Autor: Nik Köppel

Autor:
Nik Köppel
Widnau, 28. August 2009
Stromkreislauf
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Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS ................................................................................................................................................ 1
ABSTRACT .............................................................................................................................................................. 2
ELEKTRISCHER STROM .............................................................................................................................................. 2
KIRCHHOFFSCHE REGELN ........................................................................................................................................... 2
KLARE UNTERSCHEIDUNG SPANNUNGSQUELLE / STROMQUELLE ....................................................................................... 3
LITERATURVERZEICHNIS ............................................................................................................................................. 4
BILDERNACHWEIS .................................................................................................................................................... 4
WEITERES MATERIAL................................................................................................................................................ 4
STROM/STROMKREIS................................................................................................................................................ 5
GLEICHUNG FÜR SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND ................................................................................................ 7
KNOBELAUFGABE ..................................................................................................................................................... 8
GRUNDLAGEN LEISTUNG ........................................................................................................................................... 9
ELEKTRISCHE LEISTUNG ........................................................................................................................................... 10
LÖSUNGSVORSCHLÄGE ............................................................................................................................................ 11
STROM/STROMKREIS.............................................................................................................................................. 11
GLEICHUNG FÜR SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND .............................................................................................. 12
KNOBELAUFGABE ................................................................................................................................................... 13
GRUNDLAGEN LEISTUNG ......................................................................................................................................... 14
ELEKTRISCHE LEISTUNG ........................................................................................................................................... 15
Stromkreislauf
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Abstract
Die folgenden Arbeitsunterlagen beschäftigen sich mit dem elektrischen Strom. Es ist ein Lehrerteil
zu finden und dazu gehörige Arbeitsblätter. Im Schülerteil wird die elektrische Stromstärke, der
Stromkreis, der Widerstand, die Spannung und die elektrische Leistung behandelt. Im Zusatz für
Lehrpersonen werden zusätzlich die elektrischen Leiter und die Kirchhoffschen Regeln repetiert und
eine kleine Theorie zur Unterscheidung von Stromquellen und Spannungsquellen ist enthalten.
Elektrischer Strom
Unter elektrischem Strom versteht man grundsätzlich die gerichtete Bewegung von Ladung.
Leiter / Nichtleiter
Stoffe, die viele und freie bewegliche Ladungsträger besitzen,
heissen Leiter. Metallatome gehen Metallbindungen ein.
Diese Bindungen führen dann zu einem Metallgitter. Die
Valenzelektronen der einzelnen Metallatome werden nur
schwach an den Rumpf gezogen, deshalb können sie sich frei
im Metallgitter bewegen. Der Rumpf ist nun positiv geladen
und bildet ein Atomion. Die freien Elektronen können als
„Elektronennebel“ betrachtet werden.
Hat ein Stoff keine solchen freien Valenzelektronen, so liegt
ein Nichtleiter, Isolator vor.
Halbleiter
Halbleiter sind Stoffe, bei denen erst durch äussere Einflüsse Valenzelektronen frei werden und
dadurch Leitfähig werden. Dies kann zum Beispiel durch Einfluss von Wärme geschehen. Zu den
Halbleitern gehören Silicium, Selen und Germanium.
Bei einer schematischen Zeichnung werden die Verbindungen der einzelnen Elemente mit schwarzen
Strichen gekennzeichnet. Diese Verbindungen werden meist als ideal betrachtet. Das heisst, der
Widerstand des Leiters wird vernachlässigt, da er sehr gering ist.
Kirchhoffsche Regeln
Knotenregel
Wie auf dem Bild zu erkennen ist, fließen die Ströme I1 und I3 in den Knoten
hinein und die Ströme I2, I4 und I5 aus dem Knoten heraus. Nach der
Knotenregel ergibt sich folgende Formel:
I1 - I2 + I3 – I4 – I5 = 0
Maschensatz
Alle Teilspannungen eines Umlaufs bzw. einer Masche in einem elektrischen Netzwerk addieren sich
zu Null.
U1 + U2 + U3 – U0 = 0
Stromkreislauf
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Klare Unterscheidung Spannungsquelle / Stromquelle
Spannungsquelle
Stromquelle
im Arbeitsbereich:
! Ix = konstant !
im Arbeitsbereich:
! Ux = konstant !
x: z.B. 0-12V
z.B. Auto-Bleiakku, einfaches
Labornetzgerät
R
R
x: z.B. 0-1A
z.B. Ladegerät für
wiederaufladbare Batterien
Stromkreislauf
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Literaturverzeichnis
Flütsch S. (1996). Lehrlingsunterlagen. Mels
Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B.
