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1
Inhaltsverzeichnis
Neue Medien ............................................................................................................................2
Checkliste..................................................................................................................................3
Elektrizität – Größen messen und berechnen.....................................................................4
Elektrizität – Größen berechnen............................................................................................5
Widerstände aus Metallen I....................................................................................................6
Widerstände aus Metallen II...................................................................................................7
Bestimmung der Widerstandswerte......................................................................................8
Farbcode-Tabelle der Widerstände ......................................................................................9
Der Spannungsteiler..............................................................................................................10
Halbleiter und ihre Leitfähigkeit ...........................................................................................11
Eigenschaften eines unbekannten Bauteils I ....................................................................12
Eigenschaften eines unbekannten Bauteils II ...................................................................13
Versuche mit Dioden .............................................................................................................14
Leuchtdioden (LEDs).............................................................................................................15
Spannung und Stromstärke an der Diode .........................................................................16
Die Halbleiter-Diode ..............................................................................................................17
Funktionsweise einer Halbleiterdiode.................................................................................18
Transistor als Schalter ..........................................................................................................19
Beispiel für eine Anwendung eines Transistors: Lichtschranke .....................................20
Der Transistor – ein Halbleiterbauteil .................................................................................21
Der Transistor - Schalter und Verstärker ...........................................................................23
Test Yourself...........................................................................................................................24
Die paradoxe Schaltung .......................................................................................................25
Signale speichern mit Kippschaltungen .............................................................................26
Die Flipflopschaltung .............................................................................................................27
Vom Kerbholz zum elektronischen Speicher.....................................................................29
Lexikon der Computerbegriffe .............................................................................................30
Analog - digital – binär ..........................................................................................................31
Was ist "der ASCII-Code"?...................................................................................................32
Transistoren in elektronischen Schaltungen .....................................................................33
Der Kondensator....................................................................................................................35
Auf- und Entladen eines Kondensators..............................................................................36
Hörspiel versetzt USA in Panik............................................................................................37
Der informative Wert der Nachrichten ................................................................................38
Mediennutzung früher und heute I ......................................................................................39
Mediennutzung früher und heute II .....................................................................................40
Quellen ....................................................................................................................................41
Literatur ...................................................................................................................................41
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2
Neue Medien
(verändert nach Wikipedia)
Der Begriff „Neue Medien“ bezieht sich auf zeitbezogene neue Medientechniken.
Geschichtliches:
Anfänglich wurde damit das Radio bezeichnet, in den Anfängen des Fernsehens wurde der Begriff
dafür gebraucht, und mit dem Aufkommen von Videotext und BTX wurden diese als Neue Medien
ausgezeichnet. Seit Mitte der 1990er Jahre ist er für alle elektronischen, digitalen, interaktiven Medien
und den Kontext Multimedia und Netzpublikation gebräuchlich.
Dietrich Ratzke bezeichnete in seinem 1982 erschienenen Handbuch der Neuen Medien „alle
Verfahren und Mittel (Medien), die mit Hilfe neuer oder erneuerter Technologien neuartige, also in
dieser Art bisher nicht gebräuchliche Formen von Informationserfassung und
Informationsbearbeitung, Informationsspeicherung, Informationsübermittlung und Informationsabruf
ermöglichen“ als neue Medien.
Der Begriff bezieht sich sowohl auf Kommunikation im Allgemeinen, wie auch die Ausdrucksmittel
der zeitgenössischen Kunst (Medienkunst) und anderes Kulturschaffen.
Heutige Neue Medien
Heutzutage werden als Neue Medien meistens Medien bezeichnet, die Daten in digitaler Form
übermitteln, speichern oder auf Daten in digitaler Form zugreifen, also z. B. E-Mail, World Wide
Web, DVD, Blu-ray, CD-ROM, MP3, usw. Im engeren Sinne sind Dienste gemeint, die über das
Internet möglich sind.
Als Kennzeichen der Neuen Medien lassen sich die rechnergestützte Handhabung, das digitale
Vorliegen der Daten sowie die Interaktivität beim Umgang mit diesen Daten festhalten. Erst die
Digitalisierung von Informationen, Ton, Bild, Bewegtbild, usw. und die schnelle Weiterentwicklung
der Kompressionsverfahren ermöglichten die Bewältigung der enorm großen Datenmengen, wodurch
der Übergang von der Dienstleistungsgesellschaft in die Informationsgesellschaft eingeleitet wurde.
Manchmal wird auch der Begriff Multimedia durch den der Neuen Medien ersetzt, da durch die
Digitalisierung die Integration von allen möglichen Kommunikationswegen wie Sprache und Text,
Video und Audio, Telekommunikation, Unterhaltungselektronik und Computertechnik geschehen
kann. Dieses Zusammenwachsen ist kennzeichnend für die Angebote der neuen Informations- und
Medienwelt.
Literatur:
•
•
Klaus Arnold, Christoph Neuberger: Alte Medien – neue Medien. Theorieperspektiven, Medienprofile,
Einsatzfelder. VS, Wiesbaden 2005, ISBN 3-531-14373-5.
Karin Bruns und Ramón Reichert (Hrsg.): Reader Neue Medien. Texte zur digitalen Kultur und
Kommunikation. Transcript, Bielefeld 2007, ISBN 978-3-89942-339-6.
Aufgaben:
1) Formuliere eine Definition für das heutige Verständnis von Neuen Medien.
2) Liste die wichtigsten Kennzeichen auf, die Neue Medien gemeinsam haben.
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3
Checkliste
Im Laufe dieser Unterrichtseinheit sollst du verschiedene Dinge erlernen und beherrschen.
Du solltest:
- die Begriffe aus dem Fachwortlexikon erklären können.
- die Kennzeichen Neuer Medien nennen können.
- wissen, wie sich der Widerstand von Metallen beim Erwärmen verändert und die
Veränderung erklären können.
- wissen, wie ein Spannungsteiler funktioniert und mit welcher Formel man einzelne
Werte daraus berechnen kann.
- die Bauteile: NTC, LDR, Diode, LED, Transistor und Kondensator als Schaltzeichen
kennen und ihre besonderen Merkmale und Einsatzmöglichkeiten nennen können.
- wissen, welche elektronischen Bauteile Halbleiter sind und Beispiele für ihre
Anwendung nennen können.
- die Zusammenhänge zwischen dem Aufbau von Halbleitern und den Veränderungen
in ihrer Leitfähigkeit erklären können.
- die Funktionsweise einer Diode beschreiben können.
- wissen, an welcher Stelle in einer Transistorschaltung ein Sensor eingebaut werden
muss, um den gewünschten Effekt erzielen zu können.
- den Aufbau von Halbleitern beschreiben und erklären können.
-
mit dem Ohmschen Gesetz rechnen können.
mit der Formel für einen Spannungsteiler beliebige Werte ausrechnen können.
ein vollständiges Versuchsprotokoll erstellen können.
einen Versuchsaufbau als Schaltskizze darstellen können.
aus einer Schaltskizze ableiten können, ob der Stromkreis geschlossen ist und wie der
Strom fließt.
einen Versuch begründet planen können.
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Elektrizität – Größen messen und berechnen
Größe
Name
Ladung
Abk.
Q
Einheit
Name
Coulomb
Strom(stärke)
Spannung
Widerstand
elektr. Leistung
elektr. Energie
Definition
Abk.
C
––
I=Q/t
Ein Voltmeter (Spannungsmesser) schaltet man immer ___________________________.
Ein Amperemeter (Strommesser) schaltet man immer ___________________________.
Rechendreiecke für das Ohmsche Gesetz und die elektrische Leistung
Schreibe darunter die jeweils drei möglichen Gleichungen.
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U
P
R •I
U •I
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Elektrizität – Größen berechnen
1. Ein Glühlampe wird an einer 9 V-Batterie betrieben. Es fließt ein Strom von 0,5 A. Wie groß ist
der Widerstand der Lampe; wie groß die umgesetzte Leistung?
2. Ein Widerstand (2 kΩ) ist an den Gleichspannungsausgang eines unserer grauen Netzgeräte
angeschlossen. Der Regler wird voll „aufgedreht“. Wie groß ist dann die Spannung? Wie groß
wird der fließende Strom sein und welche Leistung wird umgesetzt?
3. Durch einen 500 Ω-Widerstand fließen 0,3 A. An welcher Spannung wird er betrieben?
4. Mein Staubsauger hat 1400 W. Welche Größe ist damit angegeben? Welchen Strom „zieht“ dieser
Staubsauger? Wie groß ist sein Widerstand?
5. Wie groß ist der Widerstand einer in deiner Schreibtischlampe eingesetzten 60 Watt-Glühlampe?
6. Für die Waschmaschine gibt es im Sicherungskasten meistens eine eigene 16 A-Sicherung. Was
heißt das? Bei welcher Leistung würde die Sicherung auslösen („rausfliegen“)? Welchen
Widerstand hat die Waschmaschine in diesem Betriebszustand? Müsste der Widerstand größer
oder kleiner sein, damit die Sicherung nicht auslöst?
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Widerstände aus Metallen I
Versuchsaufbau I:
Baue einen Stromkreis nach der vorliegenden Schaltskizze auf. Bevor
der Strom angeschaltet wird musst du genau überprüfen, ob die
Messgeräte als Strom- bzw. Spannungsmessgeräte in der richtigen
Position geschaltet sind.
Nun führe nacheinander im gleichen Versuchsaufbau drei Messungen
durch:
Ugesamt
1. Die Spannungsquelle wird so weit herunter gedreht, bis die
Glühlampe nicht mehr leuchtet. Dann werden die Werte für Strom und
Spannung gemessen. Der Widerstand der Glühlampe wird berechnet.
2. Nun wird die Spannung erhöht, bis die Glühlampe gerade erkennbar glimmt.
Bitte ebenfalls messen und rechnen.
3. Die Spannung wird auf 12 V erhöht und eine dritte Messung und Berechnung durchgeführt.
Beobachtung I(Messungen und Berechnungen):
Ergebnis I:
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Widerstände aus Metallen II
Bevor der Strom angeschaltet wird musst du genau überprüfen, ob
die Messgeräte als Strom- bzw. Spannungsmessgeräte in der
richtigen Position geschaltet sind.
Ugesamt
Versuchsaufbau II:
1. Statt der Glühlampe verwenden wir nun zwei Tonnenfüße mit einem eingespannten Eisendraht (Ø
0,3 mm). Der 0,3 mm starke Eisendraht wird zuvor auf einem Stift zu einer Wendel gedreht, sodass
der Draht eine ähnliche Form annimmt wie in der Glühlampe.
2. Spannung und Stromstärke werden gemessen und der Widerstandswert des Eisendrahtes berechnet.
3. Nun wird bei einer zweiten Messung der Draht von außen mit einem Bunsenbrenner erwärmt.
Ändert sich der Widerstandswert?
Ergebnis II:
Gesamtergebnis I + II:
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Bestimmung der Widerstandswerte
Information:
Den Wert unbekannter Widerstände kann man ermitteln. Man kann ihn entweder anhand des
aufgedruckten Farbcodes errechnen oder mit Hilfe spezieller Messgeräte bestimmen.
Widerstandsbestimmung mit der Widerstandsfarbcode-Tabelle
1. Bevor man mit der Widerstandsbestimmung
anfängt, muss man zählen, wie viele
Farbringe auf dem Widerstand aufgebracht
sind. Kohleschichtwiderstände haben üblicherweise 4 Ringe.
Metallschichtwiderstände haben 5 Ringe.
2. Zum Berechnen des Widerstandswertes muss
man feststellen, welcher Ring der erste
ist. Üblicherweise versucht man dazu
herauszufinden, welcher Ring der letzte
Ring ist. Der letzte Ring ist der
Toleranzring, der angibt, wie viel
Prozent der bestimmte Widerstandswert vom tatsächlichen
Widerstandswert abweichen darf.
Meistens hat dieser Toleranzring die Farbe Gold. Wenn es diese Farbe
nicht gibt, dann muss man auf die beiden äußeren Ringe achten. In der
Regel hat einer einen größeren Abstand zum Körperende, dieser ist
dann der letzte Ring.
3. Dann beginnt man von vorne an den Widerstandswert zusammenzusetzen.
Die Farben haben bestimmte Werte. Der erste und der zweite Ring
bestimmen den Widerstandszähler (die Zehner und die Einer). Der
dritte Ring dient als Multiplikator. Alle drei Zahlen zusammen
bestimmen wie hoch der Widerstandswert ist.
4. Der vierte Ring ist der Toleranzring, der die Abweichung des
Widerstandswerts bestimmt.
Aufgaben:
1. Bestimme die Widerstandswerte von mindestens drei Widerständen mithilfe der folgenden
Tabelle.
2. Bestimme den Widerstandswert aller Widerstände auch durch Messung.
3. Vergleiche deine Ergebnisse.
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Farbcode-Tabelle der Widerstände
Widerstandsbestimmung (4 Ringe) bei Kohleschichtwiderständen
1.
Ring
2.
Ring
schwarz
-
0
-
-
braun
1
1
× 10
1%
rot
2
2
× 100
2%
orange
3
3
× 1000
-
gelb
4
4
× 10000
-
grün
5
5
× 100000
0,5 %
blau
6
6
× 1000000
0,25 %
violett
7
7
× 10000000
0,1 %
grau
8
8
-
-
weiß
9
9
-
-
gold
-
-
× 0,1
5%
silber
-
-
× 0,01
10 %
Ringfarbe
3. Ring
4. Ring
(Multiplikator) (Toleranz)
Widerstandsbestimmung (5 Ringe) bei Metallschichtwiderständen
1.
Ring
2.
Ring
schwar
z
-
0
0
-
-
braun
1
1
1
× 10
1%
rot
2
2
2
× 100
2%
orange
3
3
3
× 1000
-
gelb
4
4
4
× 10000
-
grün
5
5
5
× 100000
0,5 %
blau
6
6
6
× 1000000
0,25 %
violett
7
7
7
× 10000000
0,1 %
grau
8
8
8
-
-
weiß
9
9
9
-
-
gold
-
-
-
× 0,1
5%
silber
-
-
-
× 0,01
10 %
Ringfarbe
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3.
4. Ring
5. Ring
Ring (Multiplikator) (Toleranz)
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Der Spannungsteiler
Aufgabe:
Fertige ein vollständiges Versuchsprotokoll an. Beachte dabei folgende Schritte.
a) Suche dir unter den Materialien zwei beschriftete Widerstände aus. Trage die Werte der
Widerstände in die Schaltskizze und in die Tabelle ein. Berechne den Quotienten aus R1 und
R2.
b) Baue den Versuch gemäß Schaltskizze auf. Bestimme bei unterschiedlichen
Gesamtspannungen (UG) die an den Widerständen abfallenden Teilspannungen U1 und U2.
Berechne jeweils den Quotienten aus U1 und U2.
Material:
Skizze:
Beobachtungen:
R1
Ergebnis:
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R2
R1
R2
UG
U1
U2
U1
U2
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Halbleiter und ihre Leitfähigkeit
1. undotierte Halbleiter:
1a)
1b)
Beschreibe den Aufbau eines Halbleiters. Schreibe das Elementsymbol in den Atomkern.
Erkläre, warum Halbleiter bei Raumtemperatur kaum, bei Erwärmung oder Belichtung aber
deutlich besser leiten.
(Vergleiche: Prisma Physik 7-10, S. 364f)
2. dotierte Halbleiter:
n-dotierter Halbleiter:
p-dotierte Halbleiter.
2a)
2b)
Beschreibe die Begriffe n-dotiert und p-dotiert. Schreibe die Symbole der Elemente, die zur
jeweiligen Dotierung eingesetzt werden, in den entsprechenden Atomkern.
Erkläre, warum die jeweilige Dotierung die Leitung verbessert.
(Vergleiche: Prisma Physik 7-10, S. 366f)
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Eigenschaften eines unbekannten Bauteils I
Aufgabe 1:
a. Baue mit dem unbekannten Bauteil den folgenden
Versuch auf.
b. Die Versuchsbedingungen werden wie folgt variiert:
I. Vertausche die Polung der Gleichspannungsquelle.
II. Betreibe die Schaltung mit Wechselspannung.
c. Beschreibe, welches Verhalten dieses Bauteil besitzt und
wozu es verwendet werden könnte.
Beschreibung:
Aufgabe 2:
a. Baue die folgende Versuchsanordnung auf.
b. Bau danach das „unbekannte Bauteil“ andersherum
(drehe das Bauteil) in den Versuchsaufbau ein.
c. Was stellst du fest, beschreibe.
Beschreibung:
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13
Eigenschaften eines unbekannten Bauteils II
Aufgabe 3:
a. Bearbeite im Physikbuch „Prisma Physik 7- 10“ die Seite 371.
b. Formuliere einen Merksatz über die Funktion von Dioden (Beziehe bei der Formulierung des
Merksatzes die Abbildung in deine Überlegungen mit ein).
Quelle:
Querschnitt Physik 9/10, S.173, Westermann, 1995
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14
Versuche mit Dioden
Baue die Schaltung wie in der Schaltskizze beschrieben auf. Notiere bei allen Versuchen
deine Beobachtungen schriftlich und erkläre diese an Hand einer Skizze.
Versuch A:
Versuch B: Notiere deine Vermutungen, bevor du den Versuch durchführst
Versuch C: Führe den Versuch durch und vertausche danach die Pole. Notiere deine Beobachtungen.
R = 500 Ω ...1 kΩ
Versuch D: Notiere deine Vermutungen, bevor du den Versuch durchführst. Vertausche auch hier
nach Durchführung des Versuchs die Pole und notiere deine Beobachtungen.
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Leuchtdioden (LEDs)
Leuchtdioden benötigen zur Strombegrenzung einen Schutzwiderstand, da sie sonst „durchbrennen“.
Bei der Ermittlung des richtigen Schutzwiderstandes RS wird folgende Formel angewendet. Dabei ist
UB die Spannung der Stromquelle, Umax der Durchlassspannung der LED und Imax der maximale
Durchlassstrom der LED.
RS =
UN − U max
Im ax
Für die am häufigsten eingesetzten roten LEDs gelten folgende Kenndaten:
Durchlassspannung:
1,6 V
maximaler Durchlassstrom: 20 mA
Aufgaben:
1. Welchen Schutzwiderstand benötigst du, bei einer Netzteilspannung UN von 12 V. Berechne den
Widerstandswert RS mit der angegeben Formel.
RS = ________
2. Welche Farbringe muss der Schutzwiderstand RS aufweisen (Farbcode-Tabelle der Widerstände
s.S.9).
__________________________________________________________________________________
Material:
Netzgerät (12 V), 2 Kabel mit Krokodilklemmen, Lüsterklemme (3 Steckplätze), rote LED,
1. Schutzwiderstand 180 Ω, 2. Schutzwiderstand ________.
Aufgaben:
1. Baue zur Untersuchung der
LED eine Schaltung nach der
Abbildung auf. Die Spannung
wird auf ca. 4 V eingestellt. Pole
mehrmals um! Was beobachtest
du? Notiere.
2. Erprobe die Schaltung bei einer
Gleichspannung bis zu 12 V.
Erkläre, wie du mit dieser Schaltung eindeutig den Plus- und den Minuspol einer Gleichspannung
bestimmen kannst.
Notizen:
__________________________________________________________________________________________
Literatur: Querschnitt Physik 9/10, Westermann (1995), S.172-177
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16
Spannung und Stromstärke an der Diode
Aufgabe:
Schaltet eine Diode in Durchlassrichtung mit einem Schutzwiderstand (100 Ω) in Reihe. Baut zwei
Messgeräte so in die Schaltung, dass ihr die Spannung und die Stromstärke an der Diode messen
könnt.
Skizze:
Tabelle:
Fertigt folgende Messtabelle an:
U [V] 0,3
0,4
0,5
0,6
0,61 0,62 0,63 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,7
I
Diagramm:
Stellt eure Messwerte anschließend in einem U-I-Diagramm graphisch dar.
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Die Halbleiter-Diode
Quelle: http://www.zum.de/dwu/depot/pet101f.gif
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18
Funktionsweise einer Halbleiterdiode
Halbleiterdioden sind sehr einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem
Halbleitermaterial.
Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die Diode eine Spannung derart gepolt an,
dass das n-dotierte Material mit dem positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol
verbunden ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, dass sich ähnlich wie bei Magneten gleiche
Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen
sich daher ab. Verbindet man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer
externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung in Richtung dieses Pols.
Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch
gibt es in der Mitte der Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher. Ohne
frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluss. Somit kann in diese Richtung kein Strom
fließen.
Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die
Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte
verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen
und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition springen und dieses
ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in
Richtung Mitte gedrückt, wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der ndotierten Seite besetzt werden. Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der
sogenannten Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte Material nach
fließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt. Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit
einem Loch.
Zusammenfassung
Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial,
die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig
von der Polung einer externen Spannungsquelle entweder ein Stromfluss statt oder der Stromfluss
wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.
Quelle: www.elektronikinfo.de/strom/dioden.htm
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19
Transistor als Schalter
Versuchsziel:
Nachweis, dass ein Transistor als Schalter dienen kann.
Material:
Steckbrett mit Transistor Typ 142, Glühlampe mit Fassung, 10 k Ohm-Widerstand, Spannungsquelle,
Kabel
Skizze/Foto:
Versuchsdurchführung:
An die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors und ein in Reihe geschaltetes Lämpchen wird - wie
in der Schaltskizze und dem Foto deutlich - eine Gleichspannung angelegt.
Der Basisanschluss des Transistors wird über einen 10k Ohm-Widerstand (Schutzwiderstand) einmal
mit dem Minuspol und einmal mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden.
Beobachtung:
Erklärung:
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Beispiel für eine Anwendung eines Transistors:
Lichtschranke
Material:
Steckbrett mit Transistor Typ 142, Glühlampe mit Fassung, 10k Ohm-Regelwiderstand, LDR,
Spannungsquelle, Kabel
Skizze/Foto:
Versuchsdurchführung:
Der 10k Ohm-Regelwiderstand (Potentiometer) wird so eingestellt, dass die Lampe gerade nicht
leuchtet. Nun beleuchtet man den LDR.
Beobachtung:
Erklärung:
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20
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21
Der Transistor – ein Halbleiterbauteil
Wie die Diode ist auch der Transistor ein Halbleiterbauteil. Transistoren bestehen aus drei Schichten
von n- und p-dotierten Halbleitermaterialien, die Kollektor (C), Emitter (E) und Basis (B) genannt
werden. Beim npn-Transistor bestehen die Kollektor- und Emitterschicht aus n-dotierten Halbleitern
und die Basisschicht aus einem p-dotierten Halbleiter.
C
n-dotiert
B
p-dotiert
n-dotiert
E
Bild 1
Bild 2
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1)Überlege dir was an den pn-Übergängen geschieht, wenn keine
äußere Spannung angelegt wird? Beschrifte dazu Bild 1.
Wenn der Kollektor an dem Pluspol und der Emitter an dem
Minuspol einer Stromquelle angeschlossen sind, fließt kein Strom.
2)Wie lässt sich dies erklären? Was geschieht im Inneren des
Transistors? Beschrifte Bild 2.
Erst wenn auch die Basis mit an den Pluspol der Stromquelle
angeschlossen wird und die Spannung zwischen Basis und Emitter
UBE größer als 0,6 V ist, fließt auch Strom über den Kollektor und
Emitter. Dieser Stromkreis wird Arbeitsstromkreis genannt. In ihm
können „Verbraucher“ eingebaut werden. Die Erklärung im
Einzelnen: (siehe nächste Seite)
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22
Über den Emitter gelangen Elektronen in den Transistor. Ein kleiner Teil dieser Elektronen fließt über
die Basis wieder ab. Dies führt zu einem geringen Stromfluss, der entstehende Stromkreis wird
Steuerstromkreis genannt. Der Großteil der Elektronen fließt allerdings nicht über den
Basisanschluss ab. Da die Basisschicht sehr klein ist und sich die Elektronen in der Emitterschicht
vom Minuspol weg bewegen, gelangen die meisten Elektronen über die Basisschicht hinaus in die
Kollektorschicht. Hier werden sie vom Pluspol angezogen, so dass auch durch den Arbeitsstromkreis
ein Strom fließt (Bild 3). Der Transistor schaltet durch.
3) Zeichne in Bild 3 den Arbeits- und den Steuerstromkreis ein und beschrifte entsprechend.
Bild 3
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Der Transistor - Schalter und Verstärker
Der Transistor wurde Ende 1947 in Amerika erfunden. Schon zwei Jahrzehnte später steckte dieses
Bauteil in praktisch jedem Fernseher, Radio und Computer.
Ein Transistor wird stets in zwei Stromkreise eingebaut: in den Steuerstromkreis und in den
Arbeitsstromkreis (Bild 1). Das ist genauso wie bei einem Relais. Beim Transistor muss man jedoch im Gegensatz zum Relais - auf die richtige Polung der Anschlüsse achten.
Steuer- und Arbeitsstromkreis sind nicht völlig voneinander getrennt: Die Stromkreise haben oft nur
eine Stromquelle, und durch den Emitteranschluss und einen Teil des Transistorinnern fließen die
Ströme für beide Stromkreise.
Transistoren werden für zwei verschiedene Aufgaben eingesetzt: als Schalter (wie ein Relais) und als
Verstärker. Ihre Arbeitsweise hängt vor allem von der Spannung UBE zwischen Basis und Emitter ab.
• Fall 1: Zwischen Basis und Emitter herrscht keine oder eine Spannung unter 0.6V.
In diesem Fall fließt kein oder nur ein sehr kleiner Steuerstrom. Der Transistor sperrt; er wirkt im
Arbeitsstromkreis wie ein geöffneter Schalter. Ohne genügend Strom im Steuerstromkreis fließt auch
kein Strom im Arbeitsstromkreis.
• Fall 2: Die Spannung UBE erreicht 0,7 V.
Der Fachmann bezeichnet diesen Wert als Schwellenspannung.
Jetzt fließt ein Steuerstrom (auch Basisstrom IB genannt). Seine Stärke reicht aus, um den Strom im
Arbeitsstromkreis einzuschalten. Man sagt, der Transistor steuert durch. Wird dann die Spannung UBE
und damit auch der Steuerstrom etwas vergrößert, so steigt der Arbeitsstrom stark an.
Man sagt, der Transistor wirkt in Fall 2 als Verstärker: Kleine Änderungen des Steuerstromes
bewirken große Änderungen des Arbeitsstromes.
"Verstärken" bedeutet aber nicht, dass der Transistor aus wenig elektrischer Energie viel Energie
macht. Die Energie für den großen Strom stammt immer aus der Energiequelle des
Arbeitsstromkreises, nie aus dem Transistor selbst.
• Fall 3: Die Spannung UBE wird noch weiter erhöht (ca. 0,7 bis 0,9 V).
Der Steuerstrom wird immer größer. (Er kann den Transistor sogar zerstören.) Der Strom im
Arbeitsstromkreis ändert sich aber nicht mehr. Der Transistor leitet; er "steuert völlig durch".
In Fall 3 hat der Transistor die gleiche Wirkung wie ein geschlossener Schalter: Der Arbeitsstrom wird
nur durch die Glühlampe (oder einen anderen Widerstand im Arbeitsstromkreis) begrenzt. Der
Widerstand des Transistors ist sehr klein.
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24
Test Yourself
1)
2)
3)
4)
Nenne die drei wichtigsten Kennzeichen Neuer Medien. (3)
Erkläre die Begriffe: Kaltleiter, NTC, LDR. (6)
Erkläre, warum Metalle bei zunehmender Temperatur schlechter leiten. (3)
Zeichne eine Schaltskizze aus einer Spannungsquelle, zwei in Reihe geschalteten Widerständen
und zwei Spannungsmessgeräten, die so eingebaut werden sollen, dass an beiden Widerständen
die anliegende Spannung bestimmt werden kann. (4)
Die eingesetzte Gesamtspannung beträgt 14 V, U1 = 5V, R2 = 470 Ohm. Berechne U2 und R1!
(6)
5) Ein Spannungsteiler soll so aufgebaut werden, dass sich die Gesamtspannung von 24 V auf die
Teilspannungen U1= 14V und U2=10V aufteilt. Welche Widerstände müssen benutzt werden? (4)
6) Nenne Bauteile, die aus Halbleitern aufgebaut sind. (3)
7) Erkläre wie Halbleiter aufgebaut sind und erläutere die Begriffe p-dotiert und n-dotiert. (6)
8) Beschreibe den Aufbau und nenne die Einsatzmöglichkeiten von Dioden, Transistoren und
Kondensatoren. (10)
9) Ein Widerstand beträgt 450 Ohm. Wie groß ist die Stromstärke bei 12 V? (3)
10) Wie groß muss der Widerstand sein, damit bei 12 V eine Stromstärke von 0,05 A fließt? (3)
11) Zeichne eine Schaltung für folgendes Problem: Wenn es regnet, soll eine Lampe ausgehen. (4)
Lösungshinweise:
Zu 3) Metalle sind wie folgt aufgebaut: die Metallatome bilden eine feste Netzstruktur. Innerhalb
dieses Netzes sind die Elektronen der äußersten Schale frei beweglich. Die Atomrümpfe sind an einen
Platz gebunden, können aber auf diesem Platz hin und her schwingen. Je höher die Temperatur, desto
stärker schwingen die Atomrümpfe, desto stärker werden die Elektronen in ihrer Bewegung behindert
=> der Widerstand steigt, die Leitfähigkeit sinkt.
Zu 4) In Reihenschaltungen gilt: U1 + U2 = Ugesamt
Ugesamt-U1 = U2 => 14 V – 5 V = 9 V; U2 ist 9 Volt
In Spannungsteilern gilt: U1/U2 = R1/R2
R1 = U1/U2 *R2 = 5V/9V*470 Ohm => R1 = 261,11 Ohm
Zu 5) U1/U2 = R1/R2
14 V/10 V = 1.4 = R1/R2
R1 = 1,4 * R2
Z.B. R1 = 200 Ohm und R2 = 280 Ohm
Zu 9) U = R*I; I = U/R = 12V/450 Ohm => I = 0.0266A
Zu 10) U = R*I => R = U/I = 12 V/0,05A = 240 Ohm
Zu 11) s. Versuch Transistor als Lichtschranke (s.S.18). Statt LDR ein Widerstand oben. Statt dem
Widerstand darunter zwei Drähte als Feuchtigkeitssensor. (gelöste Salze im Wasser bzw. im feuchten
Boden leiten den Strom)
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Die paradoxe Schaltung
1) Zeichne den Stromfluss in jede Abbildung farbig ein.
2) Notiere die Beobachtungen, die man bei dem jeweiligen Versuchsaufbau machen kann.
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25
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26
Signale speichern mit Kippschaltungen
Alarmschaltungen mit „Gedächtnis" lassen sich
mit Relais oder Kondensatoren aufbauen.
Kondensatoren können aber ihre Ladung
„verlieren" und Relais sind teuer, laut und nicht
Energie sparend. Diese Nachteile lassen sich
vermeiden, wenn man Speicherschaltungen mit
zwei Transistoren benutzt (Bilder 1-3).
Grundlagen: Das Flipflop - Speicher aus zwei Transistoren
Erster stabiler Zustand
Wenn man in Bild 2 den Taster 2 schließt, sind Basis
und Emitter des Transistors T2 direkt miteinander
verbunden. Die Spannung UBE beträgt 0 V; durch T2
fließt kein Steuerstrom. Der Transistor T2 sperrt; der
Summer ertönt nicht.
Der Transistor T1 leitet, weil sein Steuerstromkreis geschlossen ist: Über den Summer, der selbst
nicht ertönt, fließt nämlich ein kleiner Strom durch
den Widerstand R1 sowie über Basis und Emitter von
T1. Dies ist der Steuerstrom von T1. Der Transistor
T1 wirkt wie ein geschlossener Schalter: Die Leuchtdiode leuchtet.
Wenn man den Taster 2 wieder loslässt, sperrt der
Transistor T2 weiterhin: Seine Basis und sein Emitter
sind immer noch über R2 und den leitenden Transistor
T1 miteinander verbunden. Durch T2 fließt daher auch
jetzt kein Steuerstrom. Die Schaltung befindet sich
in einem stabilen Zustand.
Zweiter stabiler Zustand
Nun wird der Taster 1 kurz betätigt (Bild 3). Dadurch sind
Basis und Emitter des Transistors T1 miteinander
verbunden. Die Spannung UBE beträgt 0 V; der
Transistor T1 sperrt; die LED geht sofort aus ...
Was daraus folgt, lässt sich auf die gleiche Weise
wie oben beim Transistor T2 erklären. Die
Schaltung „kippt" in ihren zweiten stabilen
Zustand.
Bistabile Kippschaltung
Die Schaltung heißt bistabile Kippschaltung. Elektroniker haben ihr einen Namen mit mehr Klang gegeben:
Flipflop. In diesem Wort hört man geradezu das
Umkippen der Schaltung.
Eine bistabile Kippschaltung enthält zwei Transistoren
und kann speichern: „Signal gesetzt", SE 1 oder „Signal
nicht gesetzt", RESET, 0.
Jedes Flipflop im SRAM (static random acceess
memory) eines Rechners kann 1 Bit speichern.
Al Erkläre den Begriff„ bistabile Kippschaltung".
A2 Welcher der Taster in Bild 2 löst den Alarm aus?
A4 Warum können bei einem Flipflop niemals beide
Transistoren gleichzeitig durchsteuern? Was pas
siert, wenn man beide Taster gleichzeitig drückt?
A3 Beschreibe, wie das Flipflop (Bild 3) nach
Drücken von Taster 1 in den zweiten stabilen
Zustand kippt.
Quelle: Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.102, Cornelsen 2004
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27
Die Flipflopschaltung
Transistorschaltungen als „Gedächtniszellen" von Computern
Aus Umwelt und Technik: Von Flipflops und Computern
Bei unseren Alarmschaltungen kamen wir jeweils mit einem einzigen Transistor aus. Als
Einbruchmelder haben diese Schaltungen jedoch einen Nachteil:
Wenn ein Dieb z. B. eine mit einer Lichtschranke gesicherte Tür öffnet und dabei einen Alarm
auslöst, wird er vermutlich die Tür schnell wieder schließen. Auf diese Weise beendet er aber den
Alarm.
Besser ist also eine Schaltung, auf die der Dieb nach dem Einschalten keinen Einfluss mehr hat
oder - wie der Fachmann sagt - die er nicht zurücksetzen kann. Eine solche Schaltung zeigen dir die
Bilder 1 u. 2.
So funktioniert diese Schaltung:
Wenn man in Bild 1 den Taster 2
schließt, sind Basis und Emitter des
Transistors T2 direkt miteinander
verbunden. Die Spannung UBE beträgt
0 V; durch T2 fließt kein Steuerstrom.
Der Transistor T2 sperrt, und der
Summer ertönt nicht.
Der Transistor T1 dagegen leitet: Da
T2 sperrt, liegt die gesamte Spannung
der Stromquelle an T2. Über
den Summer fließt daher ein kleiner Strom durch den Widerstand R1 sowie über Basis und Emitter
von T1. Dies ist der Steuerstrom von T1. Der Transistor T1 wirkt wie ein geschlossener Schalter. Die
Leuchtdiode leuchtet.
Lässt man den Taster 2 wieder los, so sperrt der Transistor T2 weiterhin: Seine Basis und sein Emitter
sind immer noch über R2 und den (leitenden)
Transistor T1 miteinander verbunden.
Durch T2 fließt daher auch jetzt kein
Steuerstrom.
Die Schaltung befindet sich in einem
stabilen Zustand.
Nun wird der Taster 1 kurz betätigt. Die
Schaltung „kippt" in einen zweiten stabilen
Zustand (Bild 2).
Er lässt sich auf die gleiche Weise
erklären ...
Eine solche Schaltung heißt bistabile Kippschaltung (lat. Vorsilbe bi-: zwei). Die Elektroniker
haben ihr einen Namen mit mehr Klang gegeben: Flipflop. In diesem Wort hört man geradezu das
„Umkippen" der Schaltung.
Flipflops werden keineswegs allein zum Vertreiben von Einbrechern eingesetzt. Vielmehr haben
Kippschaltungen eine überragende Bedeutung in der Computertechnik.
Das Flipflop stellt nämlich ein Art „Gedächtnis" dar: In unserem Beispiel „speichert" es, ob man
den Taster 1 betätigt hat, ob also das Alarmsignal eingeschaltet oder gesetzt wurde (engl. set). Mit Hilfe
von Schalter 2 kann das Signal zurückgesetzt werden (engl. reset).
Kippschaltungen sind die kleinsten „Gedächtniszellen" von Computern. Sie können speichern: Signal
gesetzt (ja oder 1) oder Signal nicht gesetzt (nein oder 0). Eine solche „Ja/Nein"-Möglichkeit nennt
man 1 Bit.
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28
Um eine Ziffer oder einen Buchstaben zu speichern, verwendet man meist acht Speicherzellen. Dabei
werden alle gebräuchlichen Zeichen (Buchstaben, Ziffern, ...) in der Regel nach dem ASCII-Code
(American Standard Code for Information Interchange) verschlüsselt. Der Buchstabe R z. B. wird
gespeichert als 01010010 und die Ziffer 8 als 00111000. Jeweils 8 Bit nennt man 1 Byte, und 1000 Byte
(genaugenommen: 210 Byte = 1024 Byte) ergeben 1 Kilobyte.
Die ersten Heimcomputer wie in Bild 3 hatten Speicherzellen für 64 Kilobyte. Er konnte also z. B. 64 000
Buchstaben speichern. Dazu waren immerhin mehr als eine halbe Million einzelner „Ja/Nein"-Speicherplätze nötig.
Nahezu unglaublich ist, auf welch kleinem Raum Zehntausende von Speicherzellen untergebracht werden
(Bild 4). Ermöglicht wird diese starke Verkleinerung dadurch, dass nicht mehr einzelne Bauteile zusammengelötet werden. Vielmehr stellt man auf einem einzigen Chip gleich die vollständige Schaltung her —
einschließlich aller Transistoren, Widerstände und elektrischen Verbindungen.
Aufgaben
_______________________________________________________________
1 Baue das Flipflop in einem Versuch auf. Überlege dir zuvor, welche Festwiderstände du verwenden willst.
2 Was geschieht, wenn du in der Flipflop-Schaltung auf der Nebenseite den Schalter 1 für kurze Zeit schließt?
Beschreibe den Vorgang genau. Bild 2 hilft dir dabei.
