Wiederholung: Elektrische Grundschaltungen - Lehrer
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Wiederholung: Elektrische Grundschaltungen - Lehrer
LGÖ Ks Ph 12 4-stündig 15.11.2010 Wiederholung: Elektrische Grundschaltungen Schaltzeichen Batterie (der längere Strich ist der Pluspol): Elektrische Quelle (beispielsweise Netzgerät): Glühlampe: Spannungsmessgerät (Voltmeter): Widerstand: U Stromstärkemessgerät (Amperemeter): I Spannung Eine exakte Definition des Begriffs „Spannung“ wird im Unterricht besprochen; wir begnügen uns hier mit einer anschaulichen Vorstellung. Die Spannung einer elektrischen Quelle ist ein Maß für ihre „Stärke“. Einheit: 1 V (Volt) Der einfachste Stromkreis besteht aus einer elektrischen Quelle (beispielsweise einem Netzgerät oder einer Batterie), einem Verbraucher (beispielsweise einer Glühlampe) und Leitungen. Ein Modell für einen solchen Stromkreis ist ein Wasserkreislauf: Eine Pumpe pumpt Wasser hoch, das über eine Turbine (und Verbindungsrohre) wieder zurückfließt. Der Spannung der Stromquelle entspricht die Höhe, um die die Pumpe das Wasser hochpumpt. Je größer die Spannung der elektrischen Quelle beziehungsweise die Pumphöhe ist, umso mehr „passiert“ im Stromkreis beziehungsweise im Wasserkreislauf. Schaltet man mehrere elektrische Quellen hintereinander, dann addieren sich die Spannungen; beispielsweise gilt in nebenstehender Schaltung U = U1 + U 2 . Das entspricht der Hintereinanderschaltung zweier Pumpen, deren Pumphöhen sich dann addieren. U2 U1 U Stromstärke Elektrischer Strom ist fließende elektrische Ladung. In einem festen Körper, der elektrisch leitfähig ist, ist ein Teil der Elektronen frei beweglich; diese fließen durch den Leiter. Die Stromstärke hängt davon ab, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt (im Bild dunkel schraffiert) treten. Definition: Die Stromstärke I ist der Quotient aus der durch einen Leiterquerschnitt fließenden Ladung Q und der dazu benötigten Zeit t: Q I= . t Q (Ampere) Einheit: 1 A = 1 s 01a_wdh_elektrischegrundschaltungen 1/4 LGÖ Ks Ph 12 4-stündig 15.11.2010 Die Stromstärke gibt also an, wie viel Ladung pro Sekunde durch einen Leiterquerschnitt fließt. I Die technische Stromrichtung in einem Stromkreis mit einer Gleichspannungsquelle ist folgendermaßen festgelegt: Vom Pluspol der elektrischen Quelle durch den Stromkreis zum Minuspol der elektrischen Quelle. I I Tatsächlich ist es genau umgekehrt: Eine Gleichspannungsquelle pumpt Elektronen von ihrem Pluspol zu ihrem Minuspol, so dass dort ein Überschuss an Elektronen ist. Diese Elektronen fließen durch den Stromkreis zum Pluspol, wo ein Elektronenmangel ist. Dass die technische Stromrichtung „falsch herum“ festgelegt ist, kommt daher, dass man diese Festlegung zu einer Zeit getroffen hat, als man noch nicht wusste, dass in einem Stromkreis Elektronen fließen. Man hat diese Festlegung aber beibehalten und denkt auch heute noch in einem Stromkreis „von Plus nach Minus“. In einem unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke überall gleich; beispielweise gilt in nebenstehender Schaltung I1 = I 2 . Das ist anschaulich klar, denn alle Elektronen, die durch den einen Widerstand fließen, müssen auch durch den anderen Widerstand fließen. In einem verzweigten Stromkreis addieren sich die einzelnen Ströme zum Gesamtstrom; beispielsweise gilt in nebenstehender Schaltung I = I1 + I 2 . Auch das ist anschaulich klar, denn alle Elektronen, die durch einen der beiden Widerstände fließen, müssen durch die gemeinsame Zuleitung fließen. I1 I2 I I1 I2 Ohmsches Gesetz und elektrischer Widerstand Legt man eine Spannung an einen elektrisch leitfähigen Körper, dann fließt ein Strom. Für viele Leiter gilt bei konstanter Temperatur näherungsweise (!): Ohmsches Gesetz: Die Stromstärke I ist proportional zur Spannung U. Für einen elektrisch leitfähigen Körper, für den das ohmsche Gesetz gilt, ist also der Quotient U I konstant. Dies ermöglicht folgende Definition: Der Widerstand R eines Leiters ist der Quotient aus der Spannung U zwischen den Leiterenden und der Stromstärke I: U R= . I V Einheit: 1 Ω = 1 (Ohm) A Als Eselsbrücke kann man die Definitionsgleichung nach U auflösen, also U = R ⋅ I , und merkt sich diese Gleichung als Uri (wie der schweizer Kanton). 