Materialien zum Unterricht

Myas Welt der Physik: Widerstand ist zwecklos, Mya! – Stromkreise, Widerstände und Schaltungen

Mya will ihre Gartenlaube elektrifizieren: Licht, Lichterkette, Radio und ein kleines Heizöfchen für die Füße. Strom liefert eine alte 12-Volt-Autobatterie mit Solarpanel. „Ich verlege das alles selbst. Widerstand ist zwecklos!“ Theo und Paul finden: Widerstand ist im Gegenteil ziemlich wichtig, und erst mal wird gemessen. Dabei helfen Ohmi, ein Widerstand aus Konstantandraht mit Farbringen am Gürtel, den nichts aus der Ruhe bringt, nicht einmal Hitze, und Lumi, die kurzerhand in die Glühlampe eingezogen ist. Kater Erwin hat schon ein Auge auf die Lichterkette geworfen.

Physik Klasse 11 (Leistungskurs), Wiederholung Gleichstromkreis. Die Sprüche sind albern, die Zahlen nicht: Die Temperatur der Bauteile ergibt sich aus der Leistungsbilanz (zugeführte elektrische Leistung = abgegebene Wärme), Widerstände werden mit R = ρ · l / A und R(ϑ) = R20 · (1 + α · Δϑ) gerechnet, Schaltungen exakt nach den kirchhoffschen Regeln. Mit Profi markierte Teile gehen etwas weiter. Die Grundlagen zu Ladung und Stromstärke stehen auf der Seite Elektrische Ladung.

Myas Sicherheitsregel: Alles auf dieser Seite läuft mit höchstens 24 Volt. An der Steckdose (230 V) wird nicht gebastelt, das ist lebensgefährlich! Und flüssigen Stickstoff gibt es nur mit Lehrkraft, Schutzbrille und Handschuhen.

Station 1: Myas Messplatz – ohmsches Gesetz und Temperatur

Auf dem Messplatz liegt ein Bauteil. Das Netzgerät liefert eine einstellbare Spannung (bis 12 V, Strombegrenzung bei 3 A). Der Strommesser ist in Reihe, der Spannungsmesser parallel zum Bauteil geschaltet. Mit dem Thermometer sieht man, wie warm das Bauteil wird. Die Bauteile lassen sich auch in ein Bad legen: Eiswasser, heißes Wasser aus Myas Teekessel oder flüssigen Stickstoff (−196 °C) aus Theos Uni-Praktikum.

Spannung U–
Stromstärke I–
R = U / I–
Temperatur ϑ–
Leistung P–
Bauteil
Umgebung
Netzgerät
6,0 V

Vor dem Notieren abwarten, bis das Thermometer still steht. Die automatische Messreihe wartet von selbst.

Messtabelle

BauteilU in VI in AR in Ωϑ in °C

Forschungsaufträge: ① Nimm mit Ohmi eine Messreihe auf. Ist I proportional zu U? ② Und mit Lumis Glühlampe? Woran liegt der Unterschied? ③ Miss die Eisendrahtwendel einmal in Luft und einmal im Eiswasser. Wann gilt das ohmsche Gesetz? ④ Was macht der Heißleiter im Teewasser? ⑤ Leg die Kupferspule in flüssigen Stickstoff und schau aufs Netzgerät. ⑥ Profi Schalte die Glühlampe bei 12 V ein und beobachte den Strommesser in den ersten Augenblicken.

Station 2: Das Drahtregal – Widerstandsgesetz

Mya braucht Draht für ihr Fußheizöfchen. Im Keller liegt ein ganzes Regal voller Rollen, aber auf keiner steht drauf, was es ist. Theo spannt die Drähte auf ein Messbrett. Die linke Klemme sitzt fest, die rechte (Krokodilklemme) kannst du am Draht entlangschieben. Das Ohmmeter misst den Widerstand des Drahtstücks dazwischen. Paul darf mit der Heißluftpistole den Draht erwärmen. In der Lupe unten siehst du, was die Elektronen im Draht erleben.

Länge l–
Querschnitt A–
Temperatur ϑ–
Widerstand R–
Draht von der Rolle
Durchmesser d
Messen
50 cm
20 °C
Rätseldraht: Was ist das?

Wähle oben „? Rätselrolle“, miss und bestimme den spezifischen Widerstand ρ = R · A / l. Dann tippe auf das Material.

