ELEXBO ELektro - EXperimentier - BOx 1
Inhaltsverzeichnis 2 Einleitung.3 Grundlagen..3 Der elektrische Strom 4 Die elektrische Spannung..6 Der Widerstand...9 Widerstand messen..10 Zusammenfassung der elektrischen Werte..11 Von der Foto zum Schema..11 Das ohmsche Gesetz 12 Die Serie-Schaltung..15 Ersetzen des Multimeterbildes durch ein Symbol.16 Der Spannungsteiler.17 Die Parallelschaltung 18 Rechnen und Messen in der Parallelschaltung 19 Kombinierte Schaltung.20 Die elektrische Leistung 21 Elektrische Energie 22 Das Potentiometer.23 Der NTC-Widerstand.24 Der PTC-Widerstand.25 Der LDR-Widerstand.26 Der Kondensator 27 Der Schalter...30 Der Taster...30 Die Glühlampe 31 Das Relais 32 Relais-Arten.33 Wichtigkeiten 34....
Einleitung Hallo, 3 Ich freue mich, Sie in die faszinierende Welt der Elektrotechnik begleiten zu dürfen. Nur zwei Tipps habe ich für Sie: 1. Freuen Sie sich, wenn eine Schaltung funktioniert 2. Nehmen Sie sich Zeit Ich habe versucht, Sie nicht mit zuviel Theorie zu belasten, sondern Sie die Elektrizität erleben zu lassen. Grundlagen Beginnen wir: Bauen Sie die erste Schaltung nach dem Foto auf. Betätigen Sie den Schalter und freuen Sie sich, wenn die Lampe leuchtet. Sie haben Ihre erste elektrische Schaltung verwirklicht. Ziehen Sie nun an beliebigen Stellen ein Kabel aus. Was passiert? Egal wo Sie unterbrechen, immer löscht die Lampe Somit muss doch in den Kabeln etwas passieren? Aber was?
4 Ziehen Sie nun beide Stecker am Schalter aus und halten die goldenen Enden aneinander. Jetzt leuchtet die Lampe! Halten Sie nun die beiden Stecker am roten Teil zusammen. Jetzt leuchtet die Lampe nicht. Warum? Da muss sich doch etwas durch das Kabel bewegen, damit die Lampe leuchtet und zwar nur durch das Metall. Hier muss nun etwas Theorie einsetzen. Der elektrische Strom Wenn man in ein Kabel genau hineinsieht, erkennt man, dass es aus einer Isolation aus Kunststoff und innen aus einem Metall-Draht (Kupferdraht) besteht. Schaut man nun ganz genau ins Metall Kupfer hinein, erkennt man, dass es aus Atomen besteht. Atome sind die kleinsten Bauteile. Betrachten wir nun also so ein Kupferatom, erkennen wir, dass es aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Elektron
5 Die Elektronen umkreisen den Kern aus Protonen und Neutronen. Nun bestehen alle Materialien aus unterschiedlichen Atomen. Metalle haben nun die spezielle Eigenschaft, dass sie auf der äussersten Schale ein einzelnes Elektron haben, welches man leicht wegbewegen kann. Wenn sich also Elektronen durch den Draht bewegen, nennen wir dies elektrischen Strom. Und dies können wir messen. Bauen Sie die Schaltung wie auf dem Foto auf (Rotes Kabel auf A, und schwarzes Kabel auf COM ). Dazu lassen wir die Elektronen durch das Messgerät (Multimeter) fliessen. Stellen Sie am Multimeter den Drehschalter auf A-. Schliessen Sie den Schalter, die Lampe leuchtet und das Multimeter zeigt in der Anzeige 0.08 A. Schalten wir die Lampe aus, zeigt die Anzeige 0.00 A. Wir können sagen: Es fliesst ein Strom von 0.08 Ampere. Der elektrische Strom wird gemessen in der Einheit Ampere, abgekürzt ein grosses A. Warum sollten nun aber die Elektronen durch den Draht fliessen wollen? Wer drückt die Elektronen durch den Draht?
Die elektrische Spannung 6 Hierzu wieder etwas Theorie. Betrachten wir die Batterie, welche schon auf dem Arbeitsbrett montiert ist. Sie besteht aus einem Gehäuse mit zwei metallischen Anschlüssen Der obere Anschluss ist mit einem Pluszeichen versehen und heisst darum Pluspol Der untere Anschluss ist mit einem Pluszeichen versehen und heisst darum Minuspol Auf der Batterie ist zusätzlich das Symbol dargestellt. Der obere breite Balken zeigt an, dass es sich hier um den Pluspol handelt. Zusätzlich sehen Sie dazu auch das Pluszeichen. Was ist nun im Innern der Batterie? Sie besteht aus zwei getrennten Behältern, welche mit Metall gefüllt sind. In der Elektrotechnik interessieren uns nur die im Atom beweglichen Elektronen und so sind in der Batterie nur die freibeweglichen Elektronen dargestellt. In beiden Behältern hat es hier gleichviele Elektronen. Die Batterie ist nicht geladen.
