Anleitung Stromkreise begreifen - Schrotty

Was ist ein Stromkreis?
Warum leuchtet eigentlich die Lampe in einem Raum, wenn du auf den Lichtschalter drückst?
Die Lösung des Rätsels beinhaltet alle einzelnen Komponenten, aus denen ein Stromkreis besteht.
Schauen wir uns dieses Problem anhand eines Stromkreises an, den du auch selbst aufbauen kannst.
 ACHTUNG: Weil es viel zu gefährlich ist, mit dem Strom zu experimentieren, der aus der
Steckdose kommt, verwenden wir eine Batterie, die uns mit Gleichspannung versorgt. Und statt der
Lampe setzen wir eine Leuchtdiode (LED) ein, da diese sich besser zur Verwendung mit einer
Batterie eignet.
Aber nun zurück zum Stromkreis. Ein Stromkreis besteht im einfachsten Fall aus
1. einer Spannungs- bzw. Stromquelle
2. einem Verbraucher und
3. Leitungen bzw. Kabeln.
Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) stellt Strom und Spannung bereit. Für die Schrotty-Versuche
kann dies eine Batterie sein. Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) ist mit Leitungen (3) mit dem
Verbraucher (2) verbunden. Die Leitungen bestehen im Inneren aus einem elektrisch sehr gut
leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer. Um den leitfähigen Kern herum befindet sich meist ein
Mantel aus elektrisch nicht leitfähigem Material wie Kunststoff. Dadurch können Leitungen an der
isolierten Schicht (am Kunststoff) berührt werden, ohne mit Strom in Berührung zu kommen.
Der Verbraucher (2) wandelt im geschlossenen Stromkreis die elektrische Energie in eine andere
Form von Energie um. In Falle einer LED wird Elektrizität in Licht und Wärme umgewandelt. Je nach
Verbraucher können dies auch andere Formen von Energie sein. Wichtig dabei ist, dass jeder
Verbraucher durch zu hohen Strom bzw. zu hohe Spannung zerstört werden kann. Eine LED ist
beispielsweise ein Bauteil, der eine Spannung zwischen 1,6 Volt und 2,5 Volt Spannung benötigt. Ist
die Spannung zu niedrig, leuchtet sie nicht. Ist sie zu hoch, wird die LED zerstört. Daher befindet sich
in dieser Schaltung ein weiterer Verbraucher (Widerstand) um die Spannung, die für die LED benötigt
wird, einzustellen.
Die LED wird leuchten, wenn alle Leitungen wie im Schaltplan eingezeichnet miteinander verbunden
sind. Nur dann kann der Strom von der Spannungsquelle zum Verbraucher und wieder zurück zur
Spannungsquelle fließen. Es wird hier auch von einem „geschlossenen Stromkreis“ gesprochen.
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Fehlt eine der Leitungen, wird der Stromkreis als „offener Stromkreis“ bezeichnet. Der Strom kann
nicht fließen und die LED kann daher nicht leuchten.
Weitere sehr nützliche Informationen zu Stromkreisen sind im online verfügbaren „Elektronik
Kompendium“ zu finden: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0201021.htm
Um die Aufteilung von Strom und Spannung in einem Stromkreis zu ermitteln, kommen die
Kirchhoffschen Regeln zum Einsatz: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0608011.htm
Wie schließe ich eine LED richtig an?
Bei einigen elektronischen Bauteilen ist es wichtig zu wissen, welcher Anschluss sich näher dem
Pluspol der Schaltung und welcher sich näher dem Minuspol befinden muss. Bei einer Leuchtdiode
ist es zum Beispiel wichtig! Die Leuchtdiode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Wird sie
anders herum angeschlossen, sperrt sie den Strom. Das bedeutet, nur wenn der Strom durch die LED
fließen kann, ist der Stromkreis geschlossen. Und nur dann leuchtet die LED.
Eine LED, die in einer Farbe leuchten kann, hat üblicherweise zwei Anschlüsse. Ein Anschluss nennt
sich Anode und steht für den Pluspol der LED. Damit die LED in einem geschlossenen Stromkreis
leuchtet, muss sich dieser Anschluss näher dem Pluspol der Schaltung befinden. Der Pluspol der
Schaltung befindet sich dort, wo sich der Pluspol der Spannungsquelle (z.B. Batterie) befindet. Der
andere Anschluss der LED wird Kathode genannt und muss sich näher dem Minuspol der Schaltung
befinden.