Messtabelle

Drahtd in mml in mϑ in °CR in Ω

Forschungsaufträge: ① Verdopple die Länge. Was passiert mit R? ② Verdopple den Durchmesser. Warum wird R dann nicht halb so groß? ③ Vergleiche gleich lange, gleich dicke Drähte aus Kupfer und Konstantan. ④ Erwärme Kupfer, Konstantan und die Bleistiftmine. Wer reagiert wie? ⑤ Welcher Draht eignet sich für Myas Heizöfchen, welcher für die Zuleitung? ⑥ Löse das Rätsel der unbeschrifteten Rolle.

Station 3: Myas Schaltbrett – Reihen- und Parallelschaltung

Auf Myas Schaltbrett sitzen drei Widerstände, alle aus Ohmis Familie. Wähle eine Schaltung, stelle Spannung und Widerstände ein. An jedem Bauteil stehen Spannung und Stromstärke. Tippe ein Bauteil an, und Kater Erwin zieht es heraus. Was passiert dann mit den anderen? Je mehr Leistung ein Widerstand umsetzt, desto mehr kommt er ins Schwitzen.

R in ΩU in VI in mAP in W
Schaltung
Werte
12 V
–
–
–

Forschungsaufträge: ① Reihenschaltung: Vergleiche die Stromstärken. Wie teilt sich die Spannung auf? ② Parallelschaltung: Was ist überall gleich? Ist Rges größer oder kleiner als der kleinste Einzelwiderstand? ③ Lass Erwin in der Reihen- und in der Parallelschaltung je einen Widerstand ziehen. ④ Stelle in der Parallelschaltung zwei gleiche Widerstände ein. Wie groß ist Rges? ⑤ Überprüfe in den gemischten Schaltungen Knoten- und Maschenregel.

Die kaputte Lichterkette

Kater Erwin hat mit Myas alter Lichterkette gespielt. Jetzt ist sie dunkel. In der alten Kette sitzen zwölf Lämpchen (je 2 V) in Reihe an einem 24-V-Trafo, und eins ist durchgebrannt. Welches? Tippe zwei Kontaktstellen an, dazwischen misst der Spannungsmesser. Wenn du den Übeltäter gefunden hast, schalte auf „Lämpchen tauschen“ und tippe es an. Schaffst du es mit weniger als fünf Messungen?

Welche Kette?
Was tun?

Station 4: Myas Radio am Spannungsteiler

Myas uraltes Kofferradio braucht 6 V, die Batterie liefert aber 12 V. Paul hat einen Schiebewiderstand (Potentiometer) gefunden: Der Schleifer teilt den Widerstandsdraht in zwei Teile R1 und R2. Die Spannung U2 wird an R2 abgegriffen. Ziehe den Schleifer oder nimm den Regler. Klappt das auch noch, wenn das Radio angeschlossen ist?

U₁ (oben)–
U₂ (unten)–
Strom aus Batterie–
Verbraucher bekommt–
Schiebewiderstand
50 %
Was hängt an U₂?

Forschungsaufträge: ① Unbelastet: Wie hängt U2 von der Schleiferstellung ab? Prüfe U1 : U2 = R1 : R2. ② Schließe das Radio an. Wo musst du den Schleifer jetzt hinstellen, damit es 6 V bekommt? ③ Probiere die drei Schiebewiderstände mit dem Radio. Welcher eignet sich, welcher wird zu heiß, welcher ist zu „weich“? ④ Warum stört der Spannungsmesser kaum, Theos Bassbox aber gewaltig?

Station 5: Der Stromteiler – wohin mit all den Elektronen?

An einer Verzweigung (einem Knoten) müssen sich die Elektronen entscheiden. Myas Netzgerät arbeitet hier als Konstantstromquelle: Es liefert immer genau die eingestellte Stromstärke. Lumi zählt am Knoten mit. Im Profi-Teil rettet Theo ein empfindliches Messgerät mit einem Nebenwiderstand (Shunt).

Gesamtstrom I–
Zweig 1: I₁–
Zweig 2: I₂–
Spannung U–
Versuch
Werte
600 mA
–
–

Forschungsaufträge: ① Wähle R1 = 100 Ω und R2 = 200 Ω. Welcher Zweig bekommt mehr Strom, und wie viel mehr? ② Prüfe die Knotenregel I = I1 + I2. ③ Zeige: I1 : I2 = R2 : R1. ④ Profi Bestimme den Shunt für den Messbereich 1 A und rechne nach.