01a_wdh_elektrischegrundschaltungen 2/4 LGÖ Ks Ph 12 4-stündig 15.11.2010 Legt man eine Spannung U an einen Widerstand R, dann fließt nach U dem ohmschen Gesetz ein Strom der Stärke I = . Die Stromstärke R ist also umso größer, je kleiner der Widerstand ist; das entspricht der umgangssprachlichen Bedeutung des Wortes „Widerstand“. U R Fließt innerhalb eines Stromkreises ein Strom der Stärke I durch einen Widerstand R, dann tritt zwischen den Enden des Leiters die Spannung U = R ⋅ I auf. I R U Schaltung von Widerständen Reihenschaltung zweier Widerstände R1 und R2 : Die Stromstärken sind gleich: I1 = I 2 . Schreibe hierfür I. Die Spannungen addieren sich: U ges = U1 + U 2 . Für den Gesamtwiderstand gilt U ges U1 + U 2 U1 U 2 Rges = = = + = R1 + R2 , I I I I also Rges = R1 + R2 . R1 I U1 U ges R2 U2 Merke: Bei der Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand die Summe der einzelnen Widerstände. Insbesondere ist der Gesamtwiderstand größer als jeder Einzelwiderstand (was auch anschaulich klar ist). Parallelschaltung zweier Widerstände R1 und R2 : Die Spannungen sind gleich: U1 = U 2 . Schreibe hierfür U. Die Stromstärken addieren sich: I ges = I1 + I 2 . Für den Kehrwert des Gesamtwiderstands gilt I ges I1 + I 2 I1 I 2 1 1 1 1 1 1 , = = = = + = + = + U Rges U U U U U U R1 R2 I ges I1 I 2 also I ges R1 I1 I2 R2 I ges 1 1 1 = + . Rges R1 R2 Merke: Bei der Parallelschaltung ist der Kehrwert des Gesamtwiderstands die Summe der Kehrwerte der einzelnen Widerstände. Insbesondere ist der Gesamtwiderstand kleiner als jeder Einzelwiderstand (was auch anschaulich klar ist). 01a_wdh_elektrischegrundschaltungen 3/4 LGÖ Ks Ph 12 4-stündig 15.11.2010 Messung von Spannung und Stromstärke Zur Messung der Spannung an einem Widerstand muss man das Spannungsmessgerät parallel zu dem Widerstand schalten. Dabei fließt durch das Spannungsmessgerät ein Strom, der den ursprünglichen Stromkreis verändert. Dieser Strom soll möglichst klein sein. Also sollte ein Spannungsmessgerät einen möglichst großen Innenwiderstand haben. U Zur Messung der Stromstärke in einem Widerstand muss man das Strommessgerät in Reihe zu dem Widerstand schalten. Dabei tritt an dem Strommessgerät eine Spannung auf, die den ursprünglichen Stromkreis verändert. Diese Spannung soll möglichst klein sein. Also sollte ein Strommessgerät einen möglichst kleinen Innenwiderstand haben. I Aufgaben 1) a) Bei der Parallelschaltung zweier Widerstände R1 und R2 gilt für den Gesamtwiderstand Rges : 1 1 1 . = + Rges R1 R2 Zeige, dass diese Gleichung äquivalent ist zu der Gleichung R ⋅R Rges = 1 2 . R1 + R2 b) Berechne den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung zweier Widerstände von jeweils 1 Ω . 2) In der nebenstehenden Schaltung ist U = 10 V , R1 = 100 Ω , R2 = 500 Ω und R3 = 1 kΩ . Berechne • den Gesamtwiderstand Rges ; • die Ströme I1 , I 2 und I 3 in den Widerständen R1 , R2 und R3 ; • die Spannungen U1 , U 2 und U 3 an diesen Widerständen. R1 U R2 R3 3) Mit einem Spannungs- und einem Strommessgerät soll gleichzeitig die Spannung an einem Widerstand sowie die Stromstärke in dem Widerstand gemessen werden. Hierfür gibt es im Wesentlichen zwei verschiedene Möglichkeiten; zeichne für beide Möglichkeiten ein Schaltbild. Erläutere, welche Größe bei welcher Möglichkeit exakt gemessen wird. Hinweis: Die eine Möglichkeit nennt man „Spannungsfehlerschaltung“, die andere „Stromfehlerschaltung“. Zusatzaufgabe Zwölf gleiche Widerstände R werden zu einem Würfel zusammengelötet. Welchen Widerstand misst man zwischen den Endpunkten einer Raumdiagonale? 01a_wdh_elektrischegrundschaltungen 4/4