Elektronische Schaltungen

kolleg -texte
Mathematik
W. Kohlmann u.a.
Lineare Algebra und Analytische
Geometrie
Best.· Nr. 826
G. Harbeck
Einfiihrung in die formale Logik
Best.-Nr.810
R. Engelhard u.a.
Lineare Abbildungen, affine
Abbildungen, Kegelschnitte
Best.-Nr.827
H. Bock / S. Gottwald / R.-P. Muhlig
Zum Sprachgebrauch in der Mathematik
( Lernprogramm)
Best.- Nr. 823
Informatik
J. E. Whitesitt / B. Stumpf
Einfiihrung in die Boolesche Algebra
Best.- Nr. 820
G. Lamprecht / S. Luhrs / W. Mulier
Programmieren mit FORTRAN IV - Einfuhrung mit Obungen
Best.- Nr. 821
Physik
W. NeusuB
Elektronische Schaltungen
Best.-Nr.824
H. Dahncke
Kinetische Gastheorie
(Lernprogramm)
Best.- Nr. 1580
H. Pientka
Leitungsvorgiinge in Metal/en und
Halbleitern
Lehrbuch :
Best.- Nr. 825
Arbeitsbuch: Best.- Nr. 828
P. Berger
Philosophische Grundgedanken zur
Struktur der Physik
Best.- Nr. 520
Gemeinschaftskunde
W. Dege
GroBraum Ruhr
Wirtschaft, Kultur und Politik im Ruhrgebiet
Best.-Nr.822
Walter NeusOB
Elektronische
Schaltungen
Mit 175 Bildern
8est.-Nr. 824
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Der kolleg-text Elektronische Schaltungen ist herausgegeben von Gerd Harbeck
Der Autor Walter Neusufi ist Oberstudienrat an der Hebbelschule in Kiel
Verlagsredaktion: Albrecht A. Weis
1975
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1975
Urspriinglich erschienen bei Friedr. Wieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, 1975
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Satz: Vieweg, Braunschweig
ISBN 978-3-528-00824-6
D O I 10.1007/978-3-663-14143-3
ISBN 978-3-663-14143-3 (eBook)
Vorwort
Es ist bekannt, da:B die Elektronik einen wesentlichen Beitrag zur Gestaltung der heutigen Umwelt geleistet hat. Viele Forschungsinstitute und Industriezweige beschaftigen sich ausschlie:Blich mit elektronischen Problem en.
Fast jedes elektrische Gerat, das von uns benutzt wird, enthalt einen "Hauch"
von Elektronik.
Die EinfUhrung der Kollegstufe/Studienstufe hat nun die Moglichkeit
ergeben, auch im Unterricht Teilgebiete der Physik und Technik zu behandeln,
die frtiher in diesem Umfang nicht verbindlich fiir alle Schiller vorgesehen
werden konnten. Ein soiches Thema ist auch die Elektronik, das in vielen
Landerlehrplanen angeboten wird und bei den Schillem meistens auf reges
Interesse sto:Bt.
Ein Lehrer, der einen Kurs tiber Elektronik abhalten mochte, ist vor die
schwierige Aufgabe gestellt, den Kurs inhaltlich so zu gestalten, da:B einerseits
die physikalischen Grundlagen hinreichend erarbeitet werden und da:B andererseits nicht nur die Funktionsweise der Bauteile erlautert wird, sondem auch
Schaltungen besprochen und untersucht werden. Erst durch das Verstandnis
elektronischer Schaltungen und deren Anwendungsmoglichkeiten wird dem
SchUler die Bedeutung der Elektronik bewu:Bt.
Das vorliegende Buch zeigt eine Moglichkeit auf, die Behandlung elektronischer Schaltungen mit einem geringen mathematischen Aufwand durchzuflihren. Dies wird moglich, weil nicht die analoge Arbeitsweise im Vordergrund steht, sondem tiberwiegend digital arbeitende Schaltungen untersucht
werden. Dabei kommt die Dberzeugung zum Ausdruck, da:B gerade die Digitalelektronik typisch ist fUr eine moderne Arbeitsweise mit Bausteinen. Au:Berdem gelangt man so mit wenigen Vorkenntnissen zur Erklarung von relativ
komplizierten Geraten.
