N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 01 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Bis jetzt war der Stromkreislauf immer sehr eindeutig. Der Strom floss vom Plus zum Minus und nur der Leiter mit der Spannung (die sogenannte Phase) ist für den Menschen gefährlich. Die Bahnschienen, die ebenfalls Teil des Stromkreises von der Eisenbahn sind, sind ohne Spannung und deshalb für den Menschen ungefährlich. Diesen Strom nennt man Gleichstrom (im Englischen DC). Übliches Symbol für Geräte, die Gleichstrom brauchen oder diesen produzieren ist das abgebildete rechts. Nur die Solarzelle und Akkus liefern Gleichstrom. Alle anderen stromerzeugenden Geräte, wie Turbinen, Dynamos, Windräder und so weiter liefern den so genannten Wechselstrom (im Englischen AC). Beim Wechselstrom ändert der Pluspol und der Minuspol ständig, und zwar in praktisch allen europäischen Ländern 50 Mal pro Sekunde (50 Hz). Das Symbol für den Wechselstrom ist eine Wellenlinie wie rechts abgebildet. Der Strom aus der Steckdose, wie wir sie in der Schweiz haben, ist 220 V bis 230 V Wechselstrom mit 50 Hz (gilt auch für D, A, F, I, GB usw.). Aus diesem Grund sind bei den Steckdosen zwei Pole mit Spannung und deshalb auch gefährlich. In den USA haben die Steckdosen 110 V mit 60 Hz. Geräte brauchen je nach Typ entweder Gleich- oder Wechselstrom, manche funktionieren mit beiden. Es ist möglich. Wechsel- in Gleichstrom umzuwandeln (einfach) aber auch Gleich- in Wechselstrom (komplizierter).

Aufgabe 1:

a)

Die Abbildung links zeigt einen Adapter für einen Laptop (Die LP hat ihn. Er wurde hergestellt in China, lokalisiert für Schweden, eingesetzt in der Schweiz). Dieser Adapter verändert den Strom. Der Strom, der in den Adapter kommt (INPUT) ist nicht gleich dem Strom, der den Adapter verlässt (OUTPUT). Auch wenn nicht alles lesbar ist, hat man alle wichtigen Informationen. Kann der Adapter am Schweizer Stromnetz (220V, Wechselstrom, 50 Hz) angeschlossen werden?

________________________________________________________________________ b) Kann der Adapter am Amerikanischen Stromnetz (110 V, Wechselstrom, 60 Hz) angeschlossen werden? ________________________________________________________________________ c) Welchen Stromtyp (Gleich- oder Wechselstrom) mit welcher Spannung braucht der Laptop? ________________________________________________________________________ d) Welchen Innenwiderstand wird der daran angeschlossene Laptop haben? ________________________________________________________________________ e) Der Stecker des Laptops ist ein so genannter Rundstecker. Ein Leiter ist aussen rundherum, einer im inneren. Welcher ist der Plus-Leiter? (Ein Symbol auf dem Adapter erklärt es.) ___________________________________________________________

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7 Elektronik (Schaltungen)

01

Aufgabe 2: Suche zu Hause nach Adaptern oder Geräten und schaue bei mindestens drei von ihnen folgende Dinge nach: a) Sind sie für das amerikanische Netz geeignet? b) Braucht das daran angeschlossene Gerät Gleich- oder Wechselstrom? c) Welche Spannung benötigt das angeschlossene Gerät? 1. Gerät: ___________________________

2. Gerät: ___________________________

a)

a)

b)

b)

c)

c)

3. Gerät: ___________________________

4. Gerät: ___________________________

a)

a)

b)

b)

c)

c)

