E2 Leiter und Isolatoren - Strom, Spannung, Widerstand

E2 Leiter und Isolatoren - Strom, Spannung, Widerstand
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Physikdidaktische Artikel:
• Reinders Duit: "Spannung als Kenngröße für Quellen und Verbraucher", Naturwissenschaft im Unterricht
36 (1998) Nr. 31, S. 20 ff
• Eduard Marhenke: "Metalldrähte schmelzen durch Abkühlung", Unterricht Physik (8) 1997 Nr. 40, S.6ff
• Christoph von Rhöneck, Hans Niedderer (2006): Schülervorstellungen und ihre Bedeutung beim
Physiklernen (Kapitel 2.1.1 und 2.1.2) In: Helmut Mikelskis (Hrsg.): Physikdidaktik. Cornelsen Verlag
Scriptor GmbH: Berlin, S.52-56
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Physikalisches Thema: Grundbegriffe des elektrischen Stromkreises: Spannung, Stromstärke, Widerstand,
elektrische Leistung und ihre Messung;
Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Material und Umgebungsvariablen
(Temperatur, Beleuchtung)
Innenwiderstand von Batterien
Physikdidaktisches Thema: Experimentelle Veranschaulichung der Temperaturabhängigkeit von Widerständen
Schülervorstellungen zur Elektrizitätslehre
Material: Widerstandsdraht verschiedener Materialien, LDR, diverse Widerstände, Isolierklemmen, 6V-
Flachbatterie, Spannungswürfel, Lämpchen mit verschiedenen Kennzahlen (6V/30W ... 6V/0,5A, Kerze
(Teelicht), Ampèremeter und Schalte, Becherglasr
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Geben Sie in allen Versuchsteilen am Spannungswürfel keine Spannungen größer als 6V vor!
1. Ohmsche Leiter
Bauen Sie einen Reihenstromkreis aus Spannungswürfel, Eisendraht der Länge l=0,5m und Ampèremeter auf.
Der Widerstandsdraht wird hierzu zwischen zwei Isolierklemmen eingespannt. Untersuchen Sie in einem
Experiment, ob es sinnvoll ist, einen Eisendraht der Länge l=0,5 m als ohmschen Leiter zu betrachten.
2. Materialabhängigkeit des Widerstandes
Bauen Sie einen Reihenstromkreis aus Spannungswürfel, Widerstandsdraht und Ampèremeter auf. Der
Widerstandsdraht wird hierzu zwischen zwei Isolierklemmen eingespannt. Messen und berechnen Sie nun den
spezifischen Widerstand für verschiedenen Drähte.
3. Temperaturabhängigkeit
Wickeln Sie ein Stück Draht zu einer Wendel. Messen Sie den Widerstand des Drahtes mehrfach, während er
mit einer Kerzenflamme erhitzt wird. Lässt sich eine effektive Beobachtung machen?
4. LDR-Elemente
Bauen Sie aus dem mit LDR bezeichneten Element, einem Kohleschichtwiderstand und einem Lämpchen einen
Reihenstromkreis. Beleuchten Sie das LDR-Element und beobachten Sie die Helligkeit der Lampe. Tauschen Sie
das Lämpchen gegen das Ampèremeter aus und betrachten Sie qualitativ die Abhängigkeit zwischen
Beleuchtung des LDR-Elements und der Stromstärke.
Aufgabe zum Protokoll:
Um Schülern den Zugang zu grundlegenden Begriffen und Gesetzmäßigkeiten der Elektrizitätslehre,
insbesondere dem Spannungsbegriff, zu erleichtern, wurden von Physikdidaktikern verschiedene Konzepte
entwickelt. Die bekanntesten dieser Konzepte elementarisieren Teilbereiche der Elektrizitätslehre, insbesondere
zum Thema „Stromkreise und ihre Gesetzmäßigkeiten“, durch Analogiebildung. (Exemplarisch zu nennen sind
hier das Wassermodell und die Gravitationsanalogie.)

