Was ist ein Stromkreis?

Transkript

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2 Was ist ein Stromkreis? Warum leuchtet eigentlich die Lampe in einem Raum, wenn du auf den Lichtschalter drückst? Die Lösung des Rätsels beinhaltet alle einzelnen Komponenten, aus denen ein Stromkreis besteht. Schauen wir uns dieses Problem anhand eines Stromkreises an, den du auch selbst aufbauen kannst. ACHTUNG: Weil es viel zu gefährlich ist, mit dem Strom zu experimentieren, der aus der Steckdose kommt, verwenden wir eine Batterie, die uns mit Gleichspannung versorgt. Und statt der Lampe setzen wir eine Leuchtdiode (LED) ein, da diese sich besser zur Verwendung mit einer Batterie eignet. Aber nun zurück zum Stromkreis. Ein Stromkreis besteht im einfachsten Fall aus 1. einer Spannungs- bzw. Stromquelle 2. einem Verbraucher und 3. Leitungen bzw. Kabeln. Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) stellt Strom und Spannung bereit. Für die Schrotty-Versuche kann dies eine Batterie sein. Die Spannungs- bzw. Stromquelle (1) ist mit Leitungen (3) mit dem Verbraucher (2) verbunden. Die Leitungen bestehen im Inneren aus einem elektrisch sehr gut leitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer. Um den leitfähigen Kern herum befindet sich meist ein Mantel aus elektrisch nicht leitfähigem Material wie Kunststoff. Dadurch können Leitungen an der isolierten Schicht (am Kunststoff) berührt werden, ohne mit Strom in Berührung zu kommen. Der Verbraucher (2) wandelt im geschlossenen Stromkreis die elektrische Energie in eine andere Form von Energie um. In Falle einer LED wird Elektrizität in Licht und Wärme umgewandelt. Je nach Verbraucher können dies auch andere Formen von Energie sein. Wichtig dabei ist, dass jeder Verbraucher durch zu hohen Strom bzw. zu hohe Spannung zerstört werden kann. Eine LED ist beispielsweise ein Bauteil, der eine Spannung zwischen 1,6 Volt und 2,5 Volt Spannung benötigt. Ist die Spannung zu niedrig, leuchtet sie nicht. Ist sie zu hoch, wird die LED zerstört. Daher befindet sich in dieser Schaltung ein weiterer Verbraucher (Widerstand) um die Spannung, die für die LED benötigt wird, einzustellen. Die LED wird leuchten, wenn alle Leitungen wie im Schaltplan eingezeichnet miteinander verbunden sind. Nur dann kann der Strom von der Spannungsquelle zum Verbraucher und wieder zurück zur Spannungsquelle fließen. Es wird hier auch von einem geschlossenen Stromkreis gesprochen. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 2 17

3 Fehlt eine der Leitungen, wird der Stromkreis als offener Stromkreis bezeichnet. Der Strom kann nicht fließen und die LED kann daher nicht leuchten. Weitere sehr nützliche Informationen zu Stromkreisen sind im online verfügbaren Elektronik Kompendium zu finden: Um die Aufteilung von Strom und Spannung in einem Stromkreis zu ermitteln, kommen die Kirchhoffschen Regeln zum Einsatz: Wie schließe ich eine LED richtig an? Bei einigen elektronischen Bauteilen ist es wichtig zu wissen, welcher Anschluss sich näher dem Pluspol der Schaltung und welcher sich näher dem Minuspol befinden muss. Bei einer Leuchtdiