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Stromkreise (1)


Aufgabe 1

Ergänze folgenden Lückentext mit den richtigen Begriffen aus der am Ende gegebenen Liste. Die Begriffe können auch gar nicht oder mehrfach verwendet werden.

Ein Stromkreis besteht aus den beiden Polen einer _________________, die über einen _________________ und mindestens einen _________________ miteinander verbunden sind. In solch einem Stromkreis stehen __________________________________ und _________________ in

abhängiger Beziehung, die man _________________ nennt. Je kleiner dabei _________________, desto kleiner ist auch _________________, wenn _________________ gleich bleibt.

Auswahlmöglichkeiten: (der) Widerstand R / Spannungsquelle / ohmsches Gesetz / Satz des Pythagoras / (die) Spannung U / Energieerhaltungssatz / elektrischen Leiter / (die) Masse m / (die) Stromstärke I / (die) Temperatur

Lösung

Ein Stromkreis besteht aus den beiden Polen einer Spannungsquelle, die über einen elektrischen Leiter und mindestens einen Widerstand R miteinander verbunden sind. In solch einem Stromkreis stehen die Spannung Udie Stromstärke I und der Widerstand R in abhängiger Beziehung, die man ohmsches Gesetz nennt. Je kleiner dabei die Stromstärke I, desto kleiner ist auch die Spannung U, wenn der Widerstand R gleich bleibt.

  • Schwierigkeitsgrad:  1
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  5

Aufgabe 2

Strom fließt durch einen elektrischen Leiter. 

  1. Was genau ist elektrischer Strom?
  2. Was muss vorhanden sein, damit elektrischer Strom fließt?
  3. Warum ist es wichtig, dass zumindest ein Widerstand in einen Stromkreis eingebaut wird?
  4. Welche fühl- und messbare Wirkung hat elektrischer Strom? Nenne ein Beispiel aus dem Alltag.

Lösung

  1. Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern (Elektronen, Ionen) in einem elektrischen Stromkreis.
  2. Damit elektrischer Strom fließen kann, muss an einer Spannungsquelle ein elektrischer Stromkreis und ein Stromabnehmer (Glühbirne, Widerstand oder Ähnliches) vorhanden sein.
  3. Wäre an einer Spannungsquelle nur ein elektrischer Leiter angeschlossen, käme es zu einem Kurzschluss.
  4. Die direkte Wirkung des Stroms auf den menschlichen Körper wird allgemein als Stromunfall oder umgangssprachlich auch als Stromschlag bezeichnet. Folgen bei Stromschlägen können unter anderem Schmerzen bis hin zu Lähmungen (Arme, Beine, gesamter Körper), großflächige Verbrennungen der Haut und Schäden an Nerven und den inneren und äußeren Organen zur Folge haben. 
    Indirekt ist der Strom beispielsweise über eine Glühbirne mit Glühdraht messbar. Sobald diese eingeschaltet wird, wird der elektrische Strom in Wärme und Licht umgewandelt. Des Weiteren kann der Glühdraht mittels eines Magneten zum Schwingen gebracht werden. Eine vierte erkennbare Wirkung des elektrischen Stroms sind chemische Reaktionen, wie sie zum Beispiel bei der Galvanisation auftreten.
  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  10 Minuten
  • Punkte:  6

Aufgabe 3

  1. Schreibe jeweils den Namen des elektrischen Bauteils neben das dargestellte Symbol.
    Stromkreise (1) - Abbildung 1
  2. Zeichne einen Stromkreis mit zwei Glühbirnen in Reihenschaltung, bei dem die Teilspannungen mit je einem Voltmeter gemessen werden.
    Stromkreise (1) - Abbildung 2

Lösung

  1. Stromkreise (1) - Abbildung 3
  2. Stromkreise (1) - Abbildung 4
     
  • Schwierigkeitsgrad:  1
  • Zeit:  5 Minuten
  • Punkte:  8

Aufgabe 4

Stromkreise (1) - Abbildung 5
  1. Welcher Strom fließt, wenn R1 abgeschaltet ist?
  2. Welcher Strom fließt, wenn R1 zugeschaltet ist?
  3. Begründe den Unterschied.