Es ist nicht beabsichtigt, eine auch nur annahernd vollstandige Behandlung
der Elektronik darzustellen. Vielmehr solI ein Ansto:B fUr die weitere Arbeit
auf dem Gebiet der Elektronik gegeben werden.
Walter Neusiif3
Gettorf, im Oktober 1974
I nhaltsverzeichnis
O.
Der Widerstand und der Kondensator
0.1.
0.2.
Der Widerstand in der Spannungsteilerschaltung
Der Kondensator als zeitabhangiger Widerstand
1
4
1.
Leitungsvorgange in Stoffen
8
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Elektrischer Strom entsteht durch Bewegung geladener Tei1chen
Leitungsvorgang in Metallen - das Elektron
Nachweismoglichkeiten bewegter Ladungstriiger
Leitungsvorgang in Halbleitern
Abhangigkeit der Leitfahigkeit bei Halbleitern von Warme- und Lichtenergie
Erhohung der Leitfahigkeit von Halbleitern durch Dotieren
8
11
14
18
21
26
2.
Elektronische Bauelemente
28
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Die Wirkungsweise der Halbleiterdiode
Anwendungsbeispiele flir die Halbleiterdiode
Einfache Versuche mit einem Transistor
Erklarung der Wirkungsweise eines Transistors
Der Transistor als Schalter
32
36
39
42
3.
Zuordner-Schaltungen
45
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
Analoge und digitale Messung
Die Umkehrstufe und die Regenerationsstufe
Die NAND- und die UND-Schaltung
Die NOR- und die ODER-5chaltung
Die Addition von Dualzahlen
45
4.
Impulse und Impulsumformungen
62
4.1.
4.2.
4.3.
Verschiedene Impulsformen und deren Beschreibung
Erzeugung von Rechteckimpulsen durch Impulsformung
Die RC-Schaltung
62
64
28
48
51
55
58
67
5.
Kippschaltungen
71
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.8.
5.9.
Die bistabile Kippstufe
Dekodierung von Dualzahlen
Eine elektronische Verriegeiungsschaltung
Ein Flipflop mit Zwischenspeicher
Frequenzteilerschaltungen
Ein elektronisches Zahlgerat
Die astabile Kippstufe
Die monostabile Kippstufe
Aufbau eines digital arbeitenden Frequenzmessers
71
89
92
95
6.
Der Transistor als Verstarker
98
6.1.
6.2.
6.3.
Die Stromsteuerkennlinie eines Transistors
Beschreibung eines Transistors durch seine Kennlinien
Entwicklung eines Transistorverstarkers
Sachwortverzeichnis
74
77
79
82
86
98
100
103
107
O. Der Widerstand und der Kondensator
0.1. Der Widerstand in der Spannungsteilerschaltung
Ftir die meisten elektronischen Genite werden elektrische Energiequellen benutzt, die
eine konstante Spannung, z.B. Uo = lOY liefem. Sollen nun in einem elektronischen
Gerat verschiedene Energieverbraucher angeschlossen werden, so ergibt sich ein Problem,
wenn die Energieverbraucher eine unterschiedliche Spannung zum Betrieb ben6tigen.
Eine Gltihlampe solI z. B. an eine Spannung UG L = 3 Y und ein Elektromotor an eine
Spannung UM = 5 Y angeschlossen werden.
Eine Schaltung, die von einer vorgegebenen Spannung Uo eine Teilspannung Ul erzeugt,
wird SpannungsteUerschaltung oder kurz Spannungsteiler genannt. Ein Spannungsteiler
besteht im einfachsten Fall aus zwei Widerstiinden, also elektrischen Bauelementen, fUr
die das Ohmsche Gesetz U - 1 gilt. Man nennt sie daher auch "ohmsche" Widerstande .
... Versuch 0.1: Zwei Widerstiinde mit den Werten Rl und R2 werden in Reihe geschaltet
und mit einer Energiequelle verbunden (Bild 0-1). Die Spannung Uo der Energiequelle
und die Spannung Ul tiber dem Widerstand mit dem Wert Rl werden gemessen.
r-I
IR2
+
I
I
I
RG=Rl+R2
.1'_,
I
I
I
I
I
I
I
:R,
I
IL __
]
BUd 0-1. Aus zwei in Reihe geschalteten Widerstanden entsteht ein Spannungsteiler.
BUd 0-2. Die Teilspannung U l ist durch die
Werte von R .. R2 und Uo bestimmt.
Beobachtung: Sind beide Widerstandswerte gleich grof.\, z.B. Rl = R2 =100.n, so betragt die Spannung U l genau die Halfte der Betriebsspannung Uo, z.B. fUr Uo = lOY
ist Ul = 5V.
Ergebnis: {)ber dem Widerstand mit dem Wert R 1 entsteht eine Spannung, die kleiner
als die Betriebsspannung ist.
Die Spannung U1 (BUd 0-2) kann folgenderm~en aus den bekannten Werten von Rl
und R2 und der Betriebsspannung errechnet werden:
Die Stromstarke ist bei der Reihenschaltung an jeder Stelle des Stromkreises konstant,
i l = 12 , Auf.\erdem besitzen zwei in Reihe geschaltete Widerstiinde einen Gesamtwider1
stand mit dem Wert R o , der sich als Summe der einzelnen Widerstiinde mit den Werten
und R2 ergibt: Ro = RI + R 2 . Die Beziehung R =
lii~t sich fUr alle reile des
If
RI
Stromkreises anwenden. Die Gesamtstromstiirke 10 ergibt sich aus 1= R
Spannung UI gilt UI = R
RI
oder UI =
RI +R2 .
I ' I.
I
,
fUr die
2 U
Da die Stromstiirke liberall gleich gro~ ist, folgt
RI
I
=
R
I
U
+~
2
Uo·
Dies Ergebnis solI am Me&rgebnis von Versuch 0.1 liberprtift werden: Da
wurde, ist UI
~~
= ~o.
RI
= R2 gewahlt
Das stimmt mit dem Versuchsergebnis liberein. Auch bei Wahl
anderer Widerstandswerte wird die gefundene Beziehung fUr UI bestiitigt.
Zum Verstiindnis der Arbeitsweise einer elektronischen Schaltung ist die genaue Berechnung eines Spannungsteilers nicht erforderlich. Es reicht meist die Kenntnis einiger
Sonderfalle aus.
1. Sonderfall: Der Widerstand mit dem Wert
mit dern Wert R 2 •
•
RI
ist sehr viel gro~er als der Widerstand
Versuch 0.2: Der Versuch 0.1 wird mit den Widerstandswerten
1 kn wiederholt.
RI
= 100 kn
und
R2 =
Beobachtung: Das Spannungsme~geriit zeigt fUr UI fast die gesamte Betriebsspannung
Uo an. Dies Ergebnis kann durch die Rechnung liberprtift werden. Allgemein gilt fUr den
Fall RI ~ R 2 : Der Zahler und der Nenner in dem Bruch
gilt UI ~ Uo .
2. Sonderfall: Der Widerstand mit dem Wert
dem Wert R 2 •
•
Rl
Rl~~2
sind fast gleich. Also
ist viel kleiner als der Widerstand mit
Versuch 0.3: Der Versuch 0.2 wird mit den Widerstandswerten
wiederholt.
RI
= 10 n
und
R2
= 1 kn
Bei dieser Wahl der Widerstiinde wird fUr U I eine Spannung von ungefahr 0 V beobachtet.
Da in dem Bruch
RI~~2
der Nenner sehr viel gro~er als der Zahler ist, ergibt sich fUr die
Spannung U1 nur ein sehr geringer Bruchteil der Betriebsspannung Uo (Bild 0-3).