Vergiss bitte nicht auf einen geeigneten Vorwiderstand für deine LED, damit sie nicht durch zu hohe
Spannung beschädigt wird!
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Worum geht es bei den Experimenten?
Baue mit elektrisch leitfähiger und Knetmasse deine eigenen Stromkreise.
Du findest hier die folgenden Experimente:
Experiment 01 – Einfachen Stromkreis formen .............................................................................. 5
Experiment 02 – Einfachen Stromkreis mit Schalter formen .......................................................... 8
Weitere Möglichkeiten ................................................................................................................ 12
Probiere einfach die beschriebenen Experimente aus. Beim Experimentieren wirst du aber schnell
herausfinden, dass du deiner Kreativität freien Lauf lassen kannst. Du kannst auch die Kirchhoffschen
Gesetze einfach mit Knetmasse nachbauen und selbst herausfinden, was das Besondere an der
Serien- oder Parallelschaltung ist. Mehr dazu, findest du im Elektronik Kompendium:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0608011.htm
Videos zu diesen Experimenten und Variationen davon findest du auf der Schrotty-Website:
http://schrotty.fh-joanneum.at/stromkreise-begreifen/
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Experiment 01 – Einfachen Stromkreis formen
Welche Materialien brauche ich für das Experiment?
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Knetmasse, die elektrischen Strom leiten kann; am besten in vielen verschiedenen Farben
(Knetmasse auf Wasserbasis eignet sich sehr gut dafür, z.B. Play-Doh)
Musterbeutelklammern oder
Nägel aus Metall oder
Büroklammern aus Metall ohne Plastiküberzug
Batterie 9 Volt
Krokoklemmen
Leuchtdiode (LED)
Welche Werkzeuge brauche ich?
Keine
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Wie baue ich alles zusammen?
Schritt 1
Forme aus der leitfähigen Knetmasse zwei „Leitungen“. Die Leitungen können, wie am folgenden
Foto zu sehen, einfache Stangen sein. Du kannst sie aber auch in eine andere Form kneten. Achte
aber darauf, dass sich die beiden „Leitungen“ an keiner Stelle berühren! In die Enden deiner beiden
Leitungen steckst du nun noch jeweils einen Nagel oder je eine Musterbeutelklemme. Diese dienen
dazu, die Spannungsquelle (Batterie) leichter anschließen zu können. Du kannst an Stelle der Nägel
auch andere elektrisch leitfähige Materialien verwenden.
Schritt 2
Danach steckst du jeweils ein Füßchen der LED in das Ende je einer Leitung. Merke dir dabei, in
welche Leitung du das längere Füßchen der LED gesteckt hast.
Das längere Füßchen ist die Anode der LED und muss sich näher dem Pluspol der Spannungsquelle in
deiner Schaltung befinden. Wenn du dir dabei nicht ganz sicher bist, schau bitte in den Abschnitt
„Wie schließe ich eine LED richtig an?“ in diesem Arbeitsblatt. Dort wird ganz genau erklärt, wie du
herausfinden kannst, welches Füßchen der Plus- und welches der Minuspol der LED ist.
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Schritt 3
Verbinde nun deine eigene Knetmasse-Leitung, in der sich das längere Füßchen der LED (Anode)
befindet, mit dem Pluspol der Spannungsquelle (rotes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden
Foto). Als Spannungsquelle eignet sich eine 9V-Batterie in diesem Fall sehr gut. Deine andere
Leitung verbindest du einfach mit dem Minuspol der Spannungsquelle (schwarzes Kabel mit
Krokoklemme auf dem folgenden Foto).
Nun sollte wie am Foto auch deine LED leuchten.
Wunderst du dich, dass du in dieser Schaltung keinen Widerstand siehst? Zu Beginn des
Arbeitsblattes wurde im Kapitel „Was ist ein Stromkreis?“ erwähnt, dass eine LED unbedingt einen
Vorwiderstand benötigt, damit diese nicht durch zu hohe Spannung zerstört wird. Nun, die
Knetmasse die du verwendet hast, leitet zwar Strom, aber nicht sonderlich gut. Das bedeutet, dass
der Widerstand der Leitung schon so groß ist, dass die Spannung an der LED bei einer 9-VoltSpannungsquelle nicht zu hoch werden kann.
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Experiment 02 – Einfachen Stromkreis mit Schalter formen
Welche Materialien brauche ich für das Experiment?
