Kapitel 10 Elektrizität 2

Kapitel 10
Elektrizität 2
Kap.10 Elektrizität 2
1
10.1 Die elektrische Stromstärke
Versuch: Einfacher Stromkreis mit Amperemeter.
Ergebnis: Je heller die Glühlampe, desto
mehr Strom fließt.
Die physikalische Größe dazu heißt
elektrische Stromstärke.
A
Vergleich mit strömendem Wasser:
Wenn in 10 s 2 dm³ Wasser aus einem Hahn
fließen, sagen wir, dass 0,2 dm³/s Wasser
durch den Querschnitt fließt.
Die elektrische Stromstärke gibt an, wie viel elektr. Ladung pro
Sekunde durch den Leiter fließt.
Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A) .
Kap.10 Elektrizität 2
2
Die Stromstärke wird mit einem Amperemeter gemessen.
Schaltsymbol:
A
Ein Amperemeter wird stets in Serie geschaltet!!!!
Kap.10 Elektrizität 2
3
10.2 Die elektrische Spannung
Warum fließt Strom? Wann fließt Strom?
Der Unterschied in den elektrischen Ladungszuständen bewirkt eine
elektrische Spannung.
Die Spannung ist die Ursache für das Fließen des elektrischen Stromes.
Wir können eine Spannungsquelle auch als Elektronenpumpe auffassen.
Bei Schließen des Stromkreises fließen Elektronen vom Minus- zum
Pluspol solange, bis ein Ladungsausgleich entsteht.
→ Die Spannung sinkt auf 0. Es fließt kein Strom mehr.
Die Einheit der Elektrischen Spannung ist das Volt. (V).
Messgeräte für die el. Spannung heißen Voltmeter.
V
Ein Voltmeter wird stets parallel geschaltet!!!
Kap.10 Elektrizität 2
4
Spannungsquellen
Steckdose
Batterien
Kap.10 Elektrizität 2
Solarzelle
5
Die elektrische Spannung und der elektrische Strom können nicht
gesehen werden, nur ihre Wirkungen Gefahr.
Spannungsprüfer: zum Nachprüfen ob in einer Steckdose eine
Spannung ist.
Kap.10 Elektrizität 2
6
10.3 Der elektrische Widerstand
Bereits in früheren Versuchen: Die einzelnen Stoffe leiten den Strom
unterschiedlich gut.
Diese Eigenschaft beschreiben wir mit dem elektrischen Widerstand.
Die Größe des elektrischen Widerstands wird in Ohm angegeben.
Wovon hängt der elektrische Widerstand ab?
Versuch 1:
Messstrecke mit
verschiedenen Drahtlängen
(Konstantandraht)
Spannung 6V
Länge [m]
Stromstärke [A]
A
0,5 m
1m
Kap.10 Elektrizität 2
2m
7
Versuch 2: Verschiedene Querschnitte
Querschnitt[m²] einfach
doppelt
dreifach
Stromstärke [A]
Versuch 3: Verschiedene Drahtsorten
Drahtsorte
Messing
Konstantan
Stromstärke [A]
l
R  
A
ρ.. spezifischer Widerstand
l .. Länge des Leiters
A .. Querschnitt des Leiters
Kap.10 Elektrizität 2
8
Beachte: Die Werte in der folgenden Tabelle beziehen sich auf
eine Temperatur von 18°C.
Stoff
Ohm pro 1 m Länge
und 1 mm² Querschnitt
Silber
0,016
Kupfer
0,017
Gold
0,022
Messing
0,08
Eisen
0,1
Konstantan
0,5
Bogenlampenkohle
60 – 80
Kap.10 Elektrizität 2
9
Versuch 4: Eisendraht erhitzen.
Ergebnis:
Bei den meisten Metallen steigt der
Widerstand mit der Temperatur.
A
Erklärung: Durch die heftigere thermische Bewegung der
Teilchen beim Erwärmen werden die Elektronen in ihrer
Bewegung behindert.
Mit zunehmender Temperatur nimmt die elektrische
Leitfähigkeit von Metallen ab.
Kap.10 Elektrizität 2
10
10.3.1 Das Ohmsche Gesetz
Versuch:
Die angelegte Spannung soll im
Bereich von 0 V bis 5 V variiert
werden . Als Widerstand
verwenden wir den Baustein mit
der Aufschrift 500 Ω.
Wir messen Stromstärke und
Spannung. und tragen die Werte
in einem U-I- Diagramm auf.
Kap.10 Elektrizität 2
11
U [V]
0
1
2
3
4
5
I [mA]
R
U
I
[Ω]
I [mA]
10
Je größer die Spannung, desto
größer die Stromstärke.
2
0
1
5
U [V]
Kap.10 Elektrizität 2
12
Wir wiederholen den Versuch mit konstanter Spannung (4 V), aber
verschiedenen Widerständen.
(330 Ω, 500 Ω, 1 kΩ)
Je größer der Widerstand, desto kleiner die Stromstärke.
Ohmsches Gesetz
Spannung
Stromstärk e
1V
1 
1A
Elektrisch er Widers tan d 
1 Volt
1 Ohm 
1 Ampere
Andere Formulierungen für
das Ohmsche Gesetz:
U
I
R
Kap.10 Elektrizität 2
R
U
I
U = I∙R
13
10.4 Schaltung von Widerständen
10.4.1 Serienschaltung von Widerständen
Die Stromstärke
der in Serie
geschalteten
Widerstände wird
mit dem
Amperemeter
gemessen. (30mAMessbereich).
A
B
C
Kap.10 Elektrizität 2
Das Voltmeter
(30V) überprüft
zuerst die
Gesamtspannung
(A-C), dann die
Teilspannungen
(A-B) und (B-C).
14
I = 10 mA
UAC = 15 V
UAB = 10 V
UBC = 5 V
Uges
15
Rges 