Bild 0-3
Sind die Widerstandswerte ftir R 1
und R2 sehr verschieden, ergibt sich ftir
a) RI ~ R 2 : U1 ~ Uo undftil
b) R I ~ R 2 : U1 ~ 0 V.
a)
b)
In den dargestellten Sonderfallen wird der Widerstandswert Rl mit einem 1 kn Widerstandswert verglichen. Dieser Bezug solI bei den spateren tlbedegungen beibehalten werden.
2
Ein "kleiner Widerstand" soH klein gegenUber 1 kn sein. Das gilt etwa ab 100 n. Ein
"gro&r Widerstand" soH gro~ gegenUber 1 kn sein, etwa ab 10 kn.
Ein "entarteter" Spannungsteiler ist irn Bild 0- 4 dargesteHt. Man kann sich leicht Uberlegen, welche Spannungen das Me~gerat anzeigen wird, wenn der Schalter geOffnet ist
und wenn der Schalter geschlossen wird.
Bild 0-4
Der geschlossene Schalter wirkt wie ein sehr kleiner Widerstand. 1m getiffneten Zustand erscheint er als ein sehr gro~er
Widerstand.
Wird irn Versuch 0.1 der Widerstandswert Rl so gestaltet, d~ sich sein Wert stetig andern
kann, dann la~t sich auch die Spannung U1 stetig verandern. FUr einen solchen Widerstandsregler wird das Schaltzeichen -c::::SL benutzt.
• Versuch 0.4: Es wird ein Spannungsteiler aus einem festen Widerstand mit dem Wert
R2 = 1 kn und einem Widerstandsregler, der sich zwischen den Werten on und 1 kn
stetig verandern kann, aufgebaut (Bild 0-5a).
u,
oj
U1
bJ
Bild o-s. a) Ein Spannungsteiler mit kontinuierlich einstellbarer Teilspannung; b) Auch bei der
"Potentiometerschaltung"liiJlJt sich die Spannung U 1 kontinuierlich veriindern.
Beobachtung: Bei einer Betriebsspannung von Uo = 10V
1a~t
sichjede Spannung
zwischen 0 V und 5 V einsteHen.
Erkliirung: Hat der Regler einen Widerstandswert von 1 kn, gilt Rl = R 2, und es ist
U1 = ~o. Wird der Widerstandswert verkleinert, nahert man sich dem bereits dargestellten
Sonderfal12, da Rl ~ R2 ist. Daher wird die Spannung U1 irnmer kleiner, bis sie schlie~­
lich gegen OV geht (Bild 0-5).
Der Versuch 0.1 hat gezeigt, d~ bei Widerstanden mit gleichen Werten Rl und R2 die
Teilspannung stets die Halfte der Betriebsspannung ist. FUr Rl = R2 = IOn entsteht also
die gleiche Teilspannung wie fUr R 1 =R2 =1 kn. FUr die Spannungsteilung ist die Gro~e
der Widerstandswerte nicht von Bedeutung. Dennoch ist die Wahl der Widerstande fUr die
spezielle Anwendung nicht beliebig. Das zeigt folgender Versuch.
3
... Versuch 0.5: Es werden zwei Spannungsteiler mit einer Betriebsspannung von 10 V
aufgebaut.
a)R 1 =R 2 =lOn,
b)Rl=R2=lkn.
Nacheinander wird eine Gltihlampe mit einer Betriebsspannung von ungefahr 5 Vanden
Widerstand mit dem Wert Rl angeschlossen.
Beobachtung: Nur in dem Fall Rl = R2 = IOn leuchtet die Gltihlampe auf.
Erkliirung: Die Gltihlampe benotigt neben der Betriebsspannung von 5 V einen Betriebsstrom von ungefahr 100mA. Wird nun der Widerstand mit dem Wert R2 = 1 kn gewlihlt,
so kann selbst im Kurzschlu~fall (Bild 0-6) hOchstens ein Strom dei Starke 1= ll~ri = 10 rnA
flie~en. Die Gltihlampe kann daher nicht aufleuchten. Flir den Fall, d~ R2 = 10 n ist,
ergibt sich eine maximale Stromstiirke von 1 A; die Gltihlampe leuchtet auf.
