M/Ph/Info (Beslmeisl)

Auf dieser Seite lernst du, mit den Begriffen Stromstärke, Spannung und Widerstand umzugehen. Wichtig dabei ist, dass du eine gute anschauliche Vorstellung von den Begriffen hast; der Umgang mit Zahlen und Einheiten ergibt sich dann fast von selbst.

Im Kurs kommt immer wieder das gleiche Java-Applet vor, mit dem du einigermaßen musst umgehen können. Deshalb hier ein paar Worte zur Bedienung. Lies alles durch und mache alle Schritte:

• Nach dem Einladen eines Schaltplans wird dieser sofort berechnet. Das erkennt man daran, dass Werte angezeigt werden, wenn man die Maus über ein Bauteil hält. Sobald der Schaltplan verändert wird, muss er wieder neu berechnet werden. Das geschieht, indem du drückst. (Wenn dieser Button gedrückt ist, wird außerdem die Werteingabe für Bauteile aktiviert. Drücke ihn also am besten jetzt.)
• Gehe nun mit der Maus z.B. über das Bauteil links im Bild. Es wird angezeigt, dass es sich um eine Spannungsquelle handelt. Die Zahlenwerte musst du noch nicht verstehen.
• Wir wollen nun die Spannung etwas erhöhen, damit die Lampe heller brennt. Klicke dazu die Spannungsquelle an. Die Leiste zeigt nun deren Einstellungsmöglichkeiten. Der Button erlaubt das Verschieben, Vergrößern und Drehen, aber das wollen wir nicht. Wähle also den Button und klicke nochmal auf die Batterie. Im Dialogfeld gibst du nun 2.5 ein. Die Lampe brennt nun heller.
• Klicke nun auf den Schalter (Mitte der oberen Leitung) und wähle dort ebenfalls das zweite Werkzeug . Durch erneuten Klick auf den Schalter wird dieser ein- und ausgeschaltet. Die Lampe geht an und aus.

• Nun soll die Spannungsquelle durch eine Stromquelle ersetzt werden. Klicke zuerst auf den Hintergrund des Schaltplans, damit wieder die Standard- Werkzeugleiste erscheint. Wähle dort den Abfalleimer und klicke auf die Spannungsquelle. Alle dran hängenden Leitungen verschwinden ebenfalls. Wähle das Werkzeug Stromquelle und klicke an die Stelle, wo vorher die Spannungsquelle war. Klicke die neu erzeugte Stromquelle an und drücke dann die Leertaste. Dadurch wird sie um 90° gedreht. Wenn du sie vergrößern willst, musst du sie ganz nah am orangen Rand anklicken und daran ziehen. Wenn du innerhalb ziehst, kannst du sie verschieben.
• Wähle nun das Werkzeug zum Zeichnen von Leitungen. Ziehe mit der Maus die beiden Leitungen von den Knoten der Stromquelle zum Rest des Plans. Drücke nach dem Zeichnen das Ausrufezeichen zur Neuberechnung. Wenn die Lampe nicht hell genug leuchtet, kannst du die Stromstärke ändern, nachdem du die Stromquelle markiert hast.
• Am Schluss wollen wir die ursprüngliche Schaltung wieder herstellen. Drücke dazu den Butten mit der Aufschrift „Reset“.

Damit bist du am Ende der ersten Einheit angelangt und hast gelernt, wie du das Programm bedienen kannst. Wenn du nicht gleich zur nächsten Lektion gehen willst, kannst du den ganzen Plan löschen, indem du den Mülleimer wählst und auf den Hintergrund klickst. Nun kannst du selber eine Schaltung erfinden.

Stromquellen und Spannungsquellen

Um Strom zu bekommen, also in Leitungen sich fortbewegende Elektronen, braucht man eine Pumpe. Es gibt (in der Theorie) Pumpen, die immer die gleiche Stromstärke erzeugen (Stromquellen) und solche, die immer die gleiche Spannung erzeugen (Spannungsquellen).

Die Stromstärke gibt an, wie viele Elektronen sich in 1 s durch eine Leitung bewegen. Wenn das eine bestimmte, ziemlich große Anzahl ist, sagt man, „Die Stromstärke beträgt 1 Ampere“ oder kurz „I=1A“.

