Low Cost High Tech Lichterkette -Lösungsvorschlag- Natürlich kennt jeder von euch Lichterketten. Ob am Weihnachtsbaum oder zur Dekoration, nahezu jeder Haushalt besitzt eine Lichterkette. Und vielleicht ist dir auch schon einmal aufgefallen, dass, obwohl eines der vielen Birnchen defekt ist, die anderen davor und dahinter weiterleuchten. Wie ist das möglich? Um dieser Frage nachzugehen, kannst Du mit dieser Bauanleitung selbst ein Modell einer Lichterkette erstellen und so der Funktionsweise einer Lichterkette nachgehen. 178
Inhaltsverzeichnis 1. Material- und Geräteliste 180 1.1 Materialliste 180 1.2 Geräteliste.. 180 2. Lernaufgabe 181 2.1 Erstes Teilexperiment.. 182 2.1.1 Anweisung 1...... 182 2.1.2 Aufgabe 1 182 2.1.3 Aufgabe 2 183 2.1.4 Aufgabe 3 183 2.1.5 Aufgabe 4 183 2.2 Zweites Teilexperiment 184 2.2.1 Aufgabe 1... 184 2.2.2 Aufgabe 2... 184 2.2.3 Anweisung 1.. 185 2.2.4 Aufgabe 3... 185 2.2.5 Aufgabe 4.. 185 2.3 Drittes Teilexperiment... 186 2.3.1 Anweisung 1. 186 2.3.2 Aufgabe 1. 186 2.3.3 Aufgabe 2. 187 2.3.4 Aufgabe 3. 187 2.3.5 Anweisung 2.... 187 3. Hilfen... 189 3.1 Hilfe zu 2.2.1. 189 3.2 Hilfe zu 2.2.2. 189 3.3 Hilfe zu 2.3.2. 190 3.4 Hilfe zu 2.3.4. 191 179
1. Material- und Geräteliste 1.1 Materialliste 1 St. Korkplatte, ca. 20 cm x 10 cm, ca. 8 mm dick 15 St. Reißzwecke ohne Plastikkappe 1 St. 9 V Blockbatterie mit Batterieclip 1 St. Batteriehalter mit 2 Batterien der Größe AAA mit Anschlusskabeln 3 St. Glühbirne E10, 3,0 V 3 St. Fassung E10, mit Lötfahnen 3 St. Heißleiter R 25 = 100 Ohm 2 St. Drahtstück, blank, ca. 30 cm 1.2 Geräteliste Es werden keine zusätzlichen Geräte zum Aufbau benötigt. 180
2. Lernaufgabe Baue mit Hilfe der oben aufgeführten Materialien und Geräte sowie der folgenden Vorgaben Schritt für Schritt ein Modell einer Lichterkette. Mach dich hierzu zunächst mit den im Experimentierset enthaltenen Bauteilen vertraut. Ordne hierzu den folgenden Fotos der Bauteile ihre Schaltzeichen sowie ihre Benennung zu. Verwende hierzu verschiedene Farben. 181
2.1 Erstes Teilexperiment 2.1.1 Anweisung 1 Die beiliegende Korkplatte dient dir als Grundplatte für deinen Aufbau. Mit Hilfe der Reißzwecken kannst du auf ihr die drei Glühbirnen mit ihren Fassungen befestigen. Achte aber darauf, dass die Reißzwecken zwischen den Bauteilen eine leitende Verbindung herstellen. Erstelle nun mit Hilfe der Glühbirnen ein einfaches Modell einer Lichterkette, indem du sie wie im obigen Bild aneinanderreihst. 2.1.2 Aufgabe 1 Fertige eine Schaltskizze deines Lichterkettenmodells an. 182
2.1.3 Aufgabe 2 Wie nennt man eine solche Schaltung? _Reihenschaltung 2.1.4 Aufgabe 3 Du hast in deinem Experimentierset zwei verschiedene Batterien, eine 9 V Blockbatterie und einen Batteriekasten mit 3 V. Welche dieser beiden Spannungsquellen eignet sich am besten für deine Modelllichterkette? Begründe deine Entscheidung und teste sie an deinem Aufbau. Für die Reihenschaltung eignet sich die 9 V Batterie, da 3 Glühbirnen in Reihe geschaltet sind und jede der Glühbirnen eine Spannung von 3 V benötigt. In einer Reihenschaltung addieren sich diese Einzelspannungen. 2.1.5 Aufgabe 4 Was passiert, wenn du eine der Glühbirnen aus der Fassung herausdrehst? Begründe deine Beobachtung. Wenn eine der Glühbirnen aus ihrer Fassung herausgedreht wird, erlöschen alle Glühbirnen, da alle Glühbirnen in einen Stromkreis eingebunden sind und dieser unterbrochen wird. 183