+
Rz=lkR
UO=10V
/
~
KurzschluB von
£1
J Max =10mA
BUd 0-6
Der Widerstand mit dem Wert R2 setzt die
obere Grenze ftir die entnehmbare Stromstarke fest.
Ergebnis: Durch die Wahl des Widerstandes mit dem Wert R2 wird die maximal entnehmbare Stromstiirke festgelegt (Bild 0-6).
0.2. Der Kondensator als zeitabhangiger Widerstand
Elektronische Schaltungen entstehen durch das Zusarnmenwirken von ohmschen Widerstiinden und anderen Bauelementen, deren Widerstandswerte nicht konstant sind. Zu den
einfachsten Bauelementen mit nicht konstantem Widerstand zlihlt der Kondensator.
Flir ihn wird das folgende Schaltzeichen benutzt -11- .
Die Wirkungsweise eines Kondensators kann mit einer Spannungsteilerschaltung untersucht werden.
... Versuch 0.6: {)ber einen Schalter werden ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe
an eine Energiequelle mit einer Spannung von Uo = 10 V angeschlossen. Ein Spannungsmesser zeigt die Spannung Uc am Kondensator an.
Beim Schlie~en des Schalters beobachtet man: Die Spannung Uc am Kondensator steigt
allmlihlich von OV bis zur Betriebsspannung Uo an. Da man auch dem Kondensator
einen Widerstandswert zuordnen kann (Re =
muten,
4
d~
~~), la~t sich aus dieser Beobachtung ver-
sich der Widerstandswert des Kondensators mit der Zeit veriindert hat. Zuerst
Bild 0-7
Nach dem Einschalten steigt die Spannung am Kondensator
stetig an.
war der Widerstandswert klein und wurde mit der Zeit immer groBer (Bild 0- 7). Eine
genaue Aussage erhlilt man jedoch erst, wenn liberpriift wird, wie sich die Stromstiirke in
diesem Stromkreis beim Einschalten verhlilt.
'" Versuch 0.7: Der Versuchsaufbau von 0.6 wird durch ein StromstiirkemeBgeriit erganzt.
Beobachtung: Die Stromstiirke ist nach dem Einschalten zunachst groB und nimmt
dann mit der Zeit abo Schlie~lich zeigt der Zeiger keinen Ausschlag mehr.
-
Spannung
--- StromstCirke
\
\
\
\
,,
,
Bild 0-8
Die Strom starke und die Spannung sind
beim Kondensator von der Zeit nach dem
Einschalten abhangig.
""
Zeit
1m Bild 0 - 8 ist dargestellt, wie die Stromstarke von der Zeit und wie die Spannung
von der Zeit abhangen. Aus den Kurven kann man zwei Grenzfalle entnehmen.
1. Beim Einschalten ist die Spannung Uc = 0 V und die Stromstarke maximal.
2. Nach einiger Zeit ist die Spannung maximal und die Stromstiirke betragt fast 0 A.
Flir diese Grenzfalle kann der Widerstand leicht angegeben werden. Nach der Definition
ergibt sich unmittelbar nach dem Einschalten ein sehr kleiner Wert fur den Widerstand, da Uc sehr klein ist. Nach einiger Zeit wird die Stromstiirke immer kleiner und die
Spannung immer gro~er. D.h. der Widerstand des Kondensators ist nach dieser Zeit sehr
groB. Er wachst immer weiter an.
R =
¥
Ergebnis: Der Kondensator ist ein Bauelement, dessen Widerstand von der Zeit abhangt.
Beim Einschalten ist der Widerstand sehr klein, nach einiger Zeit ist der Widerstand sehr
groB.
