitungen berührungssicher sein. 9 U in V Ø in A 0,29 0,50 1,3 0,64 60 Größen der Elektrizität ImpulsePhysik 7/8

5 Aufgaben S. 110 Parallel- und Reihenschaltung 10 a) Reihenschaltung: Unterbricht man bei einem Gerät, arbeiten die anderen auch nicht mehr. Parallelschaltung: Die Geräte funktionieren weiter, wenn man eines abschaltet. b) Reihenschaltung: Stromstärke überall gleich 1 = 2 = = g Parallelschaltung: Einzelstromstärken addieren sich zur Gesamtstromstärke = g 11a) Lampe = g 25 = 2,5 A 25 = 0,1A b) Lampe = g x x = g = 40. Es können 15 gleiche Lampen hinzugeschaltet werden. Lampe 12 Der Widerstand R 1 hat den kleinsten Wert der drei Bauteile. Viermal so groß ist der Widerstand R 3. Der Widerstand R 2 ist ein Drittel des Widerstands R 3. R 1 R 2 R a) Stromstärkemessgeräte werden in Reihe geschaltet. Dabei addieren sich die Widerstände. Um den Einfluss des Messgerätes möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Stromstärkemessgerätes möglichst klein sein. b) Spannungsmessgeräte werden parallel geschaltet. Dadurch besteht im Messgerät ein zusätzlicher Strom. Um diesen unerwünschten Strom möglichst klein zu halten, sollte der Widerstand des Spannungsmessgerätes möglichst groß sein. 14 Die Geräte sind parallel geschaltet, damit man sie unabhängig voneinander in Betrieb nehmen kann. Wären alle Elektrogeräte im Haushalt in Reihe geschaltet, könnte man sie nicht unabhängig voneinander in Betrieb nehmen. Würde man eines ausschalten, gingen alle aus! Um eines zu betreiben, müsste man alle einschalten! 15 a) Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für U g und g enthalten. R 1 R 2 U 1 U 2 U g g 1 2 In der Parallelschaltung gilt: U g = U 1 = U 2 ; 1 R = _ ers R 1 R 2 ; g = (Knotenregel) ImpulsePhysik 7/8 Größen der Elektrizität 61

6 Aufgaben S. 110 b) Das Lernplakat sollte eine Schaltskizze und die Gleichungen für U g und g enthalten. g U g R 1 R U 1 U 2 In der Reihenschaltung gilt: U g = U 1 + U 2 ; R Ersatz = R 1 + R 2 ; g = 1 = 2 (Maschenregel) 16 Individuelle Schülerlösungen. 17 Wenn das Bügeleisen kalt ist, hält die Rückholfeder den Schalter geschlossen. Der Stromkreis durch die Heizwendel ist geschlossen und das Bügeleisen wird heiß. Dadurch biegt sich der Bimetallstreifen nach unten, öffnet den Schalter und der Strom wird unterbrochen. Das Bügeleisen kühlt sich ab, der Bimetallstreifen biegt sich zurück und der Schalter wird wieder geschlossen. Das Bügeleisen wird wieder heiß, und so weiter. 62 Größen der Elektrizität ImpulsePhysik 7/8