7 Wie verbinden nun die leere Batterie mit einem langen aufgewickelten Draht (Fachausdruck dafür ist Spule) Da passiert noch nichts Bewegt man nun einen Dauermagneten an der Spule vorbei, kann man die Elektronen im Innern des Drahtes bewegen. So werden nun Elektronen aus dem Minuspol abgesaugt. Der bewegende Dauermagnet saugt also die Elektronen aus dem Minuspol ab und pumpt sie in den Pluspol. Im Pluspol wird der Platz nun knapp und das Gedränge nimmt zu. Im Minuspol hat es immer mehr Platz Die Batterie wird geladen
8 Wenn nun alle Elektronen im Pluspol sind, ist die Batterie geladen. Im Pluspol herrscht nun ein grosses Gedränge. Die Batterie ist geladen. Im Pluspol der Batterie herrscht nun ein grosses Gedränge. Die überzähligen Elektronen wollen zurück in den Minuspol. Wie stark die Elektronen aus dem Pluspol drängen ist das Mass der Spannung in Volt. Name Einheit Einheit gekürzt Spannung Volt V Und diese Spannung können wir messen. Schalten Sie Ihr Messgerät ein und wählen am Drehknopf die Einheit V---. Verbinden Sie das rote Kabel von Batterie-Plus mit dem Messgerät-Anschluss V Verbinden Sie das schwarze Kabel von Batterie- Minus mit dem Messgerät-Anschluss Com. Je nach Messgerät sollte das Voltmeter jetzt eine Spannung von 4.2 V bis 4.8 V anzeigen. 4.8 V zeigt, dass die Batterie voll geladen ist. Die Spannung einer Batterie sagt aus, mit wieviel Druck die Elektronen aus der Batterie gedrückt werden.
9 Bauen Sie nun diese Schaltung auf. Wenn Sie nun den Schalter betätigen und die Lampe leuchtet, herrscht an der Lampe eine Spannung von ca. 4.3 bis 4.6 V. Wenn Sie den Schalter öffnen und die Lampe erlischt, herrscht an der Lampe keine Spannung und das Voltmeter zeigt 0 V an. Betrachten Sie die Helligkeit der Lampe und versuchen, sich die Helligkeit zu merken. Ergänzen Sie nun die Schaltung mit dem 47 Ω Bauteil. Betrachten Sie nun die Helligkeit und messen die Spannung. Die Lampe leuchtet schwächer und die Spannung an der Lampe ist nur noch ca. 2.2 V. Die Elektronen können nicht mehr ungebremst durch die Glühlampe fliessen, der 47 Ω Widerstand bremst die Elektronen. Und damit sind wir bei der dritten Grösse!!! Der Widerstand Würden wir den Pluspol direkt mit einem Kabel mit dem Minuspol verbinden, könnten die Elektronen ungebremst wieder in den Minuspol zurückfliessen und dabei das Kabel so stark erhitzen, dass es schmilzt. Dies wäre ein Kurzschluss und zerstört Bauteile
10 Die Elektronen müssen gebremst werden. Dies geschieht mit dem Widerstand. Das Bild zeigt das Widerstands-Bauteil. Es hat an seinem Umfang Farbringe. Diese zeigen an, wie gross der Widerstand ist. Zusätzlich ist das Bauteil als Symbol mit dem dazugehörigen Wert beschrieben. Die Zahl 47 zeigt an, wie stark die Elektronen gebremst werden. Je grösser die Zahl, umso mehr werden die Elektronen gebremst. Ω heisst Ohm und ist die Einheit für den Widerstand Wir sagen: Der Widerstand hat einen Wert von 47 Ohm Widerstand messen Schalten Sie Ihr Messgerät ein und wählen am Drehknopf die Einheit Ω. Verbinden Sie das rote Kabel von Batterie-Plus mit dem Messgerät-Anschluss Verbinden Sie das schwarze Kabel von Batterie- Minus mit dem Messgerät-Anschluss Com. Je nach Messgerät sollte das Ohmmeter jetzt einen Wert von 46 Ω bis 48 Ω anzeigen. Der Widerstandswert hat eine Toleranz und darum ist diese Wertschwankung möglich. Achtung: Bei Widerstandsmessungen müssen alle Anschlüsse im Stromkreis entfernt werden. Hier sehen Sie verschiedene Widerstandstypen. Oben sieht man mit Direktbeschriftung des Wertes, unten mit Farbcodierung (Tabelle für Farbkodierung siehe Datenwerte Bauteile Reg.9)
11 Zusammenfassung der elektrischen Werte Die Spannung in Volt zeigt, wie stark die Elektronen durch den Draht gedrückt werden. Der Strom in Ampere zeigt, wieviele Elektronen durch den Draht fliessen. Der Widerstand in Ohm zeigt, wie stark die Elektronen gebremst werden. Von der Foto zum Schema Ein Foto braucht viel Speicherplatz und man erkennt die Bauteile nicht optimal. Darum werden die Bauteile in der Elektrotechnik mit Symbolen angezeigt. Anstelle der Foto wird nur das Symbol gezeichnet. Auf jedem Bauteil ist auch das Symbol aufgezeichnet. Betrachten Sie nun alle Bauteile und die dazugehörigen Symbole. Messen Sie die Widerstandsbauteile mit Ihrem Ohmmeter. Alle Bauteile mit den Symbolen finden Sie im Register 8, Bauteile Beschrieb. Bauen Sie nun diese Schaltung auf, die nur noch mit Symbolen gezeigt wird. Es ist die gleiche Schaltung, die Sie oben als Foto sehen.