Ohm´sche und Nichtohm´sche Leiter

Messen, steuern, regeln
Elektrische Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand
Das ohmsche Gesetz und seine Grenzen
Info
Worüber du dich informieren (und was du in Kurzform als “theoretische Grundlagen“ im Protokoll
notieren ) sollst:
*
Definition des Widerstands in Worten und Symbolen, Maßeinheit des Widerstands
*
Was besagt das ohmsche Gesetz in Worten ?
*
Was folgt daraus für den Widerstand eines solchen Leiters ?
Geräte
Netzgerät
2 Messgeräte
Experimentier – Stecksystem
2 Krokodilklemmen
zusätzliche Bauteile: Heißleiter
V.1
Das ohmsche Gesetz bei Metallschichtwiderständen
a)
Quelle 0 ... 6 V
Metallschichtwiderstand z. B. 270 Ω (Herstellerangabe ± 1%), Ampere - und Voltmeter.
Empfehlung für den Aufbau von Schaltungen am Steckbrett:
Erstelle eine ausführliche dreizeilige Messtabelle mit U (Schrittweite 1,0 V ) , I und R und prüfe
damit das ohmsche Gesetz und die Herstellerangabe.
Info:
b)
Mache dasselbe mit einem anderen Widerstand, z. B. 1 Ω k.
c)
Für die häusliche Nacharbeit: Zeichne die U - I- Kennlinien der zwei Widerstände in ein
gemeinsames Achsenkreuz (U auf der Horizontalachse, I auf der Vertikalachse — jeweils mit
geeigneten Maßeinheiten). Reserviere dir dazu eine halbe Seite in deinem Protokoll.
Leiter, die das ohmsche Gesetz erfüllen, nennt man ohmsche Leiter.
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V.2
Kein Ideal ohne Ausnahmen : Die Glühlampe 6 V / 0,05 A
Ersetze den Widerstand durch eine Glühlampe, nimm wieder eine U/I/R - Messtabelle auf.
Achte darauf, dass du die Spannung wirklich nicht über 6 V einstellst!!
Zeichne zuhause die U-I-Kennlinie.
Versuche aus Büchern oder anderen Informationsquellen eine Erklärung für das “seltsame“
Widerstands-Verhalten der Glühlampe zu finden und notiere sie im Protokoll.
Info:
Statt von ohmschen Leitern spricht man in diesem Fall von Kaltleitern. Warum wohl?
V.3
Schnell arbeitende Gruppen könnten an dieser Stelle einen Versuch überlegen, mit dem die
Erklärung zu V.2.2 überprüft werden kann (wenn auch nicht mit einer Glühlampe)
→ Rücksprache mit mir.
Langsamer arbeitende Gruppen lassen sich den Versuch erklären und notieren nur das wesentliche
Ergebnis.
V.4
Verrücktes Material : Halbleiterwiderstand
Ersetze die Glühlampe durch einen Halbleiterwiderstand “470 Ω”.
Achtung! maximal 5 V; ggf. 0,5 V- Schritte wählen!
Achtung! Das Bauteil wird (sehr!) heiß!
Tabelle! U-I-Kennlinie!
Insbesondere bei höheren Spannungen solltest du seltsame Erscheinungen beobachten.
‘Info‘:
Statt von Halbleitern spricht man auch von Heißleitern. Warum wohl?
V.5
Der Widerstand einer black box
Besorge dir eine black box “G”. Es handelt sich dabei um ein unbekanntes elektrisches Gerät,
dessen Innenleben für dich verborgen, gewissermaßen im Dunkeln liegt: deswegen der Name! Es
lässt sich aber an eine Quelle (0...6 V) anschließen.
Bestimme den Widerstand des Geräts.
Öffne danach das Gerät und notiere genau seinen Innenaufbau in Form einer üblichen Schaltskizze
(mit Angabe der Widerstandswerte).
‘Info‘:
Man spricht davon, dass du den Ersatzwiderstand ( Rers ) der “black box” bestimmt hast.
