14. Stromkreis(el circuito)

14 Stromkreis
14.
©Hofer
Stromkreis(el circuito)
Grundkräfte der Natur
Es gibt vier Grundkrafte mit denen wir alle physikalischen Vorgänge der Natur
beschreiben können.
•
Starke Wechselwirkung
•
Schwache Wechselwirkung
•
Gravitationskraft
•
Elektrische Kräfte
A1: Erarbeite mit dem Lehrer, welche Vorgänge mit welcher Kraft erklärt werden!
A2: Welche Eigenschaften haben die vier Grundkräfte?
14.1 Ladung, Strom und Spannung
A3:
Nenne Beispiele aus dem Alltagsleben, wo dir die Elektrizität hilfreich ist!
V1:
Konstruiere einen einfachen Stromkreis mit Hilfe der Schülergeräte.
Zeichne einen Schaltplan und beschreibe diesen!
Führe Strom- und Spannungsmessungen durch!
14.1.1 Elektrische Ladung( la carga eléctrica)
A1: Wie ist ein Atom aufgebaut? Welche Grundkräfte wirken in einem Atom?
A2: Wiederhole die Begriffe Kernladungszahl, Massenzahl, Ion und Isotop!
Elementarladung
Elektronen und Protonen tragen geleich große, aber entgegengesetzte Ladungen. Der
Betrag dieser Ladung heißt Elementarladung e.( la carga unitaria de electricidad)
A3: Nenne alle Teilchen die du kennst und gib deren Ladung an!
1
14 Stromkreis
©Hofer
V1: Reibe einen Hartgummistab mit einem Stück Fell und überprüfe deren Verhalten an
einem Elektroskop.
•
•
Negativ geladen ist ein Körper, wenn er einen Elektronenüberschuss besitzt.
Positiv geladen ist ein Körper, wenn er einen Eletronenmangel hat.
Beispiel:
Abb1.: Ladungsverteilung in einer Gewitterwolke
Von einer geladenen Gewitterwolke tritt ein Ladungsausgleich an anderen Wolken,
Bäumen, Gebäuden usw. auf. (Blitz) Dieser Blitz transportiert in sehr kurzer Zeit sehr
große Ladungsmengen. Dabei erwärmt sich die Luft sehr schnell auf einige Zehntausend
Grad. Dadurch dehnt sich die Luft mit Überschallgeschwindigkeit aus – es donnert.
A4: Was ist eine physikalische Erhaltungungsgröße?
Nenne alle Erhaltungsgrößen die du kennst!
Gesetz von der Erhaltung der Ladung:
In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe der elektrischen Ladungen stets
gleich.
2
14 Stromkreis
©Hofer
3
Bei allen Vorgängen in der Natur bleibt die Summe der Ladungen konstant.
Beispiele: Ladungserhaltung
1. Ein Neutron kann in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfallen!
A1: Schreibe die dazugehörige Gleichung und erkläre am Beispiel den
Ladungserhaltungssatz!
2. Radioaktiver Kohlenstoff
14
6
C zerfällt in das Stickstoffatom
14
7
N und weiter Teilchen!
A2: Schreibe die dazugehörige Gleichung und erkläre am Beispiel den
Ladungserhaltungssatz!
Das Gesetz der Ladungserhaltung gilt auch in geschlossenen Stromkreisen: Wird beim
Betrieb einer Taschenlampe die Batterie allmählich entladen, sind Ladungsträger von
einem Batteriepol zum anderen gewandert und haben ihre Energie im Glühlampchen
abgegeben.
Lange dachte man, dass Ladung nur als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung
1
2
auftreten. Die Ladungsgröße von den Quarks, wurde als bzw.
der Elementarladung
3
3
bestimmt. Allerdings können Quarks nicht einzeln beobachtet werden. Sie bilden
zusammen Protonen oder Neutronen!
