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1.3.2.3 Was passiert, wenn zu einer Glühlampe eine zweite in Reihe

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1.3.2.3
Was passiert, wenn zu einer Glühlampe
eine zweite in Reihe geschaltet wird?
S
In Stromkreisen lassen sich verschiedene Bauteile in Reihe schalten. Aus den Teilwiderständen lassen
sich Gesamtwiderstand und Gesamtstrom berechnen.
Aufgaben
1. Schalte zu einer Glühlampe eine weitere gleichartige in Reihe und deute die auftretende Erscheinung.
2. Untersuche bei einer Reihenschaltung zweier Widerstände, welche Gesetze für den Gesamtwiderstand und die Gesamtstromstärke im Stromkreis gelten.
Material
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Cobra4 – Wireless Manager
Cobra4 – Wireless-Link
Cobra4 Sensor-Unit Strom / Spannung, ±30 V, ±6 A
Leitungsbaustein, gerade
Leitungsbaustein, winklig
Leitungsbaustein, unterbrochen
Leitungsbaustein, Anschlussbaustein
Leitungsbaustein, gerade mit Buchse
Leitungsbaustein, winklig mit Buchse
Ausschalter
Lampenfassung E 10
Widerstand 50 Ohm
Widerstand 100 Ohm
Verbindungsleitung, 250 mm, 32 A, rot
Verbindungsleitung, 250 mm, 32 A, blau
Verbindungsleitung, 500 mm, 32 A, rot
Verbindungsleitung, 500 mm, 32 A, blau
Glühlampe, 6 V/0,5 A E 10, 10 Stück
Netzgerät 0 … 12 V–, 6 V~, 12 V~
Software measure für Cobra4
12600.00
12601.00
12644.00
05601.01
05601.02
05601.04
05601.10
05601.11
05601.12
05602.01
05604.00
05612.50
05613.10
07360.01
07360.04
07361.01
07361.04
35673.03
13505.93
14550.61
Zusätzlich wird benötigt
1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher
Abb. 1: Versuchsaufbau
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Was passiert, wenn zu einer Glühlampe
eine zweite in Reihe geschaltet wird?
1.3.2.3
Aufbau und Durchführung
1. Glühlampen in Reihe
- Versuch nach Abb. 1 und Schaltplan Abb. 2 Teil a) aufbauen, zuerst eine der
Lampenfassungen mit 6-V-Glühbirne durch einen geraden Leitungsbaustein
ersetzen.
- Die Schaltung an den Gleichstromausgang des Netzgerätes anschließen, das
Netzgerät auf 6 V und 1 A stellen und einschalten.
- Schalter schließen, Lämpchen beobachten.
- Einen geraden Leitungsbaustein durch die zweite Lampenfassung ersetzen.
- Lämpchen beobachten, Netzgerät auf 12 V hochdrehen und Lämpchen weiter
beobachten.
- Schalter ausschalten.
2. Widerstände in Reihe
-
-
Die Lampenfassungen entfernen, statt dessen den 50-Ω-Baustein (R2) und
einen geraden Leitungsbaustein einsetzen.
PC und Betriebssystem Windows starten.
Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken, Softwarepaket measure am PC starten.
Die Cobra4 Sensor-Unit Strom / Spannung, ±30 V, ±6 A auf den Cobra4 Wireless-Link aufstecken und diesen einschalten, der Sensor wird im „Navigator“ angemeldet.
Lade den Versuch (Experiment > Experiment öffnen). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme gestartet.
Die Messwertaufnahme in measure z starten und den Schalter schließen,
Netzgerät noch auf 12 V eingestellt.
Den 50-Ω-Widerstand durch den 100-Ω-Widerstand (R1) ersetzen.
Einen geraden Leitungsbaustein durch den 50-Ω-Widerstand ersetzen (Abb.
2 Teil b))
Abb. 2: Schaltplan
Abb. 3: Messfenster
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Was passiert, wenn zu einer Glühlampe
eine zweite in Reihe geschaltet wird?
1.3.2.3
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Schalter öffnen und die Messung beenden „ , die Messwerte zur weiteren Analyse an das Hauptprogramm measure übertragen.
die Spannung bei den einzelnen und bei zwei paral- Lies mit Hilfe des „Vermessen“-Werkzeuges
lel geschalteten Widerständen ab.
und klicke auf die zur Stromstärke gehörende Kurve im Dia- Wechsele auf das Pfeil-Werkzeug
gramm, so dass die linke y-Achse die Stromstärke anzeigt und lies mit Hilfe des „Vermessen“Werkzeuges
die Stromstärke ab, die sich mit den einzelnen und bei zwei parallel geschalteten
Widerständen ergibt und trage die Ergebnisse in Tabelle 1 ein.
3. Die Stromstärke an verschieden Stellen im Stromkreis
-
-
-
Setze den 100-Ω-Baustein R1 und den 50-Ω-Baustein R2 in die Schaltung, starte die Messwertaufnahme in measure z und schließe den Schalter.
Tausche den unterbrochenen Leitungsbaustein, an den der Stromsensor angeschlossen ist, mit einem andern geraden Leitungsbaustein. Miss auf diese Art den Strom an verschiedenen Stellen im
Stromkreis, z.B. auch zwischen den Widerständen, siehe z.B. Abb. 2 Teil c).
Öffne den Schalter und beende die Messung „ , übertrage die Messwerte zur weiteren Analyse an
das Hauptprogramm measure.
Lies auf die gleiche Art wie beim ersten Diagramm die Spannungen und Stromstärken ab, die sich
ergeben und vergleiche mit dem Messwert für die Reihenschaltung von einem 50-Ω-Widerstand mit
einem 100-Ω-Widerstand.
Beobachtung und Messergebnisse
1. Wie ist die Helligkeit jeder Glühlampe bei zwei Glühlampen in Reihe geschaltet: größer, gleich oder
geringer als die einer einzelnen Glühlampe bei gleicher Spannung?
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2.
Wenn gegenüber der einzelnen Lampe die Spannung verdoppelt wurde, leuchtet in der Reihenschaltung zweier Glühlampen jede Lampe dann heller, gleich hell oder weniger hell als die eine einzelne Glühlampe?
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......................................................................................................................................................................
Tabelle 1: Messergebnisse Stromstärke für in Reihe geschaltete Widerstände
Stromstärke I / A
Spannung U / V
errechneter Widerstand / Ω
R2
R1
R1 und R2 in Reihe, RG
3.
Unterscheiden sich die Messwerte für die Stromstärke an verschiedenen Stellen im Stromkreis bei
einer Reihenschaltung von R1 und R2 ? Wie groß sind sie?
......................................................................................................................................................................
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Was passiert, wenn zu einer Glühlampe
eine zweite in Reihe geschaltet wird?
1.3.2.3
Abb. 3: Beispielmessungen zu 2. und 3.
Auswertung
4. Errechne mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes R = U / I aus den Messwerten aus Tabelle 1 die Widerstände R1 und R2 und den Gesamtwiderstand RG der Reihenschaltung von R1 und R2 auf zwei
gültige Ziffern gerundet und trage sie in die letzte Spalte der Tabelle 1 ein.
5. Welche allgemeine Regel für in Reihe geschaltete Widerstände vermutest Du (in Worten und als
Formel)?
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......................................................................................................................................................................
6.
Strom ist fließende elektrische Ladung. Auf welcher ganz allgemeinen Eigenschaft von elektrischer
Ladung gründet die Beobachtung 3.?
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......................................................................................................................................................................
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Die Stromstärke und der Widerstand
bei der Reihenschaltung
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(Was passiert, wenn zu einer Glühlampe eine zweite in Reihe geschaltet wird?)
Der Versuch soll das Verständnis der Kirchhoffschen Knotenregel vertiefen, die besagt, dass die Summe
aller Ströme durch jeden Knoten eines Schaltkreises wegen der Ladungserhaltung Null ergibt. Wegen ihr
ist der Gesamtstrom überall in einer unverzweigten Schaltung gleich. In diesem Versuch soll außerdem
die Rechenregel für den Ersatzwiderstand von in Reihe geschalteten Widerständen durch Beobachtung
gefunden werden.
Hinweise zu Aufbau und Durchführung
Der Strom durch den Spannungssensor kann in Abb. 2 Teil b) vernachlässigt werden – der Grund dafür
könnte jedoch mit den Schülern diskutiert werden.
Beobachtung und Messergebnisse
1. Die zwei Glühlampen in Reihe geschaltet leuchten deutlich weniger hell als die einzelne Glühlampe
bei gleicher Spannung, beide leuchten jedoch gleich stark.
2. Die zwei Glühlampen in der Reihenschaltung bei doppelter Spannung leuchten beide gleich hell und
auch gleich hell wie die einzelne Lampe.
Tabelle 1: Messergebnisse Stromstärke für in Reihe geschaltete Widerstände
3.
Stromstärke I / A
Spannung U / V
errechneter Widerstand / Ω
R2
0,25
12,1
48
R1
0,13
12,2
94
R1 und R2 in Reihe, RG
0,08
12,2
153
Die Messwerte für die Stromstärke an verschiedenen Stellen im Stromkreis bei einer Reihenschaltung von R1 und R2 sind alle gleich groß und betragen alle 0,08 A.
Auswertung
4. Siehe Tabelle 1.
5. Der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung ist gleich der Summe der Einzelwiderstände,
RG = R1 + R2
6. Elektrische Ladung ist eine Erhaltungsgröße, sie kann nicht erzeugt oder vernichtet werden, ihre
Gesamtsumme ist konstant. Deshalb kann in einem Stromkreis kein Strom irgendwo verschwinden.
Im unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke überall gleich hoch.
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Die Stromstärke und der Widerstand
bei der Reihenschaltung
1.3.2.3
Raum für Notizen
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