Der Sinn von Gleichstrom ist schnell erkennbar: Nur ein Pol ist gefährlich, der Strom ist gut kontrollierbar, speichern (in Akku(mulatoren)) kann man den Strom nur als Gleichstrom. Berührungen des Menschen mit Gleichstrom geben einen Schlag und ermöglichen dem Menschen loszulassen. Welchen Sinn hat also der Wechselstrom? Er ist gefährlicher und das nicht nur, weil man hohe Wechselströme nicht mehr loslassen kann. Er braucht zwei geschützte Leiter und muss oft wieder zurück in Gleichstrom umgewandelt werden. Es gibt jedoch drei wichtige Gründe für den Wechselstrom. 1. Alle grossen Kraftwerke (Wasserkraftwerke, Kernkraftwerke und auch Windkraftwerke) erzeugen Wechselstrom. 2. Wechselstrom lässt sich mit weniger Verlust über grosse Distanzen transportieren. 3. Wechselstromspannungen lassen sich leichter erhöhen oder senken. Es haben somit alle Hochspannungsleitungen Wechselstrom. Auch Wechselstrom muss zwei Leiter haben, damit Strom fliessen kann. Es wechselt dabei sehr schnell ab, welcher der beiden Seiten das Plus ist und welcher Minus, aber es muss immer beide geben.

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 02 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Aufgabe 1: Baue folgende Schaltungen und berechne den Gesamtwiderstand: Denke daran, dass du den Gesamtwiderstand über die Spannung und den gemessenen Strom bestimmen kannst.  a) I = __________ / RTotal = __________ 330 Ω

100 Ω

 b) I = __________ / RTotal = __________

15 kΩ

10 kΩ

10 kΩ

3 kΩ

 c) I = __________ / RTotal = __________ 44 Ω

330 Ω

100 Ω

100 Ω

 d) I = __________ / RTotal = __________

44 Ω

15 kΩ

10 kΩ

3 kΩ

e) I = __________ / RTotal = __________

f) I = __________ / RTotal = __________

g) I = __________ / RTotal = __________

h) I = __________ / RTotal = __________

330 Ω

3 kΩ

100 Ω

10 kΩ

330 Ω

3 kΩ

Aufgabe 2: Gibt es eine Regel für diese Art Schaltung aus Aufgabe 1? Man nennt es eine Serieschaltung, wenn mehrere Widerstände aneinander gehängt werden. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

Aufgabe 3: Man kann auch gut Glühbirnen in Serie schalten. Was geschieht, wenn eine der Glühbirnen kaputt geht, also der Draht reisst? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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02

Aufgabe 4: I) a)

Die angelegte Spannung beträgt 12 V. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ____________________

b)

Den gemessenen Strom: ____________________

II) a)

Die angelegte Spannung beträgt 220 V. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ____________________

b)

Den gemessenen Strom: ____________________

III) a)

Der gemessene Strom beträgt 240 mA. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ____________________

b)

Die angelegte Spannung: ____________________

IV) a)

Der gemessene Strom beträgt 4,5 A. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ____________________

b) V) a)

VI) a)

120 Ω

150 Ω

210 Ω

10 kΩ

3 kΩ

800 Ω

300 Ω

145 Ω

470 Ω

Die angelegte Spannung: ____________________

300 Ω

1,2 kΩ

1,5 kΩ

Die angelegte Spannung beträgt 220 V, der Strom wird auf 2 A gemessen. Berechne den Widerstandswert des fehlenden Widerstandes: ___________________________

30 Ω

R

47 Ω

Die angelegte Spannung beträgt 12 V, der Strom wird auf 15 mA gemessen. Berechne den Widerstandswert des fehlenden Widerstandes: ___________________________

R

100 Ω

470 Ω

VII) In einer Lichterkette hängen 50 kleine Lämpchen in Serie aneinander. Jedes Lämpchen hat einen Widerstand von 20 Ω. Welche Spannung muss angelegt werden, wenn die Lämpchen zum Leuchten mindestens einen Strom von 45 mA benötigen? ________________________________________________________________________ VIII) An 220 V werden 10 gleiche Widerstände angehängt. Der Stromfluss wird mit 440 mA gemessen. Wie gross ist einer dieser Widerstände? ________________________________________________________________________