Die elektrische Ladung tritt messbar nur in ganzzahligen Viefachen der
Elementarladungen auf.
Man sagt auch: Die elektrische Ladung tritt nur quantisiert auf.
Arten der Stromleitung:
1.
Metall (el metal)
Metallatome geben leicht Außenelektronen ab. Diese Elektronen können sich leicht durch
das Kristallgitter bewegen. (Zimmertemperatur)
2.
Halbleiter (el semiconductor)
Halbleiteratome geben bei geringerm Energieaufwand äußere Elektrornen ab. Diese
bewegen sich frei durch den Kristall. (Zimmertemperatur)
14 Stromkreis
3.
©Hofer
4
Isolator (el aislante)
Die Elektronen sind in den Atomen gebunden. Es gibt fast keine freien Elektronen.
(Zimmertemperatur)
4.
Elektrolyt (el electrolítico)
Beim Lösen von Ionenkristallen in Wasser werden die Ionen durch Wassermoleküle
getrennt. Die Ionen sind frei beweglich. (Zimmertemperatur)
5.
Supraleiter (la supraconducción)
Bei tiefen Temperaturen können sich die Elektronen reibungsfrei durch den Kristall
bewegen. (T < 102 K)
6.
Plasma (el plasma)
Bei hohen Temperaturen werden Gasatome ionisiert. Elektronrn und Ionen bewegen sich
frei. (T > 103 K)
14.1.2
Elektrische Stromstärke (la intensidad de la corriente)
Man spricht von einem elektrischen Strom, wenn sich Ladungen bewegen. Von einem
Gleichstrom (la corrient directa) spricht man, wenn in jeder Sekunde gleich viele
Ladungen durch einen Leiter fließen.
Elektrische Stromstärke
I=
∆Q
∆t
I...elektrische Stromstärke
∆Q...Ladungsmenge(la cantidad ) de carga), die durch
den Leiter fließt
∆t... dazu benötigte Zeit
Einheit: [I ] = A
14 Stromkreis
©Hofer
Ladungsmenge(la cantidad de carga)
Die Ladungsmenge, die in einer Sekunde bei einer Stromstärke von 1A durch den
Leiter fließt, heißt 1C (Coulomb).
A1: Berechne die Stromstärke I die ein Gewitterblitz hat, wenn er in der Zeit ∆t eine
Ladungsmenge von 5C transportiert!
A2: Eine Autobatterie hat eine Ladung Q von 60 Ah.
Erkläre was das bedeutet und wandle die Ladung in Coulomb um!
A3: Berechne, wie viele Elektronen bei einer Stromstärke von 1A pro Sekunde durch
einen Leiter fließen!
A4: Ein Lämpchen ist eine Stunde lang an eine Batterie bei einer Stromstärke von
200mA angeschlossen. Berechne die Ladungsmenge Q, die in dieser Zeit durch den
Leiter geflossen ist! Wie viele Elektronen sind dabei durch den Leiter geflossen?
14.1.3 Elektrische Spannung (el voltaje)
A1: Welche von Arbeit und Energie kennst du?
Abb.1: Elektronen bewegen sich im Stromkreis wie Flüssigkeitsteilchen im
Wasserkreislauf mit Energieaufwand
5
14 Stromkreis
©Hofer
Elektrische Spannung (el voltaje)
U=
W
Q
U…elektrische Spannung
W…Arbeit
Q…Ladung
Einheit: [U ] =
J
= V (Volt )
C
Die Arbeit, die zum Verschieben einer Ladung von 1C von einem Punkt A zum Punkt B
notwendig ist, heißt elektrische Spannung.
A1: Versuche die Definition der Spannung anhand eines Beispiels zu erklären!
A2: Eine Batterie hat eine Spannung von 4,5V und enthält eine Ladungsmenge von
Q = 5.103 C.
Welche Arbeit wird verrichtet bis die Batterie entladen ist?