1m Versuch 0.6 zeigt der Spannungsmesser am Kondensator nach langerer Zeit die Betriebsspannung Uo an. Wird nun aus dem Versuchsaufbau die Batterie entfemt, so beobachtet
man, daB weiterhin die Betriebsspannung angezeigt wird. Der Kondensator besitzt wie eine
Batterie eine Spannung. Man sagt: Der Kondensator ist aufgeladen. Man kann mit einer
Gllihlampe nachweisen, daB ein Kondensator als eine Energiequelle wirken kann.
5
A.
Versuch 0.8: Ein Kondensator wird wie im Versuch 0.6 aufgeladen. Anschlie~end wird er
aus der Schaltung entfemt und mit einer Gltihlampe verbunden (Bild 0-9).
:O'~,
/
Bild 0-9
Ein geladener Kondensator wirkt fUr eine kurze Zeit als Energiequelle.
Man beobachtet, d~ die Gltihlampe kun aufleuchtet. Ein zusiitzlich eingeschalteter
Strommesser zeigt an, d~ nach einiger Zeit kein Ausschlag mehr vorhanden ist. Der
Kondensator ist wieder entladen.
Die einfachste Bauform eines Kondensators besteht aus zwei Metallplatten, die sich in
geringem Abstand gegentiberstehen. In elektronischen Schaltungen werden hiiufig Wickelkondensatoren benutzt. Darin sind zwei Metailstreifen, die durch einen nichtleitenden
Streifen voneinander isoHert sind, aufgerollt worden.
Bild 0-10
Kondensatoren unterschiedlicher Bauart:
a) Plattenkondensator (Foto Phywe),
b) Wickelkondensator.
Wickelkondensator
(Jf)(J
Aluminiumfolie
Papier
b)
Der folgende Versuch zeigt, d~ sich die verschiedenen Kondensatortypen (Bild 0-10)
auch in ihrem elektrischen Verhalten unterscheiden k6nnen.
A.
Versuch 0.9: In den Versuch 0.6 werden nacheinander verschiedene Kondensatoren eingeschaltet. Es wird jeweils der Anstieg der Spannung Uc beobachtet.
Bei verschiedenen Kondensatoren beobachtet man einen unterschiedlich schnellen Anstieg
der Spannung (Bild 0-11). Wiihrend z. B. bei dem einen Kondensator bereits nach etwa
1 Sekunde die Betriebsspannung angezeigt wird, beobachtet man bei einem anderen Kondensator erst nach etwa 5 Sekunden die Hiilfte der Betriebsspannung. Dieses unterschiedHche elektrische Verhalten wird durch die Kapazitiit (C) des Kondensators beschrieben.
6
Spannung
Kondensator 1
lOV
/
--
,.-
I
2s
4s
Kondensator 2
6s
__ . Kondensator 3
Bild 0-11
Anstieg der Kondensatorspannung bei drei
verschiedenen Kondensatoren.
Zei~
Kondensatoren mit gleicher Kapazitiit zeigen den gleichen Spannungsanstieg, wenn die
anderen Gro{.\en, wie Betrlebsspannung und Widerstandswert des ohmschen Widerstandes,
unverandert bleiben. Bei Kondensatoren mit grof.\er Kapazitiit erfolgt der Anstieg sehr
langsam, ist die Kapazitiit klein, kann man einen schnellen Anstieg beobachten. Die Kapazitiit C wird in der Einheit "Farad" (F) angegeben. Bei gebrauchlichen Kondensatoren
liegt die Kapazitiit oft in der Gro{.\enordnung von C = 10-6 F, wobei dann die Abktirzung
,J,lF" benutzt wird: 1 J.!F =10-6 F. Flir 10-9 F schreibt man nF (sprlch Nanofarad) und
fur 10- 12 F pF (sprlch Pikofarad).
Die Versuche haben gezeigt: Ein Kondensator besitzt unabhiingig von seiner Kapazitiit
nach genligend langer Zeit einen sehr grof.\en Widerstand. Man kann sagen: Ein Kondensator verhiilt sich, wenn er an eine Batterle angeschlossen ist, nach liingerer Zeit wie ein
Nichtleiter. Was geschieht nun, wenn man statt der Batterle eine Wechselspannung z. B.
aus einem Transformator benutzt?