3 Warum können beim Flipflop niemals beide Transistoren gleichzeitig durchsteuern (also ihren Arbeitsstrom
kreis einschalten)?
4 Mit diesem Streßtester (Bild 5) kannst du feststellen, ob du eine ruhige Hand hast. Die Aufgabe besteht darin,
den Ring über den gebogenen Draht zu führen, ohne dass sich beide berühren. Wie funktioniert diese Schaltung?
5 Welcher der Taster in Bild 1 löst den Alarm aus?
6 Erkläre den Begriff bistabile Kippschaltung.
7 Bild 6 zeigt dir eine Gegenüberstellung der Ziffern des Dezimalsystems und der jeweiligen Codierungen für
den Computer.Gelingt es dir, den Code zu „entschlüsseln"? Ergänze in deinem Heft den fehlenden Teil der
Tabelle.
Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S.122-123, Cornelsen, 1992
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29
Vom Kerbholz zum elektronischen Speicher
Erlebnisse, Gefühle, Bilder, Symbole, Töne, Texte, Formeln, Zahlen
und noch viel mehr können wir im
Gedächtnis behalten.
Die Speicherfähigkeit unseres
Langzeitgedächtnisses ist sehr
hoch. Man schätzt, dass die gespeicherten Informationen dem
Inhalt von mehr als 1 Million CDROMs entsprechen würden (1015
Bit). Und jeden Tag gelangen neue
Informationen in diesen „Speicher". Manches geht über kurz
oder lang wieder verloren — es
wird aus unserem Speicher „gelöscht". Wir vergessen es einfach.
Um dem Vergessen entgegenzuwirken, ersannen die
Menschen schon früh andere Speichermöglichkeiten für
Informationen. So gab es im Mittelalter z. B. für die
Stammgäste in Wirtshäusern einen Holzstab, in den der Wirt
für jeden geschuldeten Dukaten eine Kerbe schnitzte. Heute
wird die Höhe der Zeche oft mit Strichen auf einem
Bierdeckel gespeichert.
Als Speicher am meisten verbreitet
ist Papier. In Form von Texten und
Noten, Formeln und Zahlen,
Zeichnungen und Fotos speichert es
das Wissen der Menschheit aus den
vergangenen Jahrhunderten.
Inzwischen gibt es viele neue
Speichermedien. Mal stecken die
Daten in dünnen Magnetschichten,
mal in kleinen Vertiefungen auf
Kunststoffscheiben,
mal
in
elektronischen Schaltkreisen (auf
Chips im Computer).
Einige Speicher kann man nach
Belieben selbst löschen.
Bei anderen Speichern sind die Daten dagegen fest
vorgegeben und können nicht verändert werden; man
spricht dann von festen Speichern.
Sie dienen z. B. als Speicher für Musik (CDs) oder
für Programmsprachen und Rechenregeln im Computer
(Chips). Man bezeichnet sie als Nur-Lese-Speicher
oder kurz als ROM (engl. read only memory).
Aufgaben
1. Bild 2 zeigt einige technische Speicher. Wo werden sie benutzt? In
welcher Form sind auf ihnen die Informationen gespeichert?
2. Zähle mehrere Speicher auf deren Daten vom Benutzer nur
gelesen, aber nicht verändert werden können.
3. Computer besitzen auch RAM Speicher (engl. random access
memory). Informiere dich über deren Eigenschaften.
Quelle: Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.94, Cornelsen 2004
Bild 2: Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.280, Cornelsen 2008
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30
Lexikon der Computerbegriffe
BASIC
BASIC ist eine Programmiersprache. Der Name
steht für Beginners All-Purpose Symbolic
Instruction Code (symbolische Altzweck-Befehlssprache für Anfänger). BASIC wurde in den
60er Jahren erfunden und seitdem ständig weiterentwickelt.
Betriebssystem
Im Betriebssystem sind alle für den Betrieb des
Computers grundlegenden Systemprogramme
zusammengefasst. Das Betriebssystem sorgt dafür,
dass angeschlossene Geräte wie Drucker, Tastatur
etc. mit dem Computer verwendet werden können.
Bit
Ein Bit ist die kleinste Dateneinheit. Es kann die
Zustände 0 oder 1 haben.
bps
Die Geschwindigkeit von Datenübertragungen gibt
man in Bits pro Sekunde, abgekürzt bps, an.
Byte
8 Bits werden zu einem Byte zusammengefasst. Ein
Byte kann 256 verschiedene Zustände haben. Ein
Kilobyte (KByte bzw. KB) umfasst 1024 Byte, 1
Megabyte (MByte bzw. MB) 1024 KByte, also
1048576 Byte.
Chip
Dieser Computerbaustein aus Silicium steuert
bestimmte elektrische Vorgänge im Computer.
Computer
Computer stammt vom lateinischen computare,
„rechnen", ab. Heute sind unter diesem Begriff alle
programmgesteuerten Rechnersysteme zusammengefasst.
DFÜ
DFÜ ist die Abkürzung für Datenfernübertragung.
Wenn du z.B. über das Internet Daten austauschen
möchtest, sind verschiedene Computer über DFÜ
miteinander verbunden.
DOS
DOS steht für Disk Operation System (DiskettenBetriebssystem). DOS war eines der ersten Betriebssysteme für Computer.
DSL
Die Abkürzung steht für Digital Subscriber Line
und bezeichnet verschiedene Verfahren, um Daten
•
mit einer hohen Übertragungsrate über die
Kupferleitungen des Telefonnetzes zu übermitteln.
EDV
Abkürzung für elektronische Datenverarbeitung
Festplatte
Die Festplatte ist ein magnetisches Speichermedium.
Formatierung
Damit Daten auf einem Speichermedium übertragen
werden können, muss das Medium für den
Gebrauch mit dem Computer vorbereitet werden.
Diesen Vorgang bezeichnet man als Formatieren.
Grafikkarte
Eine Steckkarte im Computer, die die
Kommunikation zwischen Bildschirm und Computer
steuert.
Hardware
Unter diesem Begriff sind alle mechanischen und
elektronischen Bauteile eines Computersystems
zusammengefasst.
Mikroprozessor
Zentraler Baustein im Computer zur Steuerung und
Verarbeitung von Daten
Modem
Gerät zur Übertragung von Daten über die Telefonleitung (I> B 1)
Netzwerk
In einem Netzwerk sind alle Computer
zusammengefasst, die miteinander Daten
austauschen können.
Pascal
Programmiersprache, die nach dem französischen
Mathematiker BLAISE PASCAL (1623-1662) benannt wurde
Programm
Als Programm bezeichnet man eine Abfolge von
Befehlen an den Computer. Programme erstellt
man mithilfe einer Programmiersprache, die die
Steueranweisungen in für den Computer verständliche Befehle übersetzt.
RAM
Es gibt in einem Computer zwei Speichertypen: das
RAM und das ROM. RAM steht für Random
Access Memory. Es bezeichnet einen Speicher, aus
dem Daten ausgelesen und in dem Daten abgelegt
werden können.
Lädt man z. B. ein Programm oder einen Text,
werden die Daten im RAM des Computers abgelegt.
Mit dem Ausschalten des Computers gehen die
Daten aus dem RAM verloren.
ROM
Abkürzung für Read Only Memory. Dieser Speicher
kann nur ausgelesen werden.
Software
Alle Programme sind unter dem Begriff Software
zusammengefasst (I> B 2).
1 Software für die Bildbearbeitung
Quelle: Prisma Physik 7-10, S.357, Klett, 2006
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31
Analog - digital – binär
Das Oszilloskop zeigt den Verlauf der Spannung
am Mikrofon an (Bild 2). Wird die Stimme lauter,
so wird die Schwingungskurve auf dem
Bildschirm höher. Nimmt die Tonhöhe zu, rücken
die „Wellen" der Kurve enger zusammen.
Die Schwingungskurve von Bild 2 ist ein
Beispiel für ein analoges Signal. Das Signal
ändert sich nämlich stufenlos entsprechend der
Stimme (griech. analogos: entsprechend).
Bild 4 zeigt den Ausschnitt aus einer solchen
Tonschwingung. Die „Höhe" der Kurve kann in
gleichen Zeitabständen elektronisch gemessen
werden. Durch die taktweise Messung wird das
analoge Signal nicht exakt erfasst: Alle
Messungen zusammen ergeben nicht genau die
ursprüngliche Signalkurve.
Der Signalverlauf von Bild 5 ist
stufenförmig. Fachmann nennt es ein digitales
Signal.
Das Wort „digital" ist abgeleitet von lat.
digitus: Finger. Kinder benutzen ihre Finger zum
Zählen. Auch Erwachsene zeigen im Ausland mit
den Fingern, ob sie z. B. drei oder vier
Mangofrüchte kaufen wollen.
Beim Ausmessen der Säulenhöhen von Bild 5 ist es
ähnlich: Für die Amplitude sind nur ganze Zahlen erlaubt, keine mit Kommastellen. Wie Bild 5 auch
zeigt, müssen bei einem digitalen Signal nicht alle
Stufen gleich hoch sein, es gibt zum Teil große
Sprünge.
Das digitale Signal kann noch weiter umgewandelt werden: Die Messwerte werden nicht als
Dezimalzahlen ausgegeben, sondern als Dualzahlen (Bild 6).
Die nebeneinander geschriebenen Werte der
Messungen bestehen dann nur noch aus Nullen
und Einsen, also aus nur zweierlei Zeichen. Ein
solches Signal nennt man ein binäres Signal.
Binär ist abgeleitet von lat. bi-: zweifach. Das
kleinste binäre Signal besteht nur aus einer 1 oder
einer 0. Man spricht von einem Bit (von engl.
binary digit).
Quelle:
Text: Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.105, Cornelsen 2004
Bilder: Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.278, Cornelsen 2008
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32
Was ist "der ASCII-Code"?
ASCII ist eine Abkürzung für die Wörter "American Standard Code for Information Interchange". Es
ist ein in Amerika erfundener Verschlüsselungscode (eine Art Geheimcode, der aber nicht geheim
ist). Dieser Code wird benutzt, um Zeichen, die mit Hilfe von elektrischen Signalen übertragen
werden sollen, zu verschlüsseln um sie dann elektronisch über Leitungen zu versenden.
Wenn du also den Buchstaben A in deinen Computer eintippst, wird nicht wirklich ein "A" gespeichert
oder ins Internet übertragen, sondern dieses A wird solange umgewandelt und zerlegt, bis es nur noch
mit zwei Zeichen dargestellt werden kann. Diese zwei Zeichen sind "0" und "1". Auf dem Weg der
Umwandlung dorthin wird eine Zwischenstation (die hexadezimale Darstellung) benutzt. Zum
Beispiel steht für "A" die hexadezimale Zahl "41" oder die Dualzahl "0100 0001".
Eine Kombination aus je zwei hexadezimalen Zahlen (dieses sind die Zeichen
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F) oder eine Kombination aus je acht Dualzahlen (0,1) bilden den
ASCII-Code. Einen Teil einer ASCII-Code-Tabelle findest du gleich hier:
ASCII
/
Hexa
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
2A
2B
2C
2D
2E
2F
Dual
0010 0000
0010 0001
0010 0010
0010 0011
0010 0100
0010 0101
0010 0110
0010 0111
0010 1000
0010 1001
0010 1010
0010 1011
0010 1100
0010 1101
0010 1110
0010 1111
ASCII
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
:
;
<
=
>
?
Hexa
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
3A
3B
3C
3D
3E
3F
Dual
0011 0000
0011 0001
0011 0010
0011 0011
0011 0100
0011 0101
0011 0110
0011 0111
0011 1000
0011 1001
0011 1010
0011 1011
0011 1100
0011 1101
0011 1110
0011 1111
ASCII
@
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
Hexa
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
Dual
0100 0000
0100 0001
0100 0010
0100 0011
0100 0100
0100 0101
0100 0110
0100 0111
0100 1000
0100 1001
0100 1010
0100 1011
0100 1100
0100 1101
0100 1110
0100 1111
ASCII
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
[
\
Hexa
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
5A
5B
5C
Dual
0101 0000
0101 0001
0101 0010
0101 0011
0101 0100
0101 0101
0101 0110
0101 0111
0101 1000
0101 1001
0101 1010
0101 1011
0101 1100
ASCII
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
Hexa
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
6A
6B
6C
Dual
0110 0000
0110 0001
0110 0010
0110 0011
0110 0100
0110 0101
0110 0110
0110 0111
0110 1000
0110 1001
0110 1010
0110 1011
0110 1100
ASCII
p
q
r
s
t
u
v
w
x
y
z
{
|
Hexa
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
7A
7B
7C
Dual
0111 0000
0111 0001
0111 0010
0111 0011
0111 0100
0111 0101
0111 0110
0111 0111
0111 1000
0111 1001
0111 1010
0111 1011
0111 1100
]
5D
0101 1101
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0110 1101
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7D
0111 1101
^
5E
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0110 1110
~
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0111 1110
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0101 1111
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+
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-
http://www.blinde-kuh.de/internet/ascii.htm
IGS List
Neue Medien
33
Transistoren in elektronischen Schaltungen
3 Kondensatoren für Zeitschaltungen
Ein erstaunlicher Versuch: Parallel zur Batterie eines
Radios wird ein Kondensator geschaltet (Bild 1; auf die
Polung achten!). Dann wird die Batterie entfernt ...
V 15 Jetzt soll das Aufladen und das
Entladen des Kondensators „in Zeitlupe"
ablaufen. Tausche dazu die Glühlampe
gegen einen Widerstand aus (Bild 3).
Die Spannung am Kondensator wird
beim Laden und beim Entladen alle 10 s
gemessen. Notiere die Messwerte in einer
Tabelle und stelle sie graphisch dar
(waagerechte Achse: Zeit; senkrechte
Achse: Spannung).
V 14 Wir untersuchen, wie sich ein c) Verwende nun Kondensatoren z.
Kondensator im Gleichstromkreis B. mit den folgenden Aufschriften: „4700
auswirkt. Bild 2 zeigt den Aufbau.
µF", „100 µF", „1 µF".
c) Miss die Spannung zwischen den
a) Was ist zu beobachten, wenn der
Anschlüssen des Kondensators vor und
Schalter in Stellung 1 gebracht wird? Was
nach dem Aufladen. Was stellst du fest,
geschieht, wenn du ihn anschließend
wenn du deine Messwerte mit der
in Stellung 2 bringst?
Batteriespannung vergleichst?
V 16 Mit einem aufgeladenen Kondensator kann man auch die Basis eines
Transistors ansteuern. Baue die Schaltung
von Bild 4 auf, und probiere sie aus.
Erkläre, wie sie funktioniert.
Die Kapazität eines Kondensators
Ein Kondensator besteht im
einfachsten Fall aus zwei Metallplatten oder -folien, die durch
eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind. In Bild 5
siehst du verschiedene Bauformen.
IGS List
Baut man in einen Stromkreis aus
Batterie und Lämpchen zusätzlich
einen Kondensator ein, so
beobachtet man folgendes: Sobald
der Stromkreis geschlossen wird,
blitzt das Lämpchen kurz auf.
Das lässt sich so erklären:
Zunächst treibt die Batterie
Elektronen von der einen Kondensatorplatte auf die andere. Dadurch werden die beiden Platten
aufgeladen.
Neue Medien
34
Auf der einen Platte gibt es einen
Überschuss an Elektronen, auf der
anderen einen Mangel.
