PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

WS 02 / 03
PHYSIKALISCHES
SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I
Schülerversuche Elektronik
(Unterstufe)
1. Versuch: 17.10.2002
2. Versuch: 24.10.2002
Protokoll: 26.10.2002
verbessert am 10. 11. 2002
Adelheid Denk
9955832
412 / 406
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schülerversuche Elektronik)
Adelheid Denk 9955832 412 / 406
………..Seite 2
Inhaltsverzeichnis:
1…………….Aufgabenstellung
………..Seite 3
Was will ich erreichen?
2…………….Theoretische Grundlagen für den Lehrer
………..Seite 6
3…………….Wie erkläre ich den Stoff?
………..Seite 14
4…………….Tafelbild
………..Seite 15
5…………….Folien
………..Seite 15
6…………….Versuche
………..Seite 18
6.a…..Zeit
6.b…..Versuchsanordnungen
6.c…..Versuchsdurchführung
6.d…..Theoretischer Hintergrund
7……………..Experimentelle Schwierigkeiten
………..Seite 34
8……………..Medien
………..Seite 35
9…................Was diktiere ich ins Heft?
………..Seite 35
10 …………..Anmerkungen:
………..Seite 36
Kritiken und Verbesserungsvorschläge
11…………...Anhang:
………..Seite 37
Arbeitsblätter
Literaturverzeichnis
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………..Seite 35
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Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schülerversuche Elektronik)
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1. Aufgabenstellung
Die Aufgabe bestand darin, Schülerversuche mithilfe eines NTL- Elektronik
Baukastens durchzuführen.
Die NTL - Baukästen beinhalten außer den „Steckbrettern“ noch eine Vielzahl kleiner
Bauteile, mit denen man Versuche aus nahezu allen Themenkreisen der Elektronik
nachbauen kann. Zu den Baukästen gibt es vorgefertigte Versuchsunterlagen, die als
Grundlage für die Arbeitsanleitungen der Schüler benützt werden können.
Man kann zudem davon ausgehen, in jeder normal ausgestatteten Schule Baukästen
für ca. 10 Gruppen vorzufinden. Im folgenden Protokoll habe ich daher versucht, für
die durchgeführten Unterstufen - Versuche eine vollständige Arbeitsgrundlage für
den Lehrer zu erstellen.
Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns
ausgewählt, durchgeführt und ausgewertet:
1. Experimente mit Widerständen
Ohmsches Gesetz
Spezifischer Widerstand von Drähten
Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
2. Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
Kennlinien von Halbleiterdioden
Einweggleichrichtung
Die Zenerdiode
3. Experimente mit Transistoren
Besteht ein Transistor aus 2 Dioden
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Der Transistor als Verstärker
Basisstrom ermöglicht Kollektorstrom
Steuerkennlinie eines NPN -Transistors
Automatische Beleuchtung
Feuermelder
Dieses Protokoll behandelt fast alle Versuche mit Widerständen und Dioden, die
Experimente mit Transistoren, sowie den Versuch „Einweggleichrichtung“ finden Sie
im Protokoll der Oberstufe (Lindenbauer Edith). Der Versuch „Zenerdiode“ wird in
beiden Protokollen behandelt.
Im Lehrplan der Unterstufe ist die Elektronik hauptsächlich für die 3., aber auch für
den Beginn der 4. Klasse vorgesehen.

Was will ich erreichen? (Was sollen die Schüler lernen)
grobe Gliederung:
3.Klasse: elektrische Stromstärke, Einheit und Messung
elektrische Spannung, deren Einheit und Messung
Unterschied zwischen Gleich und Wechselstrom
Umgang mit Messgeräten
Definition des Widerstandes
elektronische Grundschaltungen
4. Klasse: Halbleiter
Dioden
Transistoren
Auszug aus dem Lehrplan der Unterstufe (AHS):
3. Klasse
Elektrische Phänomene sind allgegenwärtig:
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Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgängen im technischen Alltag und in
Naturvorgängen vertraut gemacht werden.

Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgänge qualitativ verstehen;

Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen; Gleichstrom und Wechselstrom, Stromstärke,
Spannung, Widerstand, das Ohmsche Gesetz;

Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklären können.
Elektrotechnik macht vieles möglich:
Ausgehend von Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geräte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaßnahmen erkannt werden.

Energieumformung, Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeräte verstehen;

Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation);

Einsicht in die ökologische Bedeutung von Energiesparmaßnahmen gewinnen
und ökologische Handlungskompetenz aufbauen.
4. Klasse
Elektrizität bestimmt unser Leben:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer
tiefer gehendes Verständnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen.
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
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Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen; Permanentmagnet und Elektromagnet; elektromagnetische
Induktion;

Grundlegendes Wissen über Herstellung, Transport und "Verbrauch"
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator);

Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen;

Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geräte aus dem
Interessensbereich der Schülerinnen und Schüler gewinnen (Elektromotor).
2. Theoretische Grundlagen für den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz:
In einem homogenen Leiter gilt bei stationärem Strom:
E=U/l
elektrische Feldstärke
F = e*U / l
elektrisches Feld
v = const.
I = e*n*A*v
Stromstärke
(In 1 s strömen die in einem Leiterstück der Länge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A. Jedes trägt die Ladung
e. Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstärke = I = e*n*a*v )
Die elektrische Stromstärke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional:
I = G*U
G=
I
U
Ohmsches Gesetz
elektrischer Leitwert
[G] = 1 A / V
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Der elektrische Leitwert gibt an, welche Stromstärke je 1 V angelegter Spannung
auftritt. Die Stromstärke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional:
I = σ*A*E =
G=
*A
* U = G*U
l
*A
l
σ heißt elektrische Leitfähigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benützt man häufig Widerstände:

1

spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm / A
R=
1 U  *l
 
G I
A
elektrischer Widerstand
[R] = 1 V / A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω, wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V * 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt.
U=I*R
R = const.
Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und führt zur
Erwärmung des Widerstandes. Dabei verändert sich wiederum sein Wert R. Will man
also kleine Widerstände korrekt messen, darf man die Messspannung nicht zu groß
wählen.
P=U*I= U*
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U U2

R
R
Leistung
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Die Kirchhoffschen Gesetze:
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhänge zwischen Strömen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken).
1. Gesetz: Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinfließenden Ströme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegfließenden Ströme; oder,
wenn man die hinfließenden Ströme als positiv, die wegfließenden als negativ zählt:
Die Summe aller Ströme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null.
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet, dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Ströme – und damit gleichbedeutend Ladungen – entstehen oder
verschwinden können.
2. Gesetz: Längs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ, μ plus der Summe der Spannungsabfälle Iv*Rv
an den Widerständen gleich Null.
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder, allgemeiner ausgedrückt: längs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null.
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig, Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten, wenn man richtige Resultate erhalten will.
1.) Der Spannung wird eine Richtung, d.h., ein „Zählpfeil“, zugeordnet; er weist vom
positiven zum negativen Pol, hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes.
2.) Der Stromstärke wird auch ein Zählpfeil zugeordnet, der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungsträger kennzeichnet („konventionelle“ Stromrichtung).
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerständen:
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstände R von Widerstandskombinationen berechnen und findet:
1.) Hintereinandergeschaltete Widerstände („Serienschaltung“) addieren sich:
R = R1 + R2
2.) Bei parallel geschalteten Widerständen („Parallelschaltung“) addieren sich die
Leitwerte:
G = G1 + G2
bzw.
1
1
1


R R1 R 2
R ist in diesem Fall immer kleiner als z.B. R1.
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern:
Zur Messung der Stromstärke muss man einen Strommesser („Amperemeter“) seriell
in den Stromkreis schalten. Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhöht. Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Änderung des Kreiswiderstandes klein bleibt, müssen
Strommesser also einen möglichst kleinen Innenwiderstand besitzen.
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser („Voltmeter“) kann man (z.B.) die
Spannung an einem Widerstand messen. Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand, der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl. Serien- und Parallelschaltung von
Widerständen), und Spannungen und Stromstärken im Stromkreis sind verändert.
Damit diese Änderungen wiederum klein bleiben, müssen Spannungsmesser einen
möglichst hohen Innenwiderstand haben.
Innerer Widerstand von Messinstrumenten:
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf:
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V
A
Man liest die Spannung UV ab, die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt, und
den Strom IV, der durch Volt- und Amperemeter fließt. Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich aus RV 
UV
.
IV
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf:
A
V
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA, der durch den Strommesser fließt, weil R A 
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UA
.
IA
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer):
Schließt man einen homogenen Leiter der Länge l mit überall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an, so fließt durch ihn ein
Strom I mit über die gesamte Länge l konstanter Stromdichte j = I / A. Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlänge l und einer beliebigen
Teillänge x gehörenden Spannungen und Widerstände:
Daraus folgt:
Ux = Rx*I
Rx =  *
U x Rx

U
R
Rx x

R
l
x
A
Ux x

U
l
Oder, wenn man die beiden Teillängen x und l -x betrachtet,
Ux
R
 x
U l  x Rl  x
Rx
x