Station 6: Rechne selbst

Ω

Tipps

  • Widerstand: R = U / I, 1 Ω = 1 V/A. Das ohmsche Gesetz sagt: I ~ U, wenn die Temperatur gleich bleibt.
  • Widerstandsgesetz: R = ρ · l / A, A = π · d² / 4. Mit ρ in Ω·mm²/m darf A in mm² und l in m bleiben.
  • Temperatur: R = R20 · (1 + α · (ϑ − 20 °C)).
  • Reihe: R = R1 + R2 + …, parallel: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + …
  • Spannungsteiler: U2 = U · R2 / (R1 + R2). Stromteiler: I1 = I · R2 / (R1 + R2).
  • Profi Belastet: erst R2 ∥ RL zusammenfassen. Shunt: RS = Ri · Ig / (I − Ig).
Merke – Gleichstromkreise:
  • Widerstand: R = U / I, Einheit 1 Ω (Ohm) = 1 V/A. Er sagt, wie viel Spannung man braucht, um eine bestimmte Stromstärke durch ein Bauteil zu treiben.
  • Ohmsches Gesetz: Bei konstanter Temperatur ist in Metallen die Stromstärke proportional zur Spannung, I ~ U, also R = konstant. Die I-U-Kennlinie ist dann eine Ursprungsgerade. Bauteile mit dieser Eigenschaft heißen ohmsche Widerstände. R = U/I gilt als Definition immer, das ohmsche Gesetz aber nicht.
  • Temperaturabhängigkeit: R(ϑ) ≈ R20 · (1 + α · Δϑ). Reine Metalle (Kupfer, Eisen, Wolfram) sind Kaltleiter (α > 0): Je wärmer, desto stärker wackeln die Atomrümpfe und bremsen die Elektronen. Legierungen wie Konstantan haben fast α = 0. Heißleiter (NTC, Halbleiter, Graphit) leiten warm besser, weil mehr Ladungsträger frei werden. Glühlampen haben darum eine gekrümmte Kennlinie und einen hohen Einschaltstrom.
  • Widerstandsgesetz: R = ρ · l / A. Doppelte Länge → doppelter Widerstand, doppelter Durchmesser → vierfacher Querschnitt → ein Viertel des Widerstands. Der spezifische Widerstand ρ ist eine Materialkonstante (Kupfer 0,0172 Ω·mm²/m, Konstantan 0,50 Ω·mm²/m; 1 Ω·mm²/m = 10−6 Ω·m).
  • Reihenschaltung: Überall fließt derselbe Strom. Die Spannungen addieren sich: U = U1 + U2 + … (Maschenregel), Rges = R1 + R2 + … Fällt ein Bauteil aus, ist der ganze Kreis unterbrochen.
  • Parallelschaltung: An allen Zweigen liegt dieselbe Spannung. Die Ströme addieren sich: I = I1 + I2 + … (Knotenregel), 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 + … Rges ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Für zwei Widerstände: Rges = R1 · R2 / (R1 + R2).
  • Spannungsteilerregel: In Reihe verhalten sich die Spannungen wie die Widerstände: U1 : U2 = R1 : R2, U2 = U · R2 / (R1 + R2). Ein angeschlossener Verbraucher liegt parallel zu R2 und senkt U2 (belasteter Spannungsteiler). Das stört wenig, wenn RL ≫ R2.
  • Stromteilerregel: Parallel verhalten sich die Ströme umgekehrt wie die Widerstände: I1 : I2 = R2 : R1, I1 = I · R2 / (R1 + R2). Der kleinere Widerstand bekommt den größeren Strom.
  • Profi Messgeräte: Ein Strommesser soll den Kreis kaum stören, also einen kleinen Innenwiderstand haben, ein Spannungsmesser einen großen. Messbereichserweiterung beim Strommesser mit Parallelwiderstand (Shunt) RS = Ri · Ig / (I − Ig), beim Spannungsmesser mit Vorwiderstand in Reihe.

Teste dich

Zum Schluss: Wahr oder geflunkert?

Mya erzählt beim Kabelverlegen gern Geschichten. Ein paar davon hat sie dazuerfunden. Welche?