Je stärker die Platten geladen sind,
desto höher ist die Spannung
zwischen ihnen und damit zwischen
den Anschlüssen des Kondensators.
Die Kapazität C eines Kondensators
ist umso größer, je größer die Ladung
0 ist, die bei einer bestimmten
Spannung U von der einen Kondensatorplatte zur anderen transportiert
wird.
Man hat festgelegt:
Die Spannung des Kondensators
ist der Spannung der Batterie
entgegengerichtet: Während die
Batterie die Elektronen beim
Aufladen in die eine Richtung treibt,
übt der Kondensator einen immer
stärkeren Antrieb in Gegenrichtung
aus.
Die Einheit der Kapazität ist 1 Farad
(1 F); sie ist nach dem englischen
Physiker Michael Faraday benannt.
Wenn
die
Spannung
des
Kondensators schließlich genauso
groß wie die der Batterie ist, fließt
kein Strom mehr. Man sagt dann:
Der Kondensator ist geladen.
Ein geladener Kondensator kann z.
B. ein Lämpchen zum Leuchten
bringen. Er stellt also eine
elektrische Energiequelle dar - aber
nur so lange, bis er wieder entladen
ist.
Den Spannungsverlauf beim Laden
und
beim
Entladen
eines
Kondensators zeigt Bild 6.
Durch einen Kondensator können
keine Elektronen fließen. Ströme
sind immer nur von einer Platte auf
die andere (über angeschlossene
Leiter) möglich.
Je
nach
Bauform
können
Kondensatoren unterschiedlich viel
Energie speichern. Man sagt: Die
Kondensatoren haben unterschiedlichen Kapazitäten.
Die Einheit 1 F ist sehr groß. In der
Praxis werden Kondensatoren mit viel
kleineren Kapazitäten verwendet. Man
gibt daher Kapazitäten meistens in
Bruchteilen von 1 F an.
Millifarad (mF); 1000mF=1 F;
Mikrofarad (µF);1000 µF =1
mF; Nanofarad (nF); 1000 nF
=1 F; Pikofarad (pF); 1000 pF
=1 nF.
4 Der Kondensator im Wechselstromkreis
V 17 Wir untersuchen, wie ein Kondensator in einem Wechselstromkreis wirkt.
a) Baue den Stromkreis von Bild 7
zunächst ohne den Kondensator auf.
Wie groß ist der Strom?
Ob das Lämpchen noch leuchtet,
wenn ein Kondensator in den
Stromkreis eingebaut wird?
b) Setze nacheinander Kondensato-
ren mit unterschiedlichen Kapazitäten ein (z. B. 4,7 µF und 1000 F).
Miß jeweils die Stromstärke.
V 18 Die Wechselspannung unseres
Stromnetzes hat eine Frequenz von
50 Hz.
Ein Frequenzgenerator kann Wechselspannungen mit höheren und geringeren Frequenzen erzeugen.
Welcher Zusammenhang besteht
zwischen der Frequenz der Wechselspannung und der Stromstärke,
wenn sich ein Kondensator im
Stromkreis befindet?
V 19 Wir schließen einen Lautsprecher über einen Kondensator an ein
Radio an (Bild 8).
a) Hört man bei dazwischengeschaltetem Kondensator die
hohen oder die tiefen Töne besser?
b) Welchen Einfluss hat dabei die
Kapazität des Kondensators?
Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S.116-117, Cornelsen, 1992
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Der Kondensator
Aufgabe
In diesem Versuch sollt ihr die Funktionsweise eines Kondensators kennen lernen.
1. Baut dazu den Versuch wie in der Skizze auf und führt den Versuch durch. Achtet bei dem Aufbau
auf die Polung des Kondensators und während des Versuchs auf den Motor. Regelt zu Anfang des
Versuchs die Spannung hoch und schaltet das Netzgerät ein. Notiere deine Beobachtungen.
2. Ziehe nun ein Kabel aus dem Netzgerät und stecke es wieder hinein und notiere deine
Beobachtungen.
3. Ziehe nun beide Kabel aus dem Netzgerät und drücke die Anschlüsse aneinander und notiere
wieder deine Beobachtungen.
4. Nachdem du deine Beobachtungen notiert hast, drücke die beiden Anschlüsse noch einmal
aneinander und notiere wieder deine Beobachtungen.
5. Regele nun die Spannung hinunter und führe den Versuch noch einmal durch. Notiere auch dabei
immer deine Beobachtungen.
Aufbau (Skizze):
Beobachtungen:
Ergebnis:
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Auf- und Entladen eines Kondensators
Aufgabe:
In diesem Versuch sollst du die Spannung beim Auf- und Entladevorgang des Kondensators messen.
Schalte dazu einen Widerstand und einen Kondensator in Reihe. Wie musst du das Messgerät in die
Schaltung einbauen, damit du die Spannung am Kondensator messen kannst?
Materialien:
Spannungsquelle, Messgerät, Widerstand (27 kΩ), Kondensator (1000 µF), Kabel, Uhr (Smartboard)
Skizze:
Durchführung (erst durchlesen):
1. Baut die Schaltung nach der Skizze auf.
2. Stellt den Regler an der Spannungsquelle etwa auf den 5. Punkt.
3. Lest im Abstand von je zwei Sekunden den Wert für die Spannung beim Aufladen des
Kondensators auf eurem Messgerät ab. Damit dies funktioniert gibt einer den Takt vor, einer
liest die Werte ab und einer notiert die Werte. Messt eine Minute lang. Beginnt bei 0 V und
notiert den ersten Wert zwei Sekunden nachdem ihr die Spannungsquelle eingeschaltet habt.
Schaltet die Spannungsquelle aus, nachdem ihr eine Minute lang Messwerte aufgenommen
habt.
4. Lest im Abstand von je zwei Sekunden den Wert für die Spannung beim Entladen des
Kondensators auf eurem Messgerät ab. Geht dabei so vor, wie bei der Aufnahme der
Messwerte beim Aufladen. Notiert zunächst den Wert, den das Messgerät anzeigt. Verbindet
dann die Kabel, die an die Spannungsquelle angeschlossen sind, miteinander und beginnt
sofort mit der Messung.
Bevor ihr mit der Messung beginnt legt ihr folgende Tabelle in eurer Mappe an:
Zeit in s
Spannung beim Aufladen in V
Spannung beim Entladen in V
0
2
4
...
Auswertung:
Übertragt eure Messwerte in zwei Koordinatensysteme. In einem tragt ihr die Spannung am
Kondensator beim Aufladen in Abhängigkeit von der Zeit auf. In das andere Koordinatensystem tragt
ihr die Spannung beim Entladen in Abhängigkeit von der Zeit auf.
Beschreibt die Kurven.
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Quellen
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.278, Cornelsen 2008
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.280, Cornelsen 2008
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.94, Cornelsen 2004
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.102, Cornelsen 2004
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, S.105, Cornelsen 2004
Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S.116-117, Cornelsen, 1992
Natur und Technik, Physik für Realschulen 9/10, S.122-123, Cornelsen, 1992
Prisma Physik 7-10, S.357, Klett, 2006
Querschnitt Physik 9/10, S.173, Westermann, 1995
Querschnitt Physik 9/10 S.174, Westermann, 1995
Unterricht Physik 8, Nr. 40. 1997
www.blinde-kuh.de/internet/ascii.htm
www.elektronikinfo.de/strom/dioden.htm
www.panoramio.com/photo/8624605 (Cover)
www.wikipedia.org/wiki/Neue_Medien
www.zum.de/dwu/depot/pet101f.gif
Literatur
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, Ausgabe N, Cornelsen 2008
Natur und Technik Physik 9‫׀‬10, Cornelsen 2004
Prisma Physik 7-10, Klett, 2006
Querschnitt Physik 9/10, Westermann, 1995
Unterricht Physik 8, Friedrich Verlag, 1997
www.elektronikinfo.de/strom/bauelemente.htm
www.zum.de/dwu
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