Rl  x l  x
Ux
x

.
U lx l  x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen. Die Gleichungen gelten nur solange streng, wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom fließt. Wird S
geschlossen, so ist Ux nicht mehr proportional zu x; Ux ist dann im ganzen Bereich
0 < x < l erniedrigt, und zwar umso mehr, je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist. An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0, x = l) dagegen bleibt die Spannung unverändert.
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Spannungsquellen:
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhängig von
der Belastungsstromstärke I einen konstanten Wert UQ („Quellenspannung“)
beibehält.
Reale Spannungsquellen (z.B. Batterien) zeigen demgegenüber ein mehr oder
weniger starkes – im Allgemeinen lineares – Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstärke. Ein solches Verhalten lässt sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild, in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhängigen
Widerstand Ri („Innenwiderstand“) ersetzt ist.
Halbleiter:
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkörper, der Strom besser als ein
Isolator (z.B. Hartgummi), aber schlechter als ein metallischer Leiter (z.B. Kupfer)
leitet. Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters.
Die im Kristallgitter regelmäßig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplätzen, sie schwingen um ihre mittleren Positionen. Diese Schwingungen
sind umso stärker, je höher die Temperatur ist. Die Leitfähigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungsträger, Elektronen und
Elektronenlöcher, und steigt mit der Temperatur. Die Elektronenlöcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen.
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenlöcher. Die Zahl der frei beweglichen Ladungsträger und damit die
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Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
beträchtlich gesteigert werden. Man spricht dann von dotierten Halbleitern.
Durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen („Donatoren“) erhält man
Elektronenüberschussleiter (n –Leiter), durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(„Akzeptoren“) hingegen erhält man Elektronenmangelleiter (p – Leiter).
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfähigkeit.
Wir betrachten nun den interessanten Fall, wenn eine n – leitende an eine p –
leitende Kristallzone grenzt: Solange sich die beiden Stücke nicht berühren, sind sie
elektrisch neutral. Bringt man sie hingegen in Kontakt, bildet sich am np – Übergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungsträgern eine hochohmige
Sperrschicht.
Der pn – Übergang mit äußerer Spannung (Sperrrichtung):
Man legt am pn – Übergang eine Spannung so an, dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n – Leiter liegt. Die freien Elektronen des n – Leiters werden zum
Pluspol strömen, die Löcher des p –Leiters zum Minuspol: Die Sperrschicht
verbreitert sich, es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Übergang
erfolgen. Die Diode sperrt.
Der pn – Übergang mit äußerer Spannung (Durchlassrichtung):
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n – Leiter, den Pluspol an
den p – Leiter, so werden die freien Elektronen, bzw. Löcher in die Sperrschicht
gedrängt. Diese verkleinert sich. Überschreitet schließlich die äußere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert, kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht, die Sperrschicht wird abgebaut, und Strom kann fließen,
indem an der Grenzfläche die einströmenden Elektronen und Löcher rekombinieren.
Ein pn – Übergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p – zum n – Leiter.
Transistor:
Der Flächentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung. Beim npn
– Transistor befindet sich zwischen zwei n – leitenden Bereichen eine sehr dünne p –
Leiter Schicht. Die Mittelschicht wird Basis genannt, die anderen Schichten heißen
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Emitter und Kollektor. Jede Schicht trägt einen Kontakt. (Beim pnp – Transistor liegt
eine n – leitende Schicht zwischen zwei p – leitenden.)
Durch Anlegen der Basisspannung fließt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen, in der der Basis ein Löcherstrom in Richtung Emitter, dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl. Halbleiterdiode). Da die Basis sehr dünn ist, diffundiert
ein Großteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode. Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n – leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und fließen zur
positiven Elektrode. Der dadurch vom Emitter zum Kollektor fließende Strom von
Elektronen („Kollektorstrom“), ist bis zu tausendmal größer als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis („Basisstrom“). Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null.
3. Wie erkläre ich den Stoff?
Da man davon ausgehen kann, in einer normal ausgestatteten Schule ca. 10 (mehr
oder weniger funktionstüchtige) Baukasten - Sets zur Verfügung zu haben, ist diese
Thematik geradezu prädestiniert, die Schüler selbst experimentieren zu lassen.
Nach einer Einführungsphase (vgl. Tafelbild & Folien), in der die Schüler die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizität erwerben sollen, können sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca. 30 Schüler / 10 Baukästen) selbstständig neue
Erkenntnisse gewinnen.
Dazu wäre es sinnvoll, Doppelstunden abzuhalten (ev. mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen). Die Schüler sollten zuerst mithilfe von Folien etc. die
nötigen Einstiegsinformationen erhalten, um anschließend in Gruppen selbstständig
„weiterzuforschen“. Im Anschluss daran fände ich es sehr wichtig, die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw. im Heft zu vermerken (vgl. Arbeitsblätter).
Da wir uns in der 3. Klasse (bzw. am Beginn der 4.) Unterstufe befinden, sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich. Die Schüler sollten aber schon wissen,
was Strom eigentlich ist, und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Volt– bzw. Amperemeters funktioniert. Außerdem sollten sie wissen, wie man die
Anzeigen der Multimeter etc. richtig abliest. Sinnvoll wäre auch, wenn die Schüler
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schon grundlegendes Wissen über lineare Zusammenhänge hätten (Ohmsches
Gesetz).
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig, durch die Klasse zu gehen und den Schülern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw. bei, durch offensichtliche Wissenslücken
verursachten, Misserfolgen weiterzuhelfen. Die Schüler verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren.
4. Tafelbild & 5. Folien
Zur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
http://www.zum.de/dwu/uma.htm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden.
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt, das man den Schülern kopiert (zum Ausfüllen), und
eine Lösungsfolie, mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schülern
am Overheadprojektor erarbeitet. (vgl. Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollständige Vorlage, einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden.
Anhang 1: Hier wird erklärt, was elektrischer Strom eigentlich ist. (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einführung des Begriffs „Elektron“.)
Anhang 2: gibt einige bekannte „Wirkungen“ des elektrischen Stroms wieder. Die
Beispiele dafür sollen von den Schülern kommen.
Anhang 3 & 4: Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schülern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes, indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt. (Anhang 2 wird für die Schüler kopiert, Anhang 3 ist für den
Overheadprojektor gedacht.) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut, um in die Thematik einzusteigen.
Anhang 5 & 6: führen den Begriff „elektrische Stromstärke“ ein.
Anhang 7 & 8: führen den Begriff „elektrische Spannung“ ein.
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Anhang 9 & 10: Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen, wobei ich nur
jene aufgelistet habe, die die Schüler im Anschluss für die Versuche brauchen
werden.
Tafelbild:
A
V
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 & 12: Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenüberschuss.
Anhang 13 & 14: In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet.
Anhang 15 & 16: Anschließend werden die Gesetze für die Berechnung von in Serie
bzw. parallel geschalteten Widerständen aufgelistet. Ich finde diese Folien wiederum
auch für die Mitschrift der Schüler sehr geeignet.
Tafelbild: An dieser Stelle sollte man den Schülern auch erklären, wie man die Voltund Amperemeter in den Stromkreis schaltet. Außerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden, um die Erklärungen zu veranschaulichen.
(Die blau eingefärbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schülern erarbeitet
werden.)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerständen:
Zwei Beispiele:
Serienschaltung:
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
also
R=?
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung: R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
also
R=?
1
1
1 1 1
3


 