Eine ehemalige Kollegin hat die Wasseranalogie und die Gravitationsanalogie zum elektrischen Stromkreis wie
folgt kombiniert, um ihren Schülern die Leitungseigenschaften eines ohmschen Widerstandes inklusive einer
Vermessung des durch ihn fließenden Stromes sowie der zwischen seinen Enden abfallenden Spannung nahe zu
bringen. Die Analogiebildung nimmt sie anhand folgender Zeichnung vor:
Am unteren Rohrende im Wasserfluss
angebrachte Sonde zur Messung des
Wasservolumendurchsatzes pro Sekunde
∆V/s
Wasserbassin
auf der Höhe h1 Wasserrohr Ohmscher Leiter (Widerstand)
Querschnittsfläche A der Querschnittsfläche A
und der Länge l und der Länge l
Gleich-
Metermaßstab Wasserbassin auf der Höhe h2
Spannung Uo
A
Ampèremeter Voltmeter
a) Führen Sie die Analogiebildung in Worten aus. Orientieren Sie sich bei Ihrer Ausführungen an dem Schema,
das Kircher, Girwidz und Häußler für die konkrete Analogiebildung aufgestellt haben (exemplarisch vorgestellt
für das Beispiel der Wasseranalogie).
b) Welche Schwierigkeiten sehen Sie in Hinblick auf die vorgenommene Analogiebildung. Orientieren Sie sich
auch hier in Ihrer Antwort (zunächst) an den Schwierigkeiten, die nach Kircher, Girwidz und Häußler (siehe zu
entsprechende Literturempfehlung zu E3) im Zusammenhang mit der Analogiebildung allgemein auftreten
(können). Ergänzen Sie diesen Schwierigkeitskatalog, soweit Sie es in Hinblick auf das gegebene Beispiel für
nötig halten!
5. Schmelzen Metalldrähte bei Abkühlung?
Erproben Sie den Versuch "Metalldrähte schmelzen durch Abkühlung", den Eduard Marhenke in der
Zeitschrift Unterricht Physik (8) 1997 Nr. 40, S.6ff vorgestellt hat, auf seine Praktikabilität. Vollziehen Sie die
vom Autor gegebene Erklärung nach und geben Sie eine Erläuterung in eigenen Worten.
Überlegen Sie sich, an welcher Stelle einer Unterrichtseinheit zum Thema "Strom und Stromkreise" bzw. "Strom
und Gesetze" 1 Sie den Versuch in welcher Form (Schülerexperiment/Lehrerexperiment;
Demonstrationsexperiment im darlegenden Unterricht/Experiment im frei-forschenden oder gelenktentdeckenden
Unterricht) einsetzen würden.
Welche physikalischen Kenntnisse sollten die Schülerinnen und Schülern mitbringen bzw. welche Kenntnisse
können anhand des Versuches vermittelt werden?
Welche im Bereich der Elektrizitätslehre typischen Schülervorstellungen sollten Sie bei der Behandlung des
Versuchs berücksichtigen?
6. Spannungen als Kenngröße für Quellen und Verbraucher
Bauen Sie einen Reihenstromkreis aus Batterie, einem der Lämpchen (mit zur Batterie passender
Spannungskennzahl und möglichst großer Stromstärke- bzw. Leistungskennzahl) und Ampèremeter auf. Messen
Sie die Stärke des Stromflusses durch das Lämpchen und sowie die an ihm abfallende Spannung für
verschiedene Leistungs- bzw. Stromstärkekennzahlen. Wiederholen Sie die Messung je Lämpchen mit einem
Spannungswürfel anstelle der Batterie als Spannungsquelle. Vergleichen Sie Ihre Messwerte für die am
1
Im aktuellen Lehrplan Physik für den Bildungsgang Realschule vorgesehene Inhaltsfelder für Behandlung des
Themas Elektrizitätslehre in der 8. Klasse.
V

Lämpchen abfallende Spannung und die Stromstärke im Stromkreis mit den Kennzahlen auf der
Lämpchenfassung. Wie erklären Sie Abweichungen zwischen Ihren Messergebnissen und den Kennzahlen auf
den Lämpchen bzw. der Batterie?
Hinweis: Keine der beigegebenen Lampen ist defekt, auch wenn Sie wider Erwarten nicht leuchten sollte.
Messen Sie in jedem Fall Strom und Spannung.
Aufgabe zum Protokoll:
Was sollten Ihre Schüler zum Thema "Spannung als Kenngröße für Quellen und Verbrauchern" wissen, was zum
Thema "Stromstärke- und Leistungskennzahlen" auf Quellen und Verbrauchern.
7. Detektion von Spannungspolen mit der Glimmlampe
Schließen Sie eine Glimmlampe zunächst an 100V Gleichspannung an. Vertauschen Sie anschließend die Pole.
Schließen Sie die Glimmlampe danach an Netzspannung an. Benutzen Sie dazu den Zwischenschalter.
Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen!
8. Messbereichserweiterung von Ampèremetern und Voltmetern
Im Versuchsteil 7 haben Sie mit vergleichsweise hohen (im Schulunterricht gemeinhin ungewöhnlichen, weil für
den Menschen auch im Gleichspannungsfall nicht ungefährlichen) Spannungen gearbeitet. Nicht immer steht ein
Voltmeter zur Verfügung, mit dem man entsprechend große Spannungen messen kann. Das gleiche gilt für das
Messen hoher Ströme. Wissen Sie sich zu helfen, wenn die Sammlung Ihrer Schule in dieser Hinsicht einmal
ungenügend ausgestattet ist?
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Einschub : Der Messbereich bei Ampèremetern und Voltmetern
Jedes Ampèremeter hat aufgrund seiner Konstruktion einen ganz bestimmten Meßbereich. Wir betrachten als Beispiel ein Amperemeter mit
dem inneren Widerstand R i . Es möge einen Meßbereich von 10mA besitzen und so kalibriert sein, daß einem Skalenteil 1mA entspricht.
Wenn man einen über 10mA hinausgehenden Strom durch das Meßgerät schickt, so bewirkt dieser eine Erhitzung oder sogar ein
Durchschmelzen der Spule; in jedem Fall wird das Gerät beschädigt.
Trotzdem kann man aber mit diesem Gerät unter Ausnutzung des 2. Kirchhoffschen Gesetzes (Knotenregel) derartige Ströme messen. Wenn
man etwa den Messbereich auf 100mA erweitern will, so muß man dafür sorgen, daß nur ein bestimmter Bruchteil des Gesamtstromes durch
das Meßgerät geht. Dies wird erreicht, indem man parallel zum Amperemeter einen Widerstand R x von solcher Größe schaltet, daß 1/10
des Gesamtstroms durch das Meßgerät und 9/10 durch den Widerstand R x fließen. Beachtet man, daß der innere Widerstand des
Amperemeters R i beträgt, so muß nach dem 2. Kirchhoffschen Gesetz die Beziehung Rx/Ri=(1/10 *I )/ (9/10* I) gelten, d.h., es muß sein
R x = 1/9 R i .
Für die Erweiterung des Messbereichs bei Amperemetern gilt allgemein:
Man kann den Meßbereich eines Amperemeters mit dem Inneren Widerstand R i dadurch auf das 10-, 100- und 1000fache erweitern,
indem man einen Zweigwiderstand (Shunt) von
1
R i ,
9
1
R i und
99
1
R i parallel zum Amperemeter schaltet.
999
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Für die Erweiterung des Messbereichs bei Voltmetern gilt allgemein:
Man kann den Meßbereich eines Voltmeters mit dem Innenwiderstand R i dadurch auf das 10-, 100-, und 1000fache erweitern, indem
man einen Vorwiderstand von 9 R i , 99 R i und 999 R i in Reihe mit dem Voltmeter schaltet.
zum Protokoll: Begründen Sie diese Regel!
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Geeignete Nebenschluß- oder Vorwiderstände werden von der Industrie zu den Meßinstrumenten geliefert und brauchen nur ausgewechselt
werden. In modernen Meßinstrumenten sind diese Widerstände fest eingebaut und können durch einen Schalter hinzugeschaltet werden.
Abb.1 Erweiterung des Meßbereichs beim Ampèremeter
(schematische Darstellung, "R" bezeichnet den Shunt!
Verwenden Sie eines der klassischen
Kombimessgeräte („kleine schwarze Kästen“) als
Ampèremeter. Schalten Sie es zunächst über die
normalen Eingangsbuchsen in Reihe mit dem rot
gekennzeichneten Widerstand und einem
Spannungswürfel. Geben Sie dabei eine externe
Spannung von Uo= 10 V vor.
Ermitteln Sie nun, welchen Widerstand Sie wie (in
welcher Art der Schaltung) zu den
Meßwerkseingangsbuchsen schalten müssten, um
das Meßwerk im gegebenen Fall (für den
gegebenen Widerstand und die genannte externe
Spannung Uo) zur Strommessung zu nutzen, ohne
es zu beschädigen. (Das Meßwerk darf maximal
von einem Strom der Stärke von 1 mA durchflossen
Abb.2 Erweiterung des Meßbereichs beim Voltmeter
(schematische Darstellung)
werden). Wählen Sie auf Grundlage Ihrer
theoretischen Überlegungen aus den gegebenen
Widerständen einen Widerstand zur schadfreien
externen Erweiterung ein. Nehmen Sie die externe
Erweiterung vor. Führen Sie nun eine
Strommessung durch. (Bitte zur Überprüfung
zunächst einen Betreuer rufen.
Entspricht die an der Skala des Meßwerks abgelesene Größe Ihren Erwartungen für die von Ihnen
vorgenommene Meßbereichserweiterung?
Dokumentieren Sie Ihre Arbeit mit entsprechenden Messwerten.
Rs