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 03 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Aufgabe 1: Baue folgende Schaltungen und berechne den Gesamtwiderstand: Denke daran, dass du den Gesamtwiderstand über die Spannung und den gemessenen Strom bestimmen kannst. a) I = ____________ RTotal = ________

b) I = ____________ 330 Ω

RTotal = ________

100 Ω c) I = ____________ RTotal = ________

15 kΩ d) I = ____________

44 Ω

RTotal = ________

100 Ω

e) I = ____________

f) I = ____________ 44 Ω

10 kΩ RTotal = ________

100 Ω

g) I = ____________

3 kΩ 15 kΩ

h) I = ____________ 330 Ω

RTotal = ________

10 kΩ 3 kΩ

330 Ω RTotal = ________

10 kΩ

3 kΩ 100 Ω

10 kΩ RTotal = ________

330 Ω 3 kΩ

Aufgabe 2: Gibt es eine Regel für diese Art Schaltung aus Aufgabe 1? Man nennt es eine Parallelschaltung, wenn mehrere Widerstände nebeneinander gehängt werden. ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

Aufgabe 3: Man kann auch gut Glühbirnen parallel schalten. Was geschieht, wenn eine der Glühbirnen kaputt geht, also der Draht reisst? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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03

Aufgabe 4: I) a)

Die angelegte Spannung beträgt 12 V. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ______________________________

120 Ω

b)

Den gemessenen Strom: ______________________________

150 Ω 210 Ω

II) a)

Die angelegte Spannung beträgt 220 V. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ______________________________

b)

Den gemessenen Strom: ______________________________

10 kΩ 3 kΩ 800 Ω III) a)

Der gemessene Strom beträgt 240 mA. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ______________________________

300 Ω

b)

Die angelegte Spannung: ______________________________

145 Ω

a)

470 Ω Der gemessene Strom beträgt 1,06 A. Berechne: Den Gesamtwiderstand: ______________________________

b)

Die angelegte Spannung: ______________________________

IV) 300 Ω 1,2 kΩ 1,5 kΩ V) a)

Die angelegte Spannung beträgt 220 V, der Strom wird auf 14 A gemessen. Berechne den Widerstandwert des fehlenden Widerstandes:

30 Ω

__________________________________________________

47 Ω

VI) R a)

R Die angelegte Spannung beträgt 12 V, der Strom wird auf 250 mA gemessen. Berechne den Widerstandwert des fehlenden Widerstandes:

100 Ω __________________________________________________ 140 Ω VII) In einer Lichterkette sind 50 kleine Lämpchen in parallel geschaltet. Jedes Lämpchen hat einen Widerstand von 200 Ω. Welche Spannung muss angelegt werden, wenn die Lämpchen zum Leuchten mindestens einen Strom von 4,5 A benötigen? ________________________________________________________________________ VIII) An 220 V werden 10 gleiche Widerstände parallel angehängt. Der Stromfluss wird mit 440 mA gemessen. Wie gross ist einer dieser Widerstände? ________________________________________________________________________

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 04 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Der Gesamtwiderstand ist: RTotal  R1  R2  R3  ...  Rn 1 1 1 1 1     ...  RTotal R1 R2 R3 Rn

bei serieller Anordnung und bei paralleler Anordnung.

Die Spannung der Quelle ändert sich im Normalfall nicht. Sie bleibt konstant. Allerdings ist sie nicht für alle Widerstände gleich. Bei parallelen Widerständen haben alle Widerstände die gleiche Spannung. Es ist jeweils die Spannung der Quelle. Es gilt darum: U U U U    ...  I Total  I 1  I 2  I 3  ...  I n weil I Total  . R1 R2 R3 Rn Bei seriellen Widerständen ist die Spannung entsprechend dem Widerstand. Das liegt daran, dass die Spannung über alle Widerstände verteilt wird. Zudem kann der Strom im Verlauf eines Leiters nicht plötzlich ändern. Es gilt hier: U I Total  I 1  I 2  I 3  ...  I n sowie I Total  R1  R2  R3  ...  Rn Mit dem Taschenrechner tippt man: [Wert R1] [1/x] [+] [Wert R2] [1/x] [+] ... [Wert Rn] [1/x] [=] [1/x] [=]

Aufgabe 1: a)

Wenn man den Strom mit einem Amperemeter bestimmen möchte, muss dieser seriell oder parallel in den Stromkreis kommen? Erkläre.