A3: Ein Gewitterblitz transportiert eine Spannung von U = 500 kV die Ladungsmenge
Q = 5C in etwa 10-4s. Welche Arbeit und welche Leistung verrichtet der Blitz?
A4: Eine Autobatterie mit 12 V enthält die Ladungsmenge von Q = 2. 105C.
Welche Arbeit verrichtet sie bis zur Entladung?
A5: Leite eine Formel für die Leistung her die nur von Spannung U und Stromstärke I
abhängt!
6
14 Stromkreis
©Hofer
14.1.4 Spannungsquellen ( la fuente de voltaje)
Spannungsquellen geben die Energie ab, die für das Verschieben von Elektronen in
einem Stromkreis notwendig ist.
Um eine Spannungsquelle zu schaffen werden Elektronen, mit Hilfe von Arbeit vom
positiven zum negativen Pol verschoben.
Im Stromkreis fließen die Elektronen dann vom negativen zum positiven Pol.
A1: Nenne Beispiele von Spannungsquellen und erkläre welche Energieumwandlungen
stattfinden!
V1: Führe zu jeder von dir genannten Spannungsquelle einen Versuch durch und
beschreibe diesen!
14.1.5 Stromarbeit und Stromleistung (la potencia eléctrica)
Fließen die Elektronen durch einen Leiter, so wechselwirken sie mit den Leiteratomen.
Dabei geht Energie von den Elektronen auf den Leiter über. Die Bewegung der
Gitteratome wird schneller, der Leiter erwärmt sich.
A1: Versuche die untenstehende Formel für die Stromarbeit herzuleiten. Gehe von der
Formel für Spannung aus!
Stromarbeit
W = U.I.∆t
W…Stromarbeit
U…Spannung
I…Strom
∆t…Dauer des Stromfluss
[W] = J ( Joule)
A2: Leite die Einheit für die Stromarbeit in Basiseinheiten her!
7
14 Stromkreis
©Hofer
A3: Leite die Formel für die Stromleistung her und gib die Einheit der Stromleistung
an!
A4: Ein elektronisches Bauteil darf bei einer Spannung von U = 9V höchstens die
Leistung von P = 2W haben. Berechne die Stromstärke!
A5: Ein Ladegerät hat bei einer Spannung von 12V einen Ladestrom von 1A. Welche
Arbeit wird bei einer Ladezeit von 2h verrichtet und wie groß ist die Leistung des
Ladegeräts?
A6: Berechne die Energie die ein Elektron beim Durchlaufen einer Spannung U = 1V
erhält!
A7: Wie groß ist die Stromstärke einer 100 W – Glühlampe bei einer Spannung
U = 230 V!
A8: Ein elektrisches Heizgerät hat eine Leistung von 2000W. Berechne den
Energiebedarf in kWh, wenn es 6h eingeschalten ist!
A9: Stelle die Leistung einiger Haushaltsgeräte fest. ( Fernseher, Radio, Computer,
Bügeleisen….)
A
Welche Ströme fließen bei der verwendeten Spannung?
B
Welchen Innenwiderstand haben die Geräte?
C
Was kostet der Betrieb jedes Gerätes stündlich?
B
Was kosten die Geräte durchschnittlich monatlich!
A10: Zwei 1,5V Taschenlampenbatterie versorgen eine Lampe mit der Spannung U =
3V., wobei eine Stromstärke von I = 0,2A fließt.
A
Welche Leistung hat das Lämpchen?
B
Was kostet 1 kWh, wenn die Batterien fünf Stunden lang betrieben werden und
eine Batterie kostet 10 Q?
8
14 Stromkreis
©Hofer
14.2 Elektrischer Widerstand ( la resistencia)
14.2.1 Das Ohm´sche Gesetz ( la ley de Ohm)
V1: Baue mit dem Widerstand R = 100Ω die in der Abb.1 skizzierte Schaltung.
Miss für die Spannungswerte 2V, 4V, 6V,..,14V jeweils die Stromstärke!
Wiederhole die Messungen mit einem Widerstand R = 470 Ω
Zeichne die Messwerte dann in I – U – Diagramm ein!
Überlege, wie die physiklischen Größen I, U und R zusammenhängen! (Suche eine
Formel!)
Abb.1: Versuchsaufbau
A1: Formuliere das Ohm´sche Gesetz!
A2: Setze das Ohm´sche Gesetz in die Formel für die Stromleistung ein!
Welche Formel erhält man?
A3: Berechne die Stromstärke I, wenn eine 9V Batterie einen Verbraucher mit dem
Widerstand R = 1000 Ω versorgt!
A4: Berechne die Stromstärke I beim Betreib eines Bügeleisens mit der Leistung von
800W! (U= 230V)
9
14 Stromkreis
14.2.2
©Hofer
10
Spezifischer Widerstand (la resistencia)
In elektrischen Schaltungen muss die Stromstärke I bei einer vorgegebenen Spannung
häufig ganz bestimmte Werte annehmen. Dazu verwendet man Widerstände.
Sie haben die Aufgabe die Elektronen zu bremsen.
Der Widerstand R eines metallischen Leiters:
R=ρ
l
A
R…Widerstand
l…Leiterlänge
A…Querschnittsfläche
ρ…spezifischer Widerstand (material- und
temperaturabhängig)
Einheit: [R] = Ω (Ohm)
V1: Miss den Widerstand eines Metalldrahts!
Verändere seine Länge und miss den Widerstand wieder!
Verändere seine Temperatur und miss den Widerstand wieder!
Verändere seine Querschnittsfläche und miss den Widerstand wieder!
Miss den Widerstand eines gleich langen Metalldrahts, mit gleicher
Querschnittsfläche, aber anderen Materials!
Die Temperaturabhängigkeit eines Widerstands ist in erster Näherung linear.
Bei tiefen Temperaturen (< 20K) verlieren viele Metalle und Legierungen ihren
elektrischen Widerstand.
A1: Leite die Einheit des spezifischen Widerstands ρ her!
Spezifischer Widerstand ρ(bei 20°C)
in Ω.m
Silber
Kupfer
Konstantan
Silizium(Halbleiter)
Glas
Porzellan
Hartgummi
0,016 . 10-6
0,017 . 10-6
0,5 . 10-6
2,6 . 103
2 . 1012
5 . 1012
1013 - 1015
14 Stromkreis
©Hofer
14.2.3 Kirchhoff´sche Regeln
Die Kirchhoff´schen Regeln (Gustav Robert Kirchhoff, 1824 – 1887) ermöglichen
gemeinsam mit dem Ohm´schen Gesetz die Berechnung der auftretenden Spannungen
und Stromstärken.
Durch das Zusammenschalten mehrerer elektrischer Bauteile entstehen Netzwerke. Diese
Netzwerke bestehen aus Knoten (Verzweigungspunkte für Leitungen) und Maschen
(unverzweigter Stromkreis).
Knotenregel (1. Kirchhoff´sches Gesetz):
In jedem Knotenpunkt eines Stromkreises ist die Summe der zufließenden Ströme
gleich der Summe der abfließenden Ströme.
Da im Verzweigungspunkt (Knoten) einer Schaltung keine Elektronen verloren gehen
können, ist die Zahl der zufließenden Elektronen, gleich der Zahl der abfließenden
Elektronen.
Maschenregel (2.Kirchhoff´sche Gesetz):
In einer Masche ist die Summe der Spannungen, die die Spannungsquellen liefern,
gleich die Summe der Spannungsabfälle.
Die Gesamtspannung U entspricht der Summe der einzelnen Spannungsabfälle!
A1: Zeichne eine Schaltung von drei parallel Widerständen und leite mit dem Lehrer
eine Formel für den Gesamtwiderstand der Schaltung her!
11