R R1 R
5 10 10
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern:
Zur Messung der Stromstärke muss man einen Strommesser („Amperemeter“) seriell
in den Stromkreis schalten. Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhöht.
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser („Voltmeter“) kann man (z.B.) die
Spannung an einem Widerstand messen. Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum „normalen“ Widerstand, der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt, und Spannungen und
Stromstärken im Stromkreis sind verändert.
Anhang 17: bietet die entsprechende Veranschaulichung für den Overheadprojektor.
Anhang 18 & 19: Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schülern helfen, den
undotierten Halbleiter zu verstehen. Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerständen auf die Halbleiter übergehen, sondern den Übergang durch Beispiele
etwas „sanfter“ gestalten.
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Anhang 20: Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen. (Erklärungen vgl. Theoretischer Hintergrund für den Lehrer; gilt für
alle Folien)
Anhang 21: veranschaulicht nun, wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode.
Anhang 22 & 23: Falls noch Zeit bleibt, kann man den Schülern auch noch erklären,
woraus ein Transistor besteht. (vgl. Oberstufen Protokoll; Lindenbauer Edith;
passend dazu: Versuch: „Besteht ein Transistor aus 2 Dioden?“)
6. Versuche

Zeit
Hier ein kurzer Überblick über die durchgeführten Experimente und deren ungefähre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche. Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schätzungen der Mindestdauer (ohne gröbere Schwierigkeiten). Außerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein, d.h. für Unterstufen Schüler sind diese Zeitangaben unrealistisch. Generell ist zu sagen, dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte, um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeräte oder Bauklötze, Steckfehler, …)
1. Experimente mit Widerständen
Ohmsches Gesetz
10 Min.
Spezifischer Widerstand von Drähten
10 Min.
Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen
5 Min.
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
8 Min.
2. Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
Kennlinien von Halbleiterdioden
Die Zenerdiode
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5 Min.
10 Min.
7 Min.
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Generell ist zu sagen, dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann. Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau, außerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt, dass die Messgeräte, die wir verwendeten, äußerst
ungenau waren. Zudem kommt noch, dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstände verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand). Da falsche Widerstände die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen würden, werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben. Für die Transformatorversuche (d.h. im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse.

Versuchsanordnungen
(1)

Versuchsdurchführungen
(2)

Theoretischer Hintergrund
(3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
2 Batterie 1,2 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 0,1 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschlüsse gesteckt. Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt. Als Spannungsquelle dient zunächst eine 1,2 V
Batterie. Dort, wo später die zweite 1,2 V Batterie eingesteckt wird, wird zunächst
eine Leitung gerade eingesetzt. Das Voltmeter (Messbereich 3 V, Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung, das Amperemeter (Messbereich 300 mA, Gleichstrom)
misst die Stromstärke.
(2)
Versuch:
Wir schließen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstärke. Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstärke. Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes. Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
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Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein. Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groß sein. Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstärke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben, weil das verwendete
Messgerät sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfällig sind.)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen. Die Stromstärke durch den
Verbraucher ist je nachdem größer oder kleiner. Der Quotient aus Spannung und
Stromstärke hingegen ist immer gleich groß. Die Stromstärke ist proportional zur
angelegten Spannung. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:
Ohmsches Gesetz: R 
U
I
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R * I angegeben.
Spezifischer Widerstand von Drähten
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 0,2 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 0,2 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Das Voltmeter (Messbereich 10 V,
Gleichstrom) misst zunächst an den Anschlüssen C und D die angelegte Spannung.
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift. Ein Stück
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt. Ein gleich langes Stück
Widerstandsdraht wird vorbereitet. Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet. Wir legen 5 V Gleichspannung an, das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung.
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(2)
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter kurzzeitig, stellen die angelegte Spannung so ein, dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt, und messen die Stromstärke. Der Schalter
sollte bald wieder geöffnet werden, da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet.
Aus den Messwerten für Spannung und Stromstärke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstückes.
Wir bestimmen die Länge l des eingespannten Drahtstückes genau und berechnen
die Querschnittsfläche A.
Der Durchmesser des Drahtes beträgt ……. mm.
Die Querschnittsfläche beträgt daher r2π mm2 = …….. mm2 = ………… m2
Den spezifischen Widerstand ρ für 1 m Länge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel:

R* A
m
l
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
2. Versuch:
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1. Versuches. Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand. Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
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Widerstandswert R =
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Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben, weil wir mit anderen
Drähten gearbeitet haben.)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Drähten aus unterschiedlichem
Material bestimmen. Dieser kann berechnet werden, indem man für ein Drahtstück
mit bekannter Länge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt. Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes beträgt etwa 2.10-8, der des
Widerstandsdrahtes ca. 1.10-6. Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht.
(vgl. Abbildung 1, Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Widerstand 500 ú
1 Widerstand 1 kú
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstände 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω. Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom). Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA, Gleichstrom) wird zunächst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet, in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet.
(2)
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter und messen die Stromstärke I1.
I1 = …….. mA = …….. A
2. Versuch:
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung („A“) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung. Wir schließen wieder den
Schalter und messen die Stromstärke I2 durch den Widerstand 1 kΩ.
I2 = …….. mA = …….. A
3. Versuch:
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung (“B“). Nach Schließen des Schalters messen wir nun die Stromstärke I.
I = …….. mA = …….. A
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Wir bilden die Summe der Stromstärken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstärke im unverzweigten Teil der
Schaltung.
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
(Widerrum kann ich keine Werte angeben, weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten.)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstärke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerständen berechnen.
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstärke größer.
Die Summe der Stromstärken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groß wie
die Stromstärke im unverzweigten Teil der Schaltung.
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstände.
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden:
1
1
1