 1500 
I
0,01
U1 10
R1 

 1000 
I
0,01
U2
5
R2 

 500 
I
0,01
Bei der Hintereinanderschaltung von Widerständen ist die
Summe der Teilspannungen an den einzelnen Widerständen
gleich der angelegten Spannung.
Uges = U1 + U2
Beim Hintereinanderschalten von Widerständen addieren sich
die einzelnen Widerstände zum Gesamtwiderstand.
Rges=Kap.10
R1 + Elektrizität
R2
2
15
Rechenbeispiel:
R1 = 50 Ohm; R2 = 70 Ohm
R1
R2
Berechne den Gesamtwiderstand!
Wie groß ist die Stromstärke, wenn wir 12 V an die beiden
Widerstände anlegen?
Kap.10 Elektrizität 2
16
10.4.2 Paralleschaltung von Widerständen:
Mittels Schalter und
Taster können die
Widerstände einzeln
zugeschaltet werden,
um die Teilstromstärken zu ermitteln.
Wird der Schalter
geschlossen und die
Taste gedrückt, kann
die Gesamtstromstärke
abgelesen werden.
Kap.10 Elektrizität 2
17
Spannung: U = 10 V
Teilstromstärke im linken Zweig:
I1 = 9,5 mA
Teilstromstärke im
rechten Zweig:
I2 = 19 mA
Gesamtstromstärke:
Iges= 28,5 = I1 + I2
Die Summe der Teilströme ist gleich der Gesamtstromstärke
Iges = I1 + I2
U
I1 
R1
U
I2 
R2
Iges
U

R ges
U
U U


R ges R1 R 2
1
1
1


R ges R1 R 2
Bei der Parallelschaltung ist der Kehrwert des Gesamtwiderstandes
gleich der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände.
Kap.10 Elektrizität 2
18
Bemerkung: Der Gesamtwiderstand ist stets kleiner als der kleinere
der beiden Widerstände.
R
1
Beispiel:
Parallelschaltung:
R1 = 20 Ohm, R2 = 40 Ohm
Rges = ?
R2
1
1
1
3



Rges 20 40 40
Rges = 13,3 Ohm
Kap.10 Elektrizität 2
19
11. Elektrizität und Magnetismus
11.1 Magnetismus
Wiederholung der bereits bekannten Phänomene des Magnetismus.
Magnetische Stoffe: Eisen, Kobalt, Nickel.
Magnetpole; Anziehung und Abstoßung
Gleichnamige stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Kap.10 Elektrizität 2
20
Untersuchung der Pole
Die Pole heißen Nordpol (rot) und Südpol (grün)
Versuch: Wir bringen zwei
Ringmagnete auf zwei
verschiedene Arten
zusammen.
Ergebnis: Ungleichnamige
Pole ziehen sich an,
gleichnamige Pole stoßen
sich ab.
Kap.10 Elektrizität 2
21
Magnetische Influenz
Versuch:
Eisen
Magnet
In der Nähe eines Magneten wird
ein Eisenstück selbst magnetisch.
= Magnetische Influenz
Kap.10 Elektrizität 2
22
Bringt man eine Stricknadel in die Nähe eines Magneten, bleibt ein
Restmagnetismus (Remanenz)
Kap.10 Elektrizität 2
23
Weitere Untersuchungen:
Versuch:
1. Laubsägeblatt magnetisieren, anschließend mit Kompass
untersuchen.
Ergebnis: Es entsteht Nord- und Südpol.
2. Laubsägeblatt teilen:
Ergebnis:
Teilt man einen Magneten immer wieder, erhält man stets wieder
Magneten mit Nord- und Südpol.
Dies kann man fortsetzen bis zu einer Größe von 0,01 bis 1 µm.
(Größe der Elementarmagnete)
Diese Elementarmagnete sind in jedem ferromagnetischen Stoff
vorhanden.
Magnetisieren bedeutet also das Ausrichten der Elementarmagnete.
Kap.10 Elektrizität 2
24
Kap.10 Elektrizität 2
25
Ein Magnet kann durch Erschüttern oder durch Erhitzen über eine
bestimmte Temperatur wieder unmagnetisch werden.
Curietemperatur (Fe 769°C, Ni 356°C, Co 1075°C)
Kap.10 Elektrizität 2
26
Kap.10 Elektrizität 2
27
Kap.10 Elektrizität 2
28
Kap.10 Elektrizität 2
29
Kap.10 Elektrizität 2
30