& Walter A. (2002). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 2. Hannover: Schroedel Verlag
GmbH
sfb Bildungszentrum, Lehrerunterlagen. Dietikon
Online unter:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln (12.10.07)
Bildernachweis
Online unter:
http://www.albulafire.ch/assets/images/Feuerwehrmann_Schlauch.jpg (12.10.07)
Flütsch S. (1996). Lehrlingsunterlagen. Mels
sfb Bildungszentrum, Lehrerunterlagen. Dietikon
Online unter:
http://www.lernareal.ch/ (12.10.07)
Weiteres Material
Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B.
& Walter A. (2000). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 1 Arbeitsheft Physik/Chemie.
Hannover: Schroedel Verlag GmbH
Fruth, S., Grauer, H., Haas, G., Jung, W., Klünder, I., Lüchtefeld, M., Mathias, V., Schaper, J., Smrha, B.
& Walter A. (2002). Stark in Biologie. Physik. Chemie. Schülerband 2 Arbeitsheft Physik/Chemie.
Hannover: Schroedel Verlag GmbH
Online unter:
http://www.lernareal.ch/ (12.10.07)
Stromkreislauf
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Strom/Stromkreis
In der Abbildung unten seht ihr links einen Wasserstrom. Eine Kolbenpumpe presst Wassertropfen
(Wasser) in die Leitung und treibt das Wasserrad an. Beim elektrischen Strom übernehmen die
Elektronen den Transport von z.B. der Batterie zur Lampe.
Nur in einem geschlossenen Stromkreis fliesst elektrischer Strom.
Von Strom spricht man, wenn Elektronen in einem elektrischen Leiter vom Minuspol
(Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel) fliessen. Strom ist grundsätzlich die
gerichtete Bewegung von Ladungen=Elektronen.
Wird nun die Batterie korrekt mit der Lampe zum geschlossenen Stromkreis verbunden, findet ein
Ausgleich statt. Dabei verrichten die Elektronen Arbeit, z.B. leuchtet eine Glühlampe.
Elektrische Symbole:
_______________________________
+
+
_______________________________
_______________________________
+
+
_______________________________
_______________________________
Wenn man in einem Raum das Licht anmachen will, dann schliesst man mit Hilfe eines Schalters den
Stromkreis. Der Strom beginnt zu fliessen und die Glühlampe leuchtet. Im Alltag brauchen wir noch
viele weitere Geräte, die wir an den Strom anschliessen. Jedes dieser Geräte kann in einem Schema
Stromkreislauf
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vereinfacht als Widerstand gezeichnet werden. Die Eigenschaft, den Elektronenfluss mehr oder
weniger hemmen zu können, nennt man Widerstand.
Um sich den elektrischen Widerstand besser vorstellen zu können, eignet sich der Vergleich mit
Wasser: So stellen wir uns einen aufgedrehten Gartenschlauch vor und stellen uns nun auf diesen
Schlauch, so fliesst nun weniger Wasser. Treten wir nun etwas stärker auf den Schlauch, so können
wir vielleicht den Wasserfluss ganz stoppen. Der Fuss auf dem Schlauch bildet also einen Widerstand.
Je grösser der Widerstand, desto weniger Wasser fliesst!
Damit der Strom fliesst, braucht es einen Antrieb, die Spannung. Als Vergleich kann wieder Wasser
herangezogen werden. Stehen wir wieder ganz auf den Wasserschlauch, so herrscht trotzdem ein
Druck. Dieser Druck kann mit der Spannung verglichen werden.
Woher kommt der Strom?
Elektrischer Strom muss erzeugt werden in Kraftwerken. Zum Beispiel in einem Wasserkraftwerk
wird die Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt. Eine Batterie ist ein Medium, um
elektrische Energie zu speichern.
Energie kann nie verloren gehen, sie wird nur umgewandelt in eine andere Energieform.
Stromkreislauf
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Gleichung für Spannung, Strom und Widerstand
+
V
A
Spannung
U
Widerstand
R
In dieser Schaltung wird mit dem Voltmeter die
Spannung (V) und mit dem Ampèremeter die
Stromstärke (A) gemessen.
Wir verändern abwechslungsweise die einzelnen
Grössen. Vergleiche das Produkt von Widerstand und
Stromfluss mit der Spannung.
Strom
I
Produkt
RI
Stromkreislauf
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Knobelaufgabe
In einem Treppenhaus gibt es zwei Lichtschalter. Einer befindet sich am Fuss der Treppe, der andere
oben. Das Treppenhaus wird mit einer Lampe beleuchtet. Wie muss nun der schematische
Schaltkreis geplant werden, damit zu jeder Zeit oben wie auch unten das Licht angemacht und auch
wieder ausgemacht werden kann?
Verwende dazu die Symbole zweier Wechselschalter, das Symbol einer Spannungsquelle und das
einer Glühbirne!
Dies ist das
Symbol für einen
Wechselschalter.
Stromkreislauf
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Grundlagen Leistung
Elektrische Arbeit
F=
[
]
s=
[
]
Arbeiten heisst mit Kraft eine Masse verschieben. __________________ [
]
Arbeit kann auch elektrisch verrichtet werden.
Um Kraft zu erzeugen braucht es
___________________ und ________________.
Um den Weg s zurückzulegen braucht es _______.
Elektrische Arbeit:
______________________ [
]
Die Arbeit wurde nach dem englischen Physiker
________________ benannt.
_______ = _______ = ______________
Quelle: S. Flütsch
Stromkreislauf
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Elektrische Leistung
In welcher Zeit eine Arbeit verrichtet wird, wird mit der Leistung beurteilt.
Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit
___________________________________________________
Die Einheit für die Leistung ist das _____________ zu Ehren des Engländers James Watt.
Bedenke das nächste Mal, wenn du eine Glühbirne wechselst, wie viel Watt die neue Birne haben
soll.
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Lösungsvorschläge
Strom/Stromkreis
In der Abbildung unten seht ihr links einen Wasserstrom. Eine Kolbenpumpe presst Wassertropfen
(Wasser) in die Leitung und treibt das Wasserrad an. Beim elektrischen Strom übernehmen die
Elektronen den Transport von z.B. der Batterie zur Lampe.
Nur in einem geschlossenen Stromkreis fliesst elektrischer Strom.
Von Strom spricht man, wenn Elektronen in einem elektrischen Leiter vom Minuspol
(Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmangel) fliessen. Strom ist grundsätzlich die
gerichtete Bewegung von Ladungen=Elektronen.
Wird nun die Batterie korrekt mit der Lampe zum geschlossenen Stromkreis verbunden, findet ein
Ausgleich statt. Dabei verrichten die Elektronen Arbeit, z.B. leuchtet eine Glühlampe.
Elektrische Symbole:
Glühbirne
+
+
Spannungsquelle
Widerstand
+
+
Batterie
Schalter
Wenn man in einem Raum das Licht anmachen will, dann schliesst man mit Hilfe eines Schalters den
Stromkreis. Der Strom beginnt zu fliessen und die Glühlampe leuchtet. Im Alltag brauchen wir noch
Stromkreislauf
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viele weitere Geräte, die wir an den Strom anschliessen. Jedes dieser Geräte kann in einem Schema
vereinfacht als Widerstand gezeichnet werden. Die Eigenschaft, den Elektronenfluss mehr oder
weniger hemmen zu können, nennt man Widerstand.
Gleichung für Spannung, Strom und Widerstand
+
V
A
Spannung
U
Widerstand
R
In dieser Schaltung wird mit dem Voltmeter die
Spannung (V) und mit dem Ampèremeter die
Stromstärke (A) gemessen.
Wir verändern abwechslungsweise die einzelnen
Grössen. Vergleiche das Produkt von Widerstand und
Stromfluss mit der Spannung.
Strom
I
Produkt
RI
U=RI
R=U/I
U
RU
 I
I=U/R
Wenn man die
gesuchte Grösse
verdeckt, bleibt die
Formel für ihre
Berechnung übrig.
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Knobelaufgabe
In einem Treppenhaus gibt es zwei Lichtschalter. Einer befindet sich am Fuss der Treppe, der andere
oben. Das Treppenhaus wird mit einer Lampe beleuchtet. Wie muss nun der schematische
Schaltkreis geplant werden, damit zu jeder Zeit oben wie auch unten das Licht angemacht und auch
wieder ausgemacht werden kann?
Verwende dazu die Symbole zweier Wechselschalter, das Symbol einer Spannungsquelle und das
einer Glühbirne!
Dies ist das
Symbol für einen
Wechselschalter.
+
Im Moment leuchtet die Lampe!
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Grundlagen Leistung
Elektrische Arbeit
F= Kraft
[N]
s=
[m]
Weg
Arbeiten heisst mit Kraft eine Masse verschieben. W = F  s [Nm]
Arbeit kann auch elektrisch verrichtet werden.
Um Kraft zu erzeugen braucht es
Spannung und Strom.
Um den Weg s zurückzulegen braucht es Zeit.
Elektrische Arbeit:
W = U  I  t [J]
Die Arbeit wurde nach dem englischen Physiker
Joule benannt.
1 J = 1 Nm = 1 kg  m2 / s2
Stromkreislauf
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Elektrische Leistung
In welcher Zeit eine Arbeit verrichtet wird, wird mit der Leistung beurteilt.
Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit
P = W / t = U  I  t / t = U  I [W]
Die Einheit für die Leistung ist das Watt zu Ehren des Engländers James Watt.
Bedenke das nächste Mal, wenn du eine Glühbirne wechselst, wie viel Watt die neue Birne haben
soll.