Sicherlich wirst du erwarten, dass z.B. ein Radiogerät oder auch ein Fön nicht einfach nur aus einem
Widerstand besteht. Im Innern dieser Geräte mag der Strom mehr oder minder komplizierte Wege
gehen, sich seltsam aufteilen und wieder vereinigen oder sonstige Kapriolen schlagen. Dem
gesamten Gerät lässt sich trotzdem ein Widerstand zuordnen, eben der Ersatzwiderstand. Er stellt
(gedanklich) einen einzigen Widerstand dar, durch den man das komplizierte Gerät ersetzen kann,
und zwar so, dass — an derselben Quelle angelegt — derselbe Strom in das Gerät hinein- bzw.
wieder aus ihm herausfließen würde.
Mit solchen Schaltungen wirst du dich im Rahmen des Elektrik-Unterrichts in Klasse 10 genauer
beschäftigen.
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Messen, steuern, regeln
Aufgaben
A.1
Nachfolgend sind drei U-I-Kennlinien und drei U-R-Kennlinien aufgezeichnet. Ordne sie einander zu
und gib jeweils an, um welchen Typ von Leiter es sich handelt:
A.2
Die nebenstehende Schaltskizze zeigt das
komplizierte “Innenleben” eines Geräts. Die
Messgeräte M1 , ... M6 gehören natürlich nicht zum
Gerät. Sie sind von einem Elektrik-Praktikanten
(oder einem Service-Techniker) eingebaut worden,
die Schaltung “auszumessen”, d.h. deren richtiges
Arbeiten zu überprüfen.
um
Deine Aufgabe:
a) Welche Messgeräte sind Ampere-, welche sind
Voltmeter, wenn sie sinnvoll eingeschaltet sind?
b) Welche dieser Messgeräte braucht der Praktikant
(oder Techniker) nur, wenn er nur den Ersatzwiderstand der Schaltung (d.h. des “Geräts”)
bestimmen will?
A.3*
Die Prozessoren von Computern werden im Betrieb ständig durch ein Gebläse gekühlt. Beschreibe
wie sich ohne Kühlung die Stromstärke mit der Zeit verändern würde.
Hinweis: Es handelt sich um Halbleiter-Bauelemente !
***************
A.4
b)
c)
A.5
Eine übliche Lampe hat die Nenndaten 230 V / 60 W.
Wie groß ist der Strom, der durch die Lampe bei Normalbetrieb fließt? Welchen Widerstand hat die Lampe
deshalb?
Berechne unter der Annahme, dass für die Glühlampe das ohmsche Gesetz gilt:
Welche Leistung gäbe diese Lampe ab, wenn die anliegende Spannung 115 V wäre, d.h. 50% unter der
Nennspannung? Wieviel % weniger als die Nennleistung 60 W wären dies?
Das Ergebnis von b) ist bekanntermaßen nicht korrekt. Gib mit Begründung an, ob die tatsächliche
Glühlampenleistung bei U=115 V höher oder niedriger als der berechnete Wert ist.
Die in elektronischen Schaltungen häufig verwendeten kleinen Metallschichtwiderstände vertragen keine
hohen Ströme. Typisch ist, dass sie maximal 0,25 W Leistung abgeben dürfen. Sie geben die elektrische
Energie nämlich vollständig als Wärme ab und würden bei zu großer Wärmeleistung zerstört werden, im
Extremfall gar verdampfen.
a)
Leite die Leistungsformeln P = R . I 2 bzw. P = U 2 / R her.
b)
Berechne damit, welche Spannung an einem 270 Ω -Widerstand höchstens angelegt werden darf, der
ebenfalls ein 1/4 -Watt-Typ ist.
c)
Warum habe ich euch den Versuch V.1 nicht mit einem 10 Ω -Metallschicht-Widerstand machen
lassen? Welche Vorgaben für die Versuchsdurchführung hätte ich euch andernfalls geben müssen?
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