2.2 Zweites Teilexperiment 2.2.1 Aufgabe 1 Wie müssten die Glühbirnen angeschlossen sein, damit bei einem Defekt einer Glühbirne die übrigen Glühbirnen weiterleuchten? Zeichne hierzu eine Skizze und benenne die Schaltung. Falls du Hilfe benötigst, schau unter 3.1 nach. Parallelschaltung 2.2.2 Aufgabe 2 Welche Batterie brauchst du als Spannungsquelle, damit diese Schaltung funktioniert? Begründe deine Entscheidung. Achtung: Falls du dir nicht sicher sein solltest, schau unbedingt in der Hilfe unter 3.2 nach! Da im Gegensatz zur Reihenschaltung im Prinzip jede Glühbirne in der Parallelschaltung ihren eigenen Stromkreis besitzt, muss die Spannungsquelle die Spannung liefern, die eine Glühbirne benötigt. Dies sind 3 V. 184
2.2.3 Anweisung 1 Baue dein Modell auf die obige Schaltungsart um. Hierbei könnten dir die beiden Drahtstücke helfen. 2.2.4 Aufgabe 3 Teste deine Schaltung, indem du eine Glühbirne herausdrehst. Schildere deine Beobachtung und begründe sie. Wenn eine der drei parallelgeschalteten Glühbirnen aus ihrer Fassung herausgedreht wird, leuchten die anderen beiden weiter, da jede Glühbirne in der Parallelschaltung einzeln mit der Spannungsquelle verbunden ist und so ihren eigenen Stromkreis bildet. 2.2.5 Aufgabe 4 Dein jetziges Modell einer Lichterkette hat bereits die gewünschte Eigenschaft. Die übrigen Glühbirnen leuchten nämlich nach einem Defekt einer Glühbirne weiter. Solche Lichterketten werden auch durchaus verwendet. Allerdings gibt es anscheinend auch noch eine andere Aufbauart. Warum kann dein jetziges Modell nicht das gleiche Funktionsprinzip haben wie eine herkömmliche Lichterkette, wie sie hier dargestellt ist? Bei der abgebildeten Lichterkette sind die einzelnen Glühbirnen direkt mit nur einem Leiter miteinander verbunden. Es kann sich somit nicht um eine Parallelschaltung handeln. 185
2.3 Drittes Teilexperiment 2.3.1 Anweisung 1 Wie du beim Benennen und Zuordnen der Bauteile festgestellt hast, liegen deinem Experimentierset sogenannte Heißleiter bei. Diese haben eine ganz besondere Eigenschaft und kommen in diesem Abschnitt nun zur Verwendung. Hierzu musst du nun zunächst wieder den Aufbau der Reihenschaltung herstellen, da dieser in der Verkabelung der unter 2.2.5 abgebildeten Lichterkette entspricht. Wenn du dies getan hast und auch die Spannungsquelle an deinen Aufbau angepasst und angeschlossen hast, dann schließe einen der Heißleiter parallel zu einer der Glühbirnen an. Beobachte, was mit dieser in dem Moment passiert, in dem du den Heißleiter parallelschaltest. Notiere deine Beobachtung. Sobald der Heißleiter parallel zu einer der Glühbirnen geschaltet wird, wird die entsprechende Glühbirne etwas dunkler. 2.3.2 Aufgabe 1 Kannst du die eben gemachte Beobachtung erklären? Falls du Hilfe brauchst, schau unter der Hilfe unter 3.3 nach. Da der Heißleiter zu der Glühbirne parallelgeschaltet wird, fließt durch diese nicht mehr der komplette Strom. Ein kleiner Teil fließt auch durch den Heißleiter. Die Glühbirne wird deshalb dunkler. 186
2.3.3 Aufgabe 2 Was geschieht im Allgemeinen mit einer Glühbirne, wenn sie längere Zeit leuchtet? Tipp: Eine Glühbirne, die lange Zeit in Betrieb war, sollte man nicht direkt nach dem Abschalten anfassen. Wieso ist das so, erkläre? Wenn eine Glühbirne längere Zeit leuchtet, also vom Strom durchflossen wird, wird sie warm beziehungsweise heiß. Neben dem Licht sendet eine Glühbirne auch Wärme aus. 2.3.4 Aufgabe 3 Dreh die Glühbirne, zu der du den Heißleiter parallel geschaltet hast, aus ihrer Fassung und beobachte was geschieht. Erkläre, was hier passiert. Vielleicht hilft dir hierbei auch der Begriff Heißleiter. Falls du Hilfe benötigst, schau unter 3.4 nach. Zuerst gehen die beiden anderen Glühbirnen auch aus. Nach kurzer Zeit beginnen diese aber wieder zu leuchten und werden wieder gleich hell wie vorher bei drei Glühbirnen. Da die Glühbirne den Strom nicht mehr leiten kann, muss dieser nun vollständig durch den Heißleiter fließen. Wie eine Glühbirne, wird auch ein Heißleiter warm, wenn er vom Strom durchflossen wird. Da ein Heißleiter besser leitet, sobald er warm beziehungsweise heiß wird, beginnen die beiden übrigen Glühbirnen wieder zu leuchten. 2.3.5 Anweisung 2 Wenn du nun die beiden anderen Glühbirnen ebenfalls mit parallel zu den Glühbirnen geschalteten Heißleitern ausrüstest, hast du ein Modell einer Lichterkette, wie sie auf der ersten Seite abgebildet ist. 187