... Versuch 0.10: Ein Kondensator wird in Reihe mit einer Gliihlampe an einen Transformator angeschlossen.
~
Trafo
~
r
a)
'I'
T
b)
Bild 0-12
a) Fiir Wechselstrom ist der Kondensator
leitend.
b) Jedes Mal, wenn die Batterle umgepolt
wird, leuchtet die Lampe auf.
Das stiindige Leuchten der Gliihlampe zeigt, daf.\ der Kondensator bei Verwendung einer
Wechselspannung leitend ist (Bild 0-12). Diese Erscheinung kann durch einen Zusatzversuch erliiutert werden.
... Versuch 0.11: Ein Kondensator wird liber eine Gliihlampe an eine Batterle angeschlossen.
Anschlief.\end wird die Batterle umgepolt.
Beobachtung: Jedes Mal, wenn die Batterle umgepolt wird, leuchtet die Gliihlampe auf.
Diese Erscheinung ist aufgrund der durchgefuhrten Versuche verstiindlich: Wird die Batterie
angeschlossen, flief.\t fUr kune Zeit ein Strom (Versuch 0.7). Beim Umpolen der Batterle
7
entUidt sich der Kondensator zunachst, so da6 die Gltihlampe wieder aufleuchtet (Versuch 0.8). Anschlief.\end setzt ein emeuter Aufladevorgang ein, wobei lediglich die Pole
der Batterie vertauscht sind. Es flief.\t wieder ein Strom. Dieser Vorgang wiederholt sich
bei jedem Umpolen.
Diese Deutung laf.\t auch eine Erklarung von Versuch 0.10 zu: Da bei einer Wechselspannung die Polung periodisch mit der Zeit vertauscht wird, wird der Kondensator periodisch
auf- und entladen. Der Auf- und Entladestrom bewirkt das standige Leuchten der GUihlampe.
1. Leitungsvorgange in Stoffen
1.1. Elektrischer Strom entsteht durch 8ewegung geladener Teilchen
Ob in einem elektrischen Stromkreis ein Strom flief.\t, ist fur den Beobachter an den
Wirkungen des Stromes erkennbar. Durch die Warmewirkung leuchtet die Wendel einer
Gltihlampe auf, aufgrund der magnetischen Wirkung entsteht bei einem Drehspulinstrument ein Zeigerausschlag, und auf der chemischen Wirkung des elektrischen Stroms beruht die Entstehung von Knallgas bei der Elektrolyse von Wasser.
Es solI nun untersucht werden, was im Innem eines Leiters geschieht, der von einem
elektrischen Strom durchflossen wird.
A
Versuch 1.1: Ein Plattenkondensator, dessen Platten einen Abstand von 8 cm haben,
wird tiber eine Glimmlampe an eine Hochspannungsquelle angeschlossen. Eine Metallkugel wird zwischen den Platten hin- und herbewegt.
Beobachtung: Bei jedem Anschlag der Kugel an einer Meta1lplatte leuchtet die Glimmlampe kurz auf (Bild 1-1).
Bnd 1-1. BeIiihrt die Kugel eine Metallplatte, wird ein kurzes Aufleuchten der Glimmlampe beobachtet.
8
Was gescbieht, wenn die Kugel die Metallplatte beriihrt? Es sei angenornmen, die Kugel
ist positiv geladen und wird an die negativ geladene Platte herangefUhrt. Bei der Beriihrung wird die Kugel zunachst entladen (neutralisiert) und anschlie&lnd mit umgekehrter
Ladung, also negativ, aufgeladen (Bild 1-2). Bei diesem Vorgang flie~t zunachst ein Entladestrom und anschlie~end in gleicher Richtung ein Aufladestrom, so d~ die Glimmlampe aufleuchtet. An der anderen Platte des Kondensators wiederholt sich der Vorgang
mit umgekehrtem Ladungsvorzeichen.
Bild 1-2
Beirn Umladen der Kugel fliel.\t
ein Strom.