R R1 R 2
oder umgeformt
R
R1 * R 2
R1  R2
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung. Ein Potentiometer hat 3 Anschlüsse, zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen. Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist, liegt am Glühlämpchen die kleinste
Spannung. Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist, wird die
maximale Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen.
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an. Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
(2)
Versuch:
Wir schließen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn. Das Glühlämpchen beginnt zu leuchten. Dann drehen wir wieder
zurück nach links, wobei das Glühlämpchen erlischt.
Hinweis: Wenn wir statt des Glühlämpchens ein Voltmeter angeschlossen hätten,
könnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen.
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Mithilfe eines Potentiometers lässt sich die Spannung an einem Glühlämpchen
(allgemein: an einem Verbraucher) regeln.
(vgl. Abbildung 2 & 3, Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si – Diode
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Diode wird mit einem Glühlämpchen
10 V / 0,05 A in Reihe geschaltet. Das Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode.
(2)
1. Versuch:
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt 10 V.
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung.
Die gesamte Spannung liegt an der Diode, am Glühlämpchen entsteht also kein
Spannungsabfall, weil kein Strom fließt (wenn I = 0 ist, dann ist auch U = R * I = 0)
2. Versuch:
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt 0,8 V.
Die Diode nimmt eine „Durchlassspannung“ auf, ist also nicht ideal durchgängig.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Wir untersuchen, ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also völlig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgängig ist. Die
Ergebnisse zeigten, dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte-, in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 0,7 Volt) liegt.
(vgl. Abbildung 4 & 5, Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si – Diode
1 Ge – Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung: Wir bauen die Schaltung gemäß der Abbildung auf. Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht. Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt. Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz für die Diode. Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V, Gleichstrom). Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet.
(2)
1. Versuch:
Wir legen Gleichspannung an und erhöhen sie langsam. Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angeführten Werte annehmen. Die jeweilige Stromstärke wird in die Tabelle
eingetragen.
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Spannung (in V)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
Wir tragen die Messwerte anschließend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte.
2. Versuch:
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω. Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt. Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt, dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt. Die
gemessene Stromstärke wird in die Tabelle eingetragen.
Spannung (in V)
0,1
0,2
0,4
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
…..
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden.
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben, weil wir keinen
500 ú Widerstand hatten.)
3. Versuch:
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an. Das Voltmeter zeigt nun eine viel höhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an. Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen, so muss für die Sperrrichtung ein anderer Maßstab
gewählt werden.
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
Wir wollen für eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstärke untersuchen. Die Stromstärke
hängt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab. Wenn man die
Stromstärke in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet, erhält man die Kennlinie der Diode.
Bei einer Halbleiterdiode fließt in Sperrrichtung ein geringer Strom, der sogenannte
Sperrstrom.
(vgl. Abbildung 6, Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z – Diode 4,7 V
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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N
Schaltung: Aufbau gemäß der Abbildung. Glühlämpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet. Das Voltmeter misst die „Sperrspannung“ an
der Zenerdiode.
(2)
Versuch:
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhöht. Dabei werden
Voltmeter und Glühlämpchen beobachtet.
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis:
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden. In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten.
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 4,7 Volt, dann bleibt sie trotz
Erhöhung der angelegten Spannung nahezu konstant, wobei das Glühlämpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung!).
Erkenntnis:
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden, bricht bei einer bestimmen
Spannung (der „Durchbruchspannung“ der Diode) ein Strom durch. Bei Erhöhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant.
7. Experimentelle Schwierigkeiten

Generell ist zu sagen, dass man alle Versuche, die man mit den Schülern
durchführen möchte, vorher ausprobieren sollte. Außerdem bedürfen die NTL
Baukästen einer regelmäßigen Wartung. (Bei uns war z. B. die Zenerdiode
von Beginn an defekt, was uns einige Zeit kostete. Als wir dann das Problem
erkannt hatten, mussten wir erst eine neue in den Baustein einlöten.)

Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen. Wir haben erkannt, dass es
unkomplizierter ist, von Beginn an ein Netzgerät zu verwenden.

Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert, muss man erst herausfinden,
was defekt sein könnte (Kabel, Bauteile, Messgeräte,…).

Die Stecker zum Einklemmen der Drähte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht „3 Hände“).

Wir verwendeten zu Beginn Messgeräte, die uns sehr ungenaue Werte
lieferten, was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis führte, obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war. Man sollte also auch die Messgeräte vorher
überprüfen.

Außerdem sind an manchen Messgeräten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen.

Man muss vor allem flexibel sein. Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfügung hat, nimmt man eben einen anderen. Bei den
Schülerversuchen geht das allerdings nicht so einfach. Man sollte sich vorher
überlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet. Außerdem ändern sich dabei ja die Messwerte bzw. muss
man aufpassen, dass der Schutzwiderstand nicht zu klein für eine Diode etc.
wird.

Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle).

Die Schaltplatten nützen sich mit der Zeit ab. Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte). Man sollte die
Schüler also motivieren, die Schaltung mit möglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden, überflüssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen.

Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeräten variieren. Man sollte
die Schüler auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgerät aufmerksam machen. „Lieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgerät zu ruinieren.“

Vorher überlegen sollte man sich auch, was man sonst noch benötigt. Für den
Versuch mit der „automatischen Beleuchtung“ z.B. mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder ähnliches) besorgen.

Nach der Eingewöhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser. Man kennt seine gängigen Fehlerquellen.
8. Medien
Außer dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benötigt. Die Versuche sollen ja selbstständig von den Schülern
durchgeführt und ausgewertet werden. Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen.
9. Was diktiere ich ins Heft?
Die Arbeitsblätter veranlassen die Schüler einerseits dazu, mitzuarbeiten, und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift. Selbiges gilt für die Folien.
Die Schüler haben alleine durch die Folien und Arbeitsblätter eine „Basis“ für die
Mitschrift. Natürlich sollten noch einige Dinge ergänzt werden (die Folien sind ja nicht
vollständig ausgearbeitet, es fehlt z.B. der Innenwiderstand eines Gerätes), wie z.B.
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natürlich die Messergebnisse, die Mitschrift an der Tafel, die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schüler. Man sollte die
Mitschrift der Schüler vielleicht im Nachhinein kontrollieren, um zu erfahren, was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben.
10. Anmerkungen

Kritiken und Verbesserungsvorschläge
(vgl. Experimentelle Schwierigkeiten)
11. Anhang
Anhang 1 (S. 1 – S. 23): FOLIEN
Anhang 2 (S. 24 – S. 27): VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S. 28 - S. ):
ARBEITSBLÄTTER für die Schüler
Anmerkung: Die Arbeitsblätter für die Schüler sind jeweils als Kopiervorlage für die
Schüler bzw. als Lösungsvorschlag für den Lehrer gedacht. Allerdings konnte ich
nicht alles vollständig ausfüllen, weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstände bzw. Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben („improvisiert“). Ich habe mich aber bemüht, trotzdem möglichst
viele Lösungsansätze zu geben. Die Arbeitsblätter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl. Versuche)
übernommen worden.
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Literaturverzeichnis:
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge):
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schülerversuche Elektronik
Walcher, Wilhelm: Praktikum der Physik
Teubner, 1994
ISBN: 3-519-13038-6
Sexl u. a., Physik 3, Neubearbeitung
Ueberreuter, 1991 (1. Auflage)
ISBN:3-209-01191-5
Dr.Josef Schreiner: Angewandte Physik 1
Hölder-Pichler-Tempsky, 1983
Gollenz – Breyer – Eder – Tentschert: Lehrbuch der Physik 3. Klasse
öbv & hpt Wien
Bader – Walz: Blickpunkt Physik 4 (für AHS)
E. Dorner GmbH, Wien 1998
ISBN: 3-7055-0193-3
Hohl – Unterberger: Von der Physik 3
E. Dorner GmbH, Wien 1997
ISBN: 3-7055-0126-7
http://www.zum.de/dwu/pep002vs.htm
http://www.zum.de/dwu/umapet.htm
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Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Gleichstromquelle (z.B. Batterie, Akku,…)
Leitung
Glühlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 10
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Abbildung 1: Spezifischer Widerstand von Drähten
Anhang 24
Abbildung 2 & 3: Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 25
Abbildung 4 & 5: Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 26
Abbildung 6: Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 27
Ohmsches Gesetz
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
2 Batterie (Akku) 1,2 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 0,1 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschlüsse gesteckt. Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt. Als Spannungsquelle dient zunächst eine 1,2 V
Batterie. Dort, wo später die zweite 1,2 V Batterie eingesteckt wird, wird zunächst
eine Leitung gerade eingesetzt. Das Voltmeter (Messbereich 3 V, Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung, das Amperemeter (Messbereich 300 mA, Gleichstrom)
misst die Stromstärke.
Versuch:
Anhang 28
Wir schließen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstärke. Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstärke. Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes. Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Widerstandswert R =
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein. Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groß sein. Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstärke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Widerstandswert R =
Was sollst Du Dir merken?
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen …………… entgegen. Die Stromstärke durch den
Verbraucher ist je nachdem größer oder kleiner. Der Quotient aus Spannung und
Stromstärke hingegen ist immer ……………. Die Stromstärke ist proportional zur
angelegten ……………. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:
Ohmsches Gesetz: R 
.......
.......
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = …….. angegeben.
Anhang 29
Ohmsches Gesetz
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
2 Batterie (Akku) 1,2 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 0,1 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschlüsse gesteckt. Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt. Als Spannungsquelle dient zunächst eine 1,2 V
Batterie. Dort, wo später die zweite 1,2 V Batterie eingesteckt wird, wird zunächst
eine Leitung gerade eingesetzt. Das Voltmeter (Messbereich 3 V, Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung, das Amperemeter (Messbereich 300 mA, Gleichstrom)
misst die Stromstärke.
Versuch:
Anhang 30
Wir schließen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstärke. Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstärke. Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes. Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein. Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groß sein. Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstärke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Was sollst Du Dir merken?
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen. Die Stromstärke durch den
Verbraucher ist je nachdem größer oder kleiner. Der Quotient aus Spannung und
Stromstärke hingegen ist immer gleich groß. Die Stromstärke ist proportional zur
angelegten Spannung. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:
Ohmsches Gesetz: R 
U
I
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R * I angegeben.
Anhang 31
Spezifischer Widerstand von Drähten
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 0,2 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 0,2 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Das Voltmeter (Messbereich 10 V,
Gleichstrom) misst zunächst an den Anschlüssen C und D die angelegte Spannung.
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift. Ein Stück
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt. Ein gleich langes Stück
Widerstandsdraht wird vorbereitet. Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet. Wir legen 5 V Gleichspannung an, das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung.
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter kurzzeitig, stellen die angelegte Spannung so ein, dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt, und messen die Stromstärke. Der Schalter
sollte bald wieder geöffnet werden, da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet.
Anhang 32
Aus den Messwerten für Spannung und Stromstärke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstückes.
Wir bestimmen die Länge l des eingespannten Drahtstückes genau und berechnen
die Querschnittsfläche A.
Der Durchmesser des Drahtes beträgt ……. mm.
Die Querschnittsfläche beträgt daher r2π mm2 = …….. mm2 = ………… m2
Den spezifischen Widerstand ρ für 1 m Länge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel:

R* A
m
l
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
2. Versuch:
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1. Versuches. Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand. Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
Was sollst Du Dir merken?
Anhang 33
Wir wollen den …………………………. von 2 Drähten aus unterschiedlichem Material
bestimmen. Dieser kann berechnet werden, indem man für ein Drahtstück mit
bekannter ………. und bekanntem ……………….. den …………………bestimmt. Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes beträgt etwa 2.10-8, der des
Widerstandsdrahtes ca. 1.10-6. Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht.
Anhang 34
Spezifischer Widerstand von Drähten
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 0,2 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 0,2 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Das Voltmeter (Messbereich 10 V,
Gleichstrom) misst zunächst an den Anschlüssen C und D die angelegte Spannung.
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift. Ein Stück
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt. Ein gleich langes Stück
Widerstandsdraht wird vorbereitet. Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet. Wir legen 5 V Gleichspannung an, das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung.
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter kurzzeitig, stellen die angelegte Spannung so ein, dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt, und messen die Stromstärke. Der Schalter
sollte bald wieder geöffnet werden, da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet.
Anhang 35
Aus den Messwerten für Spannung und Stromstärke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstückes.
Wir bestimmen die Länge l des eingespannten Drahtstückes genau und berechnen
die Querschnittsfläche A.
Der Durchmesser des Drahtes beträgt ……. mm.
Die Querschnittsfläche beträgt daher r2π mm2 = …….. mm2 = ………… m2
Den spezifischen Widerstand ρ für 1 m Länge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel:

R* A
m
l
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
2. Versuch:
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1. Versuches. Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand. Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Spezifischer Widerstand ρ = …………
Was sollst Du Dir merken?
Anhang 36
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Drähten aus unterschiedlichem
Material bestimmen. Dieser kann berechnet werden, indem man für ein Drahtstück
mit bekannter Länge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt. Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes beträgt etwa 2.10-8, der des
Widerstandsdrahtes ca. 1.10-6. Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht.
Anhang 37
Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Widerstand 500 ú
1 Widerstand 1 kú
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstände 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω. Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom). Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA, Gleichstrom) wird zunächst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet, in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet.
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter und messen die Stromstärke I1.
I1 = …….. mA = …….. A
2. Versuch:
Anhang 38
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung („A“) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung. Wir schließen wieder den
Schalter und messen die Stromstärke I2 durch den Widerstand 1 kΩ.
I2 = …….. mA = …….. A
3. Versuch:
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung (“B“). Nach Schließen des Schalters messen wir nun die Stromstärke I.
I = …….. mA = …….. A
Wir bilden die Summe der Stromstärken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstärke im unverzweigten Teil der
Schaltung.
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Was sollst Du Dir merken?
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstärke den …………………….
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerständen berechnen.
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstärke
……….. Die Summe der Stromstärken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
………… wie die Stromstärke im unverzweigten Teil der Schaltung.
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung ………… als die beiden
Teilwiderstände.
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden:
1
1
1


R R1 R 2
oder umgeformt
R
............
............
.
Anhang 39
Parallelschaltung von Ohmschen Widerständen
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Widerstand 500 ú
1 Widerstand 1 kú
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstände 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω. Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom). Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA, Gleichstrom) wird zunächst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet, in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet.
1. Versuch:
Wir schließen den Schalter und messen die Stromstärke I1.
I1 = …….. mA = …….. A
2. Versuch:
Anhang 40
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung („A“) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung. Wir schließen wieder den
Schalter und messen die Stromstärke I2 durch den Widerstand 1 kΩ.
I2 = …….. mA = …….. A
3. Versuch:
Wir vertauschen die „unterbrochene“ mit der schraffiert gezeichneten, geraden
Leitung (“B“). Nach Schließen des Schalters messen wir nun die Stromstärke I.
I = …….. mA = …….. A
Wir bilden die Summe der Stromstärken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstärke im unverzweigten Teil der
Schaltung.
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes.
Spannung U = ……V
Stromstärke I = …...mA = …….A
Widerstandswert R =
Spannung
U .......V
 
 .........
Stromstärke I .......A
Was sollst Du Dir merken?
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstärke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerständen berechnen.
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstärke größer.
Die Summe der Stromstärken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groß wie
die Stromstärke im unverzweigten Teil der Schaltung.
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstände.
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden:
1
1
1