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ b)

Wenn man die Spannung mit einem Voltmeter bestimmen möchte, muss dieser seriell oder parallel in den Stromkreis kommen? Erkläre.

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

Aufgabe 2: Wenn an einer Steckdose mehrere Geräte angesteckt werden, sind diese dann parallel oder seriell am Stromkreis. Aus welchem Grund müssen sie so geschaltet sein? Wo liegt das Problem einer solchen Schaltung? ________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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7 Elektronik (Schaltungen)

04

Bestimme bei folgenden Schaltungen jeweils den Gesamtwiderstand und die gesuchten Stromwerte: U = 12 V I1

120 Ω

80 Ω

100 Ω

I2

50 Ω

Bei solchen Aufgaben rechnet man von innen nach aussen: Als erstes sieht man die Serieschaltung der beiden Widerstände 120 Ω und 80 Ω. Sie geben zusammen 200 Ω. Danach sind diese 200 Ω parallel zu den 50 Ω. Ausgerechnet bekommt man 40 Ω. Nun ist das Paket mit 40 Ω wieder in Serie zu den 100 Ω. Das gibt zusammen 140 Ω. Der Strom I1 ist also nun 12 V geteilt durch 140 Ω gleich ungefähr 86 mA. Für Profis (kein Prüfungsstoff): Möchte man den Strom I2 bestimmen, muss man die Aufteilung bestimmen: Durch den ersten Widerstand fliesst noch aller Strom, dann wird der Strom aufgeteilt, und zwar im reziproken Verhältnis. Der Strom durch die 50 Ω ist also 4mal grösser als derjenige durch die 120 Ω und die 80 Ω. Also ist I2 ungefähr 69 mA (Vier Fünftel von I1).

Aufgabe 3: a)

Bestimme bei folgenden Schaltungen jeweils den Gesamtwiderstand und die gesuchten Stromwerte: U = 12 V R = _________________ I1

60 Ω

120 Ω

80 Ω

I2

250 Ω b)

I1 = _________________ I2 = _________________

Bestimme bei folgenden Schaltungen jeweils den Gesamtwiderstand und die gesuchten Stromwerte: U = 220 V R = _________________ I1

120 Ω 80 Ω

I2

60 Ω

I2 = _________________

200 Ω c)

I1 = _________________

Bestimme bei folgenden Schaltungen jeweils den Gesamtwiderstand und die gesuchten Stromwerte: U=9V I1

R = _________________ 200 Ω

120 Ω

80 Ω

60 Ω

I2

I1 = _________________ I2 = _________________

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 05 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Mit Strom kann Licht erzeugt werden und das auf ganz verschiedene Arten: - Glühbirnen - Halogenlampen - Fluoreszenzlampen - Leuchtdioden (LED) und noch weitere Typen. Die Funktionsweise der verschiedenen Lichterzeuger soll nun im Detail betrachtet werden: Wenn hohe Ströme durch einen dünnen Draht mit viel Widerstand geleitet werden, dann erwärmt sich dieser Draht. Mit steigendem Strom und längerer Dauer wird dieser Draht immer heisser. Bei sehr hohen Temperaturen beginnt der Draht schliesslich zu glühen. Dabei gibt er Licht ab. Je dünner der Draht und je höher der Widerstand des Metalls, desto stärker und damit heller wird das Glühen. Dieses Prinzip wird in der Glühbirne bzw. Glühlampe angewendet. Diese hohen Temperaturen, die Oxydation beim Glühen und der Wechsel von Strom und nicht-Strom (Ein- und Ausschalten) hält kein Stoff auf längere Zeit aus. Es gibt jedoch Möglichkeiten, wie man die Lebensdauer der Glühdrähte erhöhen kann: 1. Stoffe, die hohe Temperaturen aushalten: Kohlenstoff (> 4000° C) Platin (1770° C) Tantal (2800° C) Wolfram (3400° C)  Standard in Glühbirnen 2. Verhinderung der Oxidation: Abpumpen von Sauerstoff: Vakuum Ersetzen des Sauerstoffs: Stickstoff, Neon, Krypton, Argon