Lösung

  1. Wenn der Schalter beim Widerstand \(R_1\) abgeschaltet ist, handelt es sich um einen einfachen Stromkreis über den Widerstand \(R_2\). Die Stromstärke berechnet sich über die Umstellung des ohmschen Gesetzes: \(R=\frac{U}{I}\)
    Mithilfe eines Formeldreiecks kann die Formel nach der Stromstärke umgestellt werden.
    Im nächsten Schritt werden die Werte eingesetzt: \(I=\frac{U}{R}=\frac{12\,\text V}{15\,\Omega}\).
    Hier muss beachtet werden, dass \(\Omega= \frac{\text V}{\text A}\) ist und sich die Volt somit rauskürzen.
    Somit ergibt sich eine Stromstärke von \(I=0{,}8\,\text A\).
  2. Sobald der Widerstand \(R_1\) zugeschaltet wird, handelt es sich um eine Parallelschaltung. Vor der Berechnung der Stromstärke muss daher erst der Gesamtwiderstand \(R_{ges}\) aus den Einzelwiederständen berechnet werden. Die Formel dazu lautet:
    \(\frac{1}{R_{ges}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}\)
    \(\frac{1}{R_{ges}}=\frac{1}{5\,\Omega}+\frac{1}{15\,\Omega}\)
    \(\frac{1}{R_{ges}}=\frac{4}{15}\Omega\) | Kehrwert bilden
    \(R_{ges}=\frac{15}{4}\Omega=3{,}75\,\Omega\)
    Dies kann nun in die in Aufgabenteil a erstellte Formel zur Stromstärke eingesetzt werden:
    \(I=\frac {U}{R}=\frac{12\,\text V}{3{,}75\,\Omega}=3{,}2\,\text A\).
    Somit ergibt sich im parallel geschalteten Stromkreis eine Stromstärke von \(3{,}2\,\text A\).
  3. Der Unterschied zwischen den beiden Stromkreisen liegt in der Parallelschaltung. Bei der parallelen Schaltung zweier Bauteile ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste der beiden Teilwiderstände. Durch die lineare Abhängigkeit des ohmschen Gesetzes bei der U-I-Kennlinie führt dies zu einem Anstieg der Stromstärke gegenüber dem einfachen Stromkreis.
  • Schwierigkeitsgrad:  2
  • Zeit:  10 Minuten
  • Punkte:  8

Aufgabe 5

Stromkreise (1) - Abbildung 6
Die Spannung soll schrittweise verändert und dabei die Stromstärke gemessen werden.
  1. Vervollständige die folgende Tabelle. Trage die Punkte in das Diagramm ein und verbinde sie anschließend.
    U in V 1 2 3 4 5 6
    I in A            
  2. Fred und Mariana arbeiten im Labor an ihrem Schaltkreis. Da sie frieren, holen sie sich aus dem Keller eine Wärmelampe und schalten sie neben sich ein. Verändert sich durch die mögliche Wärmezufuhr die U-I-Kennlinie? Falls ja, zeichne sie in die Abbildung mit ein.
  3. Begründe deine Antwort aus Aufgabe b.

Lösung

  1. Die Vervollständigung der Tabelle erfolgt über die Umstellung des ohmschen Gesetzes nach der Stromstärke I
    Dazu kannst du wieder ein Formeldreieck zu Hilfe nehmen: \(\frac{U}{R \cdot I}\) 
    \(U \,\text {in V}\) 1 2 3 4 5 6
    \(I \, \text{in A}\) 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
    Nun können in das vorgegebene Koordinatensystem die errechneten Werte eingetragen und abschließend verbunden werden.
    Stromkreise (1) - Abbildung 7
  2. Stromkreise (1) - Abbildung 8
  3. Durch das Einschalten der Wärmelampe wird der ohmsche Widerstand in der Schaltung langsam erwärmt. Dies führt zu einer Erhöhung des Widerstandswertes und einer Änderung der U-I-Kennlinie.
  • Schwierigkeitsgrad:  3
  • Zeit:  15 Minuten
  • Punkte:  6
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