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Knetmasse, die elektrischen Strom leiten kann; am besten in vielen verschiedenen Farben
(Knetmasse auf Wasserbasis eignet sich sehr gut dafür, z.B. Play-Doh)
Elektrisch nicht leitfähiges Material (Papier, Plastilin, Plastikfolie, …)
Musterbeutelklammern oder
Nägel aus Metall oder
Büroklammern aus Metall ohne Plastiküberzug
Batterie 9 Volt
Krokoklemmen
Leuchtdiode (LED)
Welche Werkzeuge brauche ich?
Keine
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Wie baue ich alles zusammen?
Schritt 1
Forme zuerst aus leitfähiger Knetmasse (Play-Doh) zwei Halbkreise.
Lege zwischen die beiden Halbkreise ein elektrisch nicht leitfähiges Material. Dafür eignen sich zum
Beispiel Papier, Kunststoff oder auch Plastilin. Plastilin ist eine Knetmasse auf Ölbasis. Alle diese
Materialen können als Isolatoren verwendet werden.
Auf dem folgenden Foto siehst du, wie das mit Papier aussehen kann.
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Und auf den nächsten beiden Fotos siehst du, wie du Plastilin als Isolator zwischen den beiden
Halbkreisen aus Play-Doh verwenden kannst.
Entscheide dich einfach für eine der beiden Varianten und setze dann mit dem nächsten Schritt fort.
Schritt 2
Danach formst du die Leitungen, wie schon im vorigen Experiment. Eine der Knetmasseleitungen
musst du ganz fest mit einem der beiden Knetmasse-Halbkreise verbinden.
Schritt 3
Als nächstes steckst du jeweils ein Füßchen der LED in das Ende je einer Leitung. Merke dir dabei, in
welche Leitung du das längere Füßchen der LED gesteckt hast.
Das längere Füßchen ist die Anode der LED und muss sich näher dem Pluspol der Spannungsquelle in
deiner Schaltung befinden. Wenn du dir dabei nicht ganz sicher bist, schau bitte in den Abschnitt
„Wie schließe ich eine LED richtig an?“ in diesem Arbeitsblatt. Dort wird ganz genau erklärt, wie du
herausfinden kannst, welches Füßchen der Plus- und welches der Minuspol der LED ist.
Verbinde danach deine eigene Knetmasse-Leitung, in der sich das längere Füßchen der LED (Anode)
befindet, mit dem Pluspol der Spannungsquelle (rotes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden
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Foto). Als Spannungsquelle eignet sich eine 9V-Batterie in diesem Fall sehr gut. Den Minuspol dieser
Spannungsquelle verbindest du nun noch mit dem Knetmassehalbkreis, der nicht mit der
Knetmasseleitung verbunden ist (schwarzes Kabel mit Krokoklemme auf dem folgenden Foto).
Im Gegensatz zum Experiment 01 leuchtet die LED jetzt noch nicht. Das ist ganz einfach erklärt.
Zwischen den beiden Knetmassehalbkreisen aus Play-Doh befindet sich ein Isolator. Auf diesem Foto
ist es ein Stück Plastilin. Dieser Isolator verhindert, dass Strom in deinem Stromkreis fließen kann.
Schritt 4
Wenn du nun die beiden Knetmassehalbkreise mit einem elektrisch leitfähigen Material verbindest,
wirst du sehen, dass die LED zu leuchten beginnt. Und genau das kannst du für deinen Schalter
ausnutzen.
Forme einfach aus Play-Doh eine Scheibe, die circa dieselbe Größe hat, wie beide Halbkreise
zusammen. Wenn du diese elektrisch leitfähige Scheibe auf die Halbkreise legst, stellst du eine
elektrisch leitfähige Verbindung her und die LED kann leuchten. Entfernst du die Scheibe wieder,
geht die LED aus. Und fertig ist dein Schalter.
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Weitere Möglichkeiten
Warum nicht eine Skulptur bauen, die leuchtet? Oder ein Tier mit leuchtenden Augen? Oder ganz
etwas anderes? Tob dich mit der Knetmasse kreativ aus! Es muss ja nicht immer ein langweiliger
Stromkreis aus Würsten und Stangen aus Knetmasse sein.
Hier findest du ein paar Fotos als Anregungen zu neuen Ideen.
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Schrotty ist ein Projekt der FH JOANNEUM am Institut Informationsmanagement und wurde in der
digital media technologies Arbeitsgruppe von Gerhard Sprung ins Leben gerufen. Das Projekt
Schrotty wird im Rahmen der generation innovation Regionen Projekte der FFG mit Geldern des
Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie gefördert.
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