Aufgabe 1: Beschrifte die Einzelteile der Glühbirne: Einsetzen musst du die Worte: Fassung, Gewinde, Glaskolben, Glühwendel, Isolation, Kontakt, Kontaktdraht, Kontaktdraht

________________ ________________

1)

________________ 2) ________________

________________

1) __________________

2) __________________

3)

3) __________________

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7 Elektronik (Schaltungen)

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Aufgabe 2: Das Kernstück der Glühbirne ist der Glühwendel. Es ist ein rund 80 cm langer Wolframdraht mit 0,024 mm Durchmesser, der rund 3500 Primärwicklungen und rund 150 Sekundärwicklungen hat. So aufgewickelt ist er noch rund 2,5 cm lang. Skizziere einen einfachen Wendel (Primärwicklung)

Skizziere einen Doppelwendel (Primär- und Sekundärwicklung)

Praktisch den gleichen Aufbau wie Glühbirnen haben so genannte Halogenlampen. Der grosse Unterschied besteht darin, dass es im Glaskörper noch einen weiteren Glaskörper hat. Dieser Glaskörper ist mit einem Halogen (meist Brom oder Iod) gefüllt und hat den Effekt, dass die Glühbirne mit weniger Strom die gleich grosse Leuchtkraft erreicht und die rund doppelte Lebensdauer hat. Die Stromersparnis ist rund 30 %, was im Vergleich zu Energiesparlampen sehr klein ist.

Normale Glühbirne / Halogenglühbirne Noch nicht allzu lange ebenfalls im Angebot sind Leuchtdioden. (Licht emittierende Diode = LED). Sie wurden schon lange als kleine Lichtlein bei elektronischen Geräten verwendet, aber erst in jüngster Zeit sind sie auch dabei, den Glühbirnenmarkt zu erobern. LED haben die gleichen Vorteile wie normale Glühbirnen und Halogenlampen: Sie geben sofort Licht, sind dimmbar und ermöglichen „warmes“ Licht. Die Energieersparnis von LED liegt bei knapp 90 %, die Lebensdauer ist mehr als das 10-fache. Verantwortlich für das Licht in einer LED ist der Stromdurchfluss durch einen Halbleiterkristall aus Galliumarsenid. Wenn Elektronen durch den Kristall fliessen, leuchtet er auf. Einziger Nachteil der LED ist, dass sie nur bei richtig gepoltem Gleichstrom brennen, während andere Glühbirnen sowohl bei Gleich- wie auch bei Wechselstrom brennen.

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 06 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Eine sehr grosse Stromersparnis haben die Fluoreszenzlampen, oft auch Leuchtstoffoder (Strom)sparlampen genannt. Sie brauchen gut 80 % weniger Strom und haben eine rund 10-fache Lebensdauer im Vergleich zu normalen Glühbirnen. Hauptgrund für die Stromersparnis ist die Tatsache, dass Fluoreszenzlampen nie so hohe Betriebstemperaturen haben wie normale Glühbirnen. Die Funktionsweise einer solchen Lampe ist kompliziert: Das Innere der Lampe ist mit einem Gas (meist Argon und oft auch Quecksilber) gefüllt. Der manchmal gebrauchte Begriff Neonröhren ist falsch, da diese Lampen nie Neon enthalten. Das Gas im Innern der Lampe leitet sehr schlecht. Wenn eine Spannung angelegt wird, fliesst durch das Gas kein Strom. Sie würde nicht leuchten. Damit sie aber irgendwann leuchtet, fliesst Strom durch den Starter, damit der Stromkreis geschlossen ist. Nach einer gewissen Zeit beginnen an den Elektroden Elektronen in das Gas der Leuchtstofflampe überzutreten. Diese sorgen für den ersten Stromfluss. Ist dieser vorhanden, schaltet der Starter ab, so dass aller Strom durch das Gas fliesst und dieses zum Leuchten bringt. Der Strom durch das Gas darf weder zu hoch noch zu tief sein, aus diesem Grund haben Stromsparlampen immer eine Drossel, die diesen Strom reguliert. Zudem müssen Fluoreszenzlampen zwingend Wechselstrom haben, idealerweise mit hohen Hertzzahlen. Geringe Hertzzahlen führen zum Flimmern der Leuchtstofflampen, aus diesem Grund haben moderne Lampen Vorschaltgeräte, die die Frequenz auf bis zu 50‘000 Hertz erhöhen (das Wechselstromnetz hat 50 Hz). Je nach Aufbau der Lampe ist der gasgefüllt Leuchtkörper gerade, einfach gebogen oder sogar gewunden. Auf die Funktionsweise hat dies keinen Einfluss. Durch das Startersystem haben Fluoreszenzlampen den bekannten Nachteil, dass sie eine Zeit brauchen, bis sie überhaupt brennen und dann noch mehr Zeit brauchen, bis sie die maximale Helligkeit erreichen. Gerade bei Lampen, die viel und lange brennen (wie zum Beispiel in diesem Schulzimmer) rentieren aber solche Lampen durch ihren deutlich geringeren Stromverbrauch.

Leuchtstoff- oder Fluoreszenzlampen in verschiedenen Ausführungsformen. Moderne Stromsparlampen kommen auch ohne das Quecksilber aus, das die Eigenschaft hat, das unangenhme Lichtspektrum des Gases in ein angenehmes zu verwandeln.

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Aufgabe 1: Setze die richtigen Kreuzchen (es sind 11): 100 % 70 % Strom Strom normale Glühbirne Halogenglühbirne Leuchtdiode Fluoreszenzlampe

15 % Strom

Wechselstrom

Gleichstrom

Startverzögerung

Um zu verstehen, warum Metalle gute Stromleiter sind, warum sich elektrische Leiter erwärmen und wie manche Leiter sogar Licht abgeben können, muss man zurück zum Schalenaufbau der Atome und den Atomgittern gehen:

Ein taugliches Erklärungsmodell für viele der Vorgänge ist folgendes: Während viele Kunsstoffe komplizierte Strukturen haben (als Beispiel PET, links), haben Metalle klar angeordnete Gitter (rechts). Die Elektronen, die bei Strom fliessen, haben bei solchen Gittern eine nahezu unversperrte Bahn zwischen den Atomkernen und können schnell und störungsfrei fliessen, während bei Isolatoren ständig Atomkerne im Weg stehen können. Als weiterer Effekt kommt hinzu, dass die Metalle Elektronen abgeben möchten und so selbst durch Elektronenaustausch noch indirekt zum Strom beitragen. Wenn ein Elektron bei seiner hohen Geschwindigkeit in einen Kern „prallt“. Beginnt dieser zu zittern. Dieses Zittern von Atomkernen entspricht der Wärme. Je mehr die Kerne zittern, desto wärmer ist ein Stoff, da die zitternden Kerne auch benachbarte Kerne „anstecken“. In Metallen, bei denen alle Kerne in einer Reihe stehen, geht dieses anstecken viel besser und schneller als in Kunststoffen. Aus diesem Grund leiten Metalle nicht nur Strom, sondern auch Wärme besser. Die zitternden Kerne haben auch den Effekt, dass Metall, wenn es wärmer wird, weniger gut den Strom leitet: Durch die zitternden Atomkerne werden diese öfters getroffen und blockieren damit den Strom leicht. Der Lichteffekt, den es teilweise noch gibt, hat mit den Elektronen zu tun, die in Schalen um den Kern kreisen. Durch einen Zusammenstoss mit einem freien Elektron (Strom) oder auch aus anderen Gründen kann ein Elektron in eine weiter aussen liegende Schale gebracht werden (absorbiertes Energiequant). Meist findet diese nur statt, wenn sehr viel Elektronen fliessen und die Schalenstabilität durch einen stark bewegten Kern schon reduziert ist. Wenn später das Elektron wieder in seine ursprüngliche Schale zurückkehrt, findet das unter Abgabe von Licht (emittiertes Lichtquant) statt. Solche Lichtquanten können auch wieder bei anderen Atomen dazu führen, dass Elektronen in eine andere Schale springen. Meist kehren die Elektronen so schnell wie möglich wieder zurück, manchmal kann das aber auch sehr viel länger dauern. Gerade Phosphor ist dafür bekannt, dass diese Rückkehr deutlich verspätet stattfindet. Das hat den Effekt, dass Phosphor noch leuchtet, wenn schon lange kein Strom mehr fliesst oder das Licht schon lange weg ist. Diesen Effekt macht man sich beim Ziffernblatt von Uhren oder Fluchtschildern zu nutzen.

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 07 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Ob Strom in einem Stromkreis fliessen soll oder nicht, das kann durch ganz verschiedene Auslöser bestimmt werden: - Das Licht soll angehen, wenn der Lichtschalter gedrückt wird - Der Feuermelder soll abgehen, wenn eine gewisse Temperatur erreicht ist - Die Heizung soll abstellen, wenn eine gewisse Temperatur erreicht ist - Der Wii-Controller soll auf Bewegung reagieren - Ein Touch-Screen soll auf Berührung reagieren - Ein Bewegungsschalter soll bei Bewegung einschalten - Eine Nachtlampe soll nur Leuchten, wenn es sonst dunkel ist - Ein Rauchmelder soll warnen, wenn sich Rauch entwickelt hat Die Liste liesse sich noch weiter fortführen.

Aufgabe 1: a)

Schaue einen mechanischen Schalter genau an. Führe einen Versuch damit durch um zu testen, ob wer wie erwartet reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________

b)

____________________________________ Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen mechanischen Schalter hat:

________________________________________________________________________

Aufgabe 2: a)

Schaue einen Wärmeschalter genau an. Führe auch einen Versuch damit durch, ob es gemäss deiner Erwartung reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen. Überlege dir, was man ändern muss, wenn er bei Wärme erst einschalten soll. ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________

b)

____________________________________ Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Wärmeschalter hat:

________________________________________________________________________

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7 Elektronik (Schaltungen)

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Aufgabe 3: a)

Schaue einen Bewegungsschalter genau an. Mache auch einen Test damit, ob er wie erwartet reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________

b)

Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Bewegungsschalter hat:

________________________________________________________________________

Aufgabe 4: a)

Schaue einen Berührungsschalter genau an. Mache Versuche damit um zu testen, ob er auf die Art reagiert, wie du es erwartest. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________

b)

____________________________________ Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Berührungsschalter hat:

________________________________________________________________________ c) Gewisse Geräte mit Berührungsschalter arbeiten mit Strommengen, die nicht für einen solchen Schalter geeignet sind. Was kann man tun, damit man beim Berühren nicht getötet wird? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Das Prinzip, dass ein Schalter einen Schalter betätigt, ist weit verbreitet. Gerade bei hochkomplexen Maschinen wie PCs funktioniert alles auf diese Art, da der Nutzer meist nur einen Schalter (vielleicht ein Mausklick) betätigt und der PC daraufhin eine Vielzahl verschiedenster Operationen ausführt und damit unter Umständen Millionen von Schaltern auslöst. Ein wichtiges Prinzip dabei sind auch die Halbleiter, die auch eine Art Schalter sind, da sie je nach Situation leiten oder dies eben nicht tun.

N&T 7 Elektronik (Schaltungen) 08 Name: ___________________ Vorname: __________________ Datum: __________ Stromkosten: In der Schweiz zahlt man den Strom pro kWh (Kilowattstunde). Er liegt unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Grund- und Anschlussgebühren bei rund 15 Rp. pro kWh. Eine Kilowattstunde ist die Strommenge, die ein Gerät braucht um eine Stunde lang mit 1000 W = 1 kW zu laufen. Dabei zahlt man weder für die Spannung noch für den eigentlichen Strom, sondern für das Produkt der beiden: Leistung  Spannung  Strom P  U  I 1 Watt  1 Volt  1 Ampere Beispiel: Der schon oft erwähnte Laptop arbeitet mit 19 V Spannung und 4,74 A. Er braucht also 19 · 4,74 = 90 W = 0,09 kW unter Volllast. Wenn er zwei Stunden läuft, sind das: 0,09 · 2 = 0,18 kWh. Das entspricht rund 2,7 Rp.

Aufgabe 1: Berechne die Stromkosten der folgenden Geräte: a) 2,5h-Spielfilm schauen auf einem Plasmafernseher (230 W): ________________________________________________________________________ b) 1,5h Spiele spielen an einem High-End-PC (500 W): ________________________________________________________________________ c) 2h chatten an einem normalen Office-PC (300 W): ________________________________________________________________________ d) Gericht im Mikrowellenherd erwärmen (2 min bei 1000 W): ________________________________________________________________________ e) Haare während 12 Minuten mit einem Fön (2000 W) trocknen: ________________________________________________________________________ f) Zimmerbeleuchtung (100 W) während 4 Stunden: ________________________________________________________________________ g) Röhrenfernseher während 20 Stunden im Standby-Betrieb (8 W): ________________________________________________________________________ Verbinde ein Zinkblech und ein Kupferblech über einen Voltmeter. Stelle den Voltmeter auf sehr kleine Spannungen ein.

Aufgabe 2: Stecke die beiden Bleche mit etwas Abstand in eine saure Frucht, zum Beispiel eine Orange, eine Zitrone oder einen sauren Apfel. Was kannst du feststellen? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

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Aufgabe 3: a)

Wiederhole den Versuch aus Aufgabe 2 mit einer Säure. Achte darauf, nicht mit dieser Flüssigkeit in Berührung zu kommen:

________________________________________________________________________ b) Lässt sich ein kleines Motörchen damit betreiben? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Solche Versuche, die schon Ende des 18. Jahrhunderts durchgeführt wurden, bildeten die Grundlage für Batterien und Akkumulatoren. Sie waren und sind jedoch mit den heutigen nicht zu vergleichen. Diese „galvanischen Elemente“ haben viele Nachteile: - die Flüssigkeit ist gefährlich und lässt sich nur schwer transportieren - die Zinkelektrode wird durch die Säure zerfressen, dadurch - wird die Spannung mit der Zeit immer geringer - wird der Strom mit der Zeit immer geringer Eine Verbesserung davon war das Leclanché-Element, das um 1886 patentiert wurde. Es war jahrzehntelang die beste Art von Batterie und wurde immer wieder verbessert und verändert, bis sie die heutige Zusammensetzung erreichte, wobei sie heute je nach Verwendung und der Wiederaufladbarkeit stark variieren kann. Typisch sind heutzutage vor allem die Lithiumbatterien, da bei diesen die Selbstentladung geringer ist als bei anderen Modellen. Nach Luigi Galvani (1737 – 1798) kommt auch das Galvanisieren. Wie man schon beim galvanischen Element festgestellt hatte, dass sich die Metalle auflösen können, macht man sich diese Eigenschaft beim Galvanisieren zu Nutze. Über einen von aussen angelegten Strom verliert die Kupferanode einen Teil ihrer Atome. Durch den Strom werden diese vom anderen Metall angezogen und machen sich darauf fest. Mit der Zeit ist dieses andere Metall von einer ganz dünnen Kupferschicht überzogen. Dieses Überziehen des Metalls mit einem anderen Metall wird heute in grossem Masse verwendet. Als Überzugsmetalle kommen unter anderen Nickel, Chrom, Silber, Kupfer, Gold und Platin zum Einsatz, wobei dies gerade bei edlen Metallen auch aus Kostengründen getan wird. Oft werden auch mehrere Schichten aus verschiedenen Metallen aufgetragen.