Stromquellen bemühen sich um eine konstante Stromstärke, d.h. sie versuchen, in jeder Sekunde gleich viele Elektronen weiter zu schieben. Wenn der Stromfluss von einem Widerstand stark gebremst wird, drückt die Stromquelle einfach stärker. Vornehmer ausgedrückt: Sie erhöht die Spannung. Wenn es leicht geht, braucht sie fast keine Spannung.

1. Betrachte nur den linken Schaltplan und halte die Maus auf die Stromquelle (das Bauteil ganz links). Um die gewünschten 4A Stromstärke zu erreichen, muss die Stromquelle mit der Spannung 80V drücken. Das liegt an dem starken Widerstand. Ändere ihn und sieh nach, wie die Stromquelle automatisch die Spannung anpasst, um die 4A Stromstärke zu erhalten. (Warum die Stromstärke ein negatives Vorzeichen hat, ist hier noch nicht wichtig.)
2. Schalte den rechten Schalter ein. Wie groß sind jetzt Spannung und Stromstärke? Überlege, warum.
3. Schalte nun den unteren Schalter aus. Damit kann die Stromquelle ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen. Auch wenn sie noch so stark drückt, kann sie keine Elektronen mehr bewegen. Das Programm zeigt in diesem Fall eine 'undefinierte' Spannung.

Die Spannung gibt an, wie groß der Druckunterschied zwischen zwei Punkten im Stromkreis ist. Um Strom durch einen Widerstand zu pressen, muss eine Spannung zwischen den beiden Anschlüssen des Widerstands herrschen, damit die Elektronen von der Stelle hohen Drucks zu der Stelle niedrigen Drucks wandern. Bei einem bestimmten Druckunterschied sagt man: „Die Spannung beträgt 1 Volt“ oder kurz „U=1V“.

Spannungsquellen bemühen sich um eine gleich bleibende Spannung zwischen ihren Anschlüssen, d.h. sie schieben gerade so viele Elektronen weiter, bis der gewünschte Druckunterschied herrscht. Wenn die Elektronen ohne großen Widerstand davon laufen können, ergibt sich so eine große Stromstärke.

1. Betrachte nun den rechten Schaltplan und halte die Maus auf die Spannungsquelle. Um die gewünschten 4V Spannung zu bekommen, muss die Spannungsquelle 0,2A Stromstärke erzeugen. Erschwere der Spannungsquelle die Arbeit, indem du den Widerstand verkleinerst. Was passiert dann nämlich mit der Stromstärke?
2. Schalte den unteren Schalter aus. Wie groß sind jetzt Spannung und Stromstärke? Überlege, warum.
3. Schalte nun beide Schalter ein. Damit kann die Spannungsquelle ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen. Auch wenn sie noch so viele Elektronen von ihrem einen zum anderen Anschluss schaufelt, kann sie den Druckunterschied von 4V nicht aufrecht erhalten, weil die Elektronen widerstandslos weglaufen. Das Programm zeigt in diesem Fall eine 'undefinierte' Stromstärke.

Du hast nun schon mehrfach den Begriff Widerstand gelesen. Bei den Einstellungen hast du gesehen, dass er in ¿ gemessen wird. Diesen griechischen Buchstaben verwendet man, weil die Einheit Ohm abgekürzt sonst mit einer Null verwechselt werden könnte. Je größer ein Widerstand ist, desto stärker bremst er den Stromfluss. Man stellt sich das also am besten als eine Engstelle vor, je mehr ¿, desto enger. Statt „Der Widerstand beträgt 1 Ohm“ schreibt man kürzer „R=1¿“. Übrigens: Im vorliegenden Programm gibt es keinen Unterschied zwischen Lampen und Widerständen, außer dass die Lampen leuchten. Aufgaben zu Stromquellen und Spannungsquellen

• Notiere ins Heft die Bedeutung, die Abkürzung und die Abkürzung der Einheiten von Spannung, Stromstärke und Widerstand.

• In allen vier Plänen kann ein Schalter geschlossen werden. Überlege vorher was jeweils an den Quellen und Lampem mit Stromstärken und Spannungen passiert. Vergewissere dich der Richtigkeit deiner Gedanken durch Ausprobieren. Zeichne die vier Pläne ins Heft und notiere jeweils Ergebnisse und Begründungen.