Man erreicht ein stlindiges Aufleuchten der Glimmlampe, wenn man die Metallkugel sehr
schnell bin- und herbewegt. Die Durchfiihrung des Versuches wird leichter, wenn man die
Metallkugel durch einen mit Grapbit bestrlchenen Tischtennisball ersetzt, der an einem
Nylonfaden wie ein Pendel aufgehlingt wird (Bild 1-3). Der negativ geladene Tischtennisball bewegt sich aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft zur positiv geladenen
Platte, wo er umgeladen wird. Der positiv geladene Ball bewegt sich dann zur negativ geladenen Platte. Es entsteht eine rasche Pendelbewegung. Die Anschlage des Balles an die
Platte erfolgen so hliufig, d~ die Glimmlampe ununterbrochen leuchtet.
Bild 1-3
Durch die Pendelbewegung des Tischtennisballes
entsteht ein kontinuierlicher elektrischer Strom.
+
Wird der Tischtennisball aus dem Kondensator herausgehoben, verlischt die Lampe sofort.
Das Aufleuchten der Lampe zeigt einen elektrlschen Strom an, der nur durch die Bewegung des geladenen Tischtennisballes bewirkt sein kann. Es lii~t sich vermuten, d~ auch
in einem elektrlschen Leiter der Strom durch die Bewegung geladener Teilchen hervorgerufen wird. Diese Vermutung kann durch weitere Experimente unterstiitzt werden.
A
Versuch l.2: Es wird die Elektrolyse von Kupfersulfat mit zwei Kohleplatten als Elektroden durchgefiihrt. Eine Gliihlampe zeigt den elektrlschen Strom an.
Beobachtung: Wird der Stromkreis geschlossen, leuchtet die Gliihlampe hell auf. Nach
einiger Zeit entsteht an der Kathode (das ist die an den negativen Pol der Batterle angeschlossene Kohleplatte) ein rot-brauner Kupferbelag.
9
Die Frage, wie die Kupfersulfatlosung den Strom leitet, kann erst nach einer weiteren
Beobachtung beantwortet werden. Wird namlich in dem Versuchsautbau (Bild 1-4) die
Batterle umgepolt, so zeigt sich folgendes: Der Kupferbelag verschwindet von der einen
Kohleplatte, und ein neuer Kupferbelag bildet sich jetzt an der anderen Kohleplatte.
+
:
~
Kohleplatten
CuS04
-®
-®
/"'"
-®
-G>
neuer Kupferbelag
Kupferbelag
Bild 1-4. Versuchsaufbau zur Elektrolyse
von Kupfersulfat.
~
~
~
--®
~
alter Kupferbelag
Bild 1-5. Geladene Kupferteilchen wandem
durch die Kupfersulfatlosung.
Deutung: Die Kupferteilchen sind von der einen Kohleplatte zur anderen gewandert.
Da jedoch die Kupfersulfatlosung eine blauliche Farbung hat, der Kupferbelag selbst jedoch rot-braun ist, unterscheiden sich die Kupferteilchen in der Losung von den Teilchen
in dem Kupferbelag. In der Losung sind die Kupferteilchen geladen.
Ergebnis: Bei der Bewegung geladener Kupferteilchen entsteht in der Kupfersulfatlosung
ein elektrlscher Strom (Bild 1-5). Da der Kupferbelag nur an der Kathode beobachtet
wird, mtissen die geladenen Kupferteilchen positiv geladen sein.
Die Bewegung von geladenen Teilchen in einem Stromkreis solI der nachste Versuch zeigen.
A
Versuch 1.3: Ein enges Rohr (Bild 1-6) wird mit Wasser geftillt, und in die Mitte werden
einige Kristalle Kaliumpermanganat gegeben. An den Enden des Rohres sind zwei Elektroden angebracht, die tiber einen Strommesser an eine Batterle angeschlossen werden.
/
Kaliumperrnanganat
Bild 1-6
Die Bewegung der geladenen Teilchen
l~t sich in einem Stromkreis sichtbar
machen.
10