Zwar kann man an einer Lichterkette, wie sie auf der ersten Seite gezeigt wurde, die parallelgeschalteten Heißleiter nicht direkt erkennen, trotzdem sind sie da. Sie befinden sich jeweils direkt an der Glühbirne. Links siehst du eine Glühbirne aus einer solchen Lichterkette. In der Mitte wurde der Glaskolben entfernt. G bezeichnet den Glühfaden, der für das Leuchten der Glühbirne sorgt und bei einem Defekt meist durchbrennt. H bezeichnet den Heißleiter, der zum Glühfaden parallelgeschaltet ist. Zum Größenvergleich siehst du rechts ein Streichholz. Quelle: http://www.conatex.com/mediapool/ versuchsanleitungen/vad_physik_ Lichterkette.pdf 188
3. Hilfen 3.1 Hilfe zu 2.2.1Aufgabe 1 Hilfe 1 Bei einem Defekt in der Reihenschaltung leuchten alle Glühbirnen nicht mehr, da der Stromkreis unterbrochen wurde. Wie müssten die Glühbirnen angeschlossen sein, damit trotz des Defekts die beiden übrigen Glühbirnen weiterleuchten? Tipp: Eine solche Schaltung heißt Parallelschaltung. Hilfe 2 Warum würde in der nebenstehenden Schaltskizze bei einem Defekt einer Glühbirne die andere weiterleuchten? (Denke bei deiner Begründung auch an die obere Hilfe 1) Wende dies auf dein Modell mit drei Glühbirnen an. 3.2 Hilfe zu 2.2.2 Aufgabe 2 Damit eine der verwendeten Glühbirnen leuchtet, benötigt diese eine anliegende Spannung von 3 V. Da aber in der vorangegangenen Reihenschaltung jede Glühbirne eine Spannung von 3 V benötigt, müsste die Batterie deshalb eine Spannung von 9 V liefern. Eine Parallelschaltung verhält sich aber im Gegensatz zur Reihenschaltung hinsichtlich der anliegenden Spannung, als hätte jede Glühbirne ihren eigenen Stromkreis. Welche Spannung ist somit notwendig? 189
3.3 Hilfe zu 2.3.2 Aufgabe 1 Du hast in Anweisung 1 einen Heißleiter parallel zur Glühbirne geschaltet und beobachtet, dass die Glühbirne dunkler wurde. Betrachte dir deine Schaltung in einem Wassermodell: Egal wie schwer sich das Wasserrad des Heißleiters dreht, so fließt doch noch Wasser hindurch. Da sich der Wasserstrom aber sowohl vor als auch nach der hier betrachteten Situation wegen den anderen Glühbirnen nicht ändert, verteilt sich das Wasser auf beide Kanäle. Der Wasserstrom durch das Wasserrad der Glühbirne reduziert sich somit. Dieses Wassermodell kannst du auf den elektrischen Stromkreis anwenden. Ein kalter Heißleiter leitet den Strom zwar nur sehr schlecht, dennoch fließt ein kleiner Strom durch ihn hindurch. 190
3.4 Hilfe zu 2.3.4 Aufgabe 3 Hilfe 1 Ein kalter Heißleiter ist ein schlechter Leiter. Deshalb fließt auch nur ein kleiner Teil des Stroms durch den parallelgeschalteten Heißleiter, solange die Glühbirne intakt ist. Dies hast du bereits in 2.3.2 festgestellt. Schau dir hierzu auch noch einmal die Hilfe 3.3 an. Wenn die Glühbirne defekt ist oder herausgedreht wird, kann diese nicht mehr wie zuvor den Großteil des Stroms leiten. Durch welches Bauteil fließt nun also der komplette Strom? Hilfe 2 Wie du in der vorangegangenen Aufgabe festgestellt hast, wird eine Glühbirne heiß, wenn sie leuchtet, also wenn ein Strom durch den Glühfaden fließt. Auch ein Heißleiter erhitzt sich, wenn ein großer Strom durch ihn hindurchfließt. Hilfe 3 Der Name Heißleiter beschreibt die Eigenschaft des Bauteils. Die Leitfähigkeit eines Heißleiters steigt mit seiner Temperatur. Formuliere den Inhalt der Hilfe 1 bis 3 nun in eigenen Worten. 191