R R1 R 2
oder umgeformt
R
R1 * R 2
R1  R2
.
Anhang 41
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 ú
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung. Ein Potentiometer hat 3 Anschlüsse, zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen. Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist, liegt am Glühlämpchen die kleinste
Spannung. Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist, wird die
maximale Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen.
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an. Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
Versuch:
Wir schließen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn. Das Glühlämpchen beginnt zu leuchten. Dann drehen wir wieder
zurück nach links, wobei das Glühlämpchen erlischt.
Anhang 42
Hinweis: Wenn wir statt des Glühlämpchens ein Voltmeter angeschlossen hätten,
könnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken?
Mithilfe eines …………………. lässt sich die Spannung an einem Glühlämpchen
(allgemein: an einem Verbraucher) regeln.
Anhang 43
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Schalter EIN – AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 ú
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung. Ein Potentiometer hat 3 Anschlüsse, zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen. Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist, liegt am Glühlämpchen die kleinste
Spannung. Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist, wird die
maximale Spannung für das Glühlämpchen abgegriffen.
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an. Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht.
Versuch:
Wir schließen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn. Das Glühlämpchen beginnt zu leuchten. Dann drehen wir wieder
zurück nach links, wobei das Glühlämpchen erlischt.
Anhang 44
Hinweis: Wenn wir statt des Glühlämpchens ein Voltmeter angeschlossen hätten,
könnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken?
Mithilfe eines Potentiometers lässt sich die Spannung an einem Glühlämpchen
(allgemein: an einem Verbraucher) regeln.
Anhang 45
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si – Diode
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Diode wird mit einem Glühlämpchen 10 V
/ 0,05 A in Reihe geschaltet. Das Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode.
1. Versuch:
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt ………..V.
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung.
Die gesamte Spannung liegt an der Diode, am Glühlämpchen entsteht also kein
Spannungsabfall, weil kein Strom fließt (wenn I = 0 ist, dann ist auch U = R * I = 0)
2. Versuch:
Anhang 46
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt ………V.
Die Diode nimmt eine „Durchlassspannung“ auf, ist also nicht ideal durchgängig.
Was sollst Du Dir merken?
Wir untersuchen, ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also ……..) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ……………………..) durchgängig ist. Die Ergebnisse
zeigten, in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte-, in der
Durchlassrichtung die …………………………. (bei Silizium 0,7 Volt).
Anhang 47
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si – Diode
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Die Diode wird mit einem Glühlämpchen 10 V
/ 0,05 A in Reihe geschaltet. Das Voltmeter (Messbereich 10 V, Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode.
1. Versuch:
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt ………..V.
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung.
Die gesamte Spannung liegt an der Diode, am Glühlämpchen entsteht also kein
Spannungsabfall, weil kein Strom fließt (wenn I = 0 ist, dann ist auch U = R * I = 0)
2. Versuch:
Anhang 48
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt. Das Voltmeter zeigt 0 V.
Die Diode nimmt eine „Durchlassspannung“ auf, ist also nicht ideal durchgängig.
Was sollst Du Dir merken?
Wir untersuchen, ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also völlig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgängig ist. Die
Ergebnisse zeigten, in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte-, in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 0,7 Volt).
Anhang 49
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si – Diode
1 Ge – Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Wir bauen die Schaltung gemäß der Abbildung auf. Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht. Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt. Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz für die Diode. Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V, Gleichstrom). Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet.
1. Versuch:
Wir legen Gleichspannung an und erhöhen sie langsam. Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 50
angeführten Werte annehmen. Die jeweilige Stromstärke wird in die Tabelle
eingetragen.
Spannung (in V)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
Wir tragen die Messwerte anschließend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte.
2. Versuch:
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω. Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt. Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt, dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt. Die
gemessene Stromstärke wird in die Tabelle eingetragen.
Spannung (in V)
0,1
0,2
0,4
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
…..
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden.
3. Versuch:
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an. Das Voltmeter zeigt nun eine viel höhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an. Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen, so muss für die Sperrrichtung ein anderer Maßstab
gewählt werden.
Was sollst Du Dir merken?
Wir wollen für eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter ……………….. und …………………. untersuchen. Die
Stromstärke hängt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab.
Anhang 51
Wenn man die Stromstärke in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet, erhält man die ……………….der Diode.
Bei einer Halbleiterdiode fließt in Sperrrichtung ein geringer Strom, der sogenannte
…………………
Anhang 52
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si – Diode
1 Ge – Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Wir bauen die Schaltung gemäß der Abbildung auf. Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht. Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt. Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz für die Diode. Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V, Gleichstrom). Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet.
1. Versuch:
Wir legen Gleichspannung an und erhöhen sie langsam. Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 53
angeführten Werte annehmen. Die jeweilige Stromstärke wird in die Tabelle
eingetragen.
Spannung (in V)
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
Wir tragen die Messwerte anschließend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte.
2. Versuch:
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω. Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt. Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt, dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt. Die
gemessene Stromstärke wird in die Tabelle eingetragen.
Spannung (in V)
0,1
0,2
0,4
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Stromstärke (in mA)
….
….
…..
…..
…..
…...
…...
…..
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden.
3. Versuch:
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an. Das Voltmeter zeigt nun eine viel höhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an. Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen, so muss für die Sperrrichtung ein anderer Maßstab
gewählt werden.
Was sollst Du Dir merken?
Wir wollen für eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstärke untersuchen. Die Stromstärke
hängt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab. Wenn man die
Anhang 54
Stromstärke in Abhängigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet, erhält man die Kennlinie der Diode.
Bei einer Halbleiterdiode fließt in Sperrrichtung ein geringer Strom, der sogenannte
Sperrstrom.
Anhang 55
Die Zenerdiode
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z – Diode 4,7 V
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Glühlämpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet. Das Voltmeter misst die „Sperrspannung“ an
der Zenerdiode.
Versuch:
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhöht. Dabei werden
Voltmeter und Glühlämpchen beobachtet.
Was sollst Du Dir merken?
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden. In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten.
Anhang 56
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa ……. Volt, dann bleibt sie trotz
Erhöhung der angelegten Spannung nahezu ………….., wobei das Glühlämpchen
…………………. (trotz Sperrrichtung!).
Erkenntnis:
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden, bricht bei einer bestimmen
Spannung (der „……………………………“ der Diode) ein Strom durch. Bei Erhöhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
………………..
Anhang 57
Die Zenerdiode
Du brauchst:
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z – Diode 4,7 V
1 Glühlampe E 10 10 V / 0,05A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau: Aufbau gemäß der Abbildung. Glühlämpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet. Das Voltmeter misst die „Sperrspannung“ an
der Zenerdiode.
Versuch:
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhöht. Dabei werden
Voltmeter und Glühlämpchen beobachtet.
Was sollst Du Dir merken?
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden. In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten.
Anhang 58
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 4,7 Volt, dann bleibt sie trotz
Erhöhung der angelegten Spannung nahezu konstant, wobei das Glühlämpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung!).
Erkenntnis:
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden, bricht bei einer bestimmen
Spannung (der „Durchbruchspannung“ der Diode) ein Strom durch. Bei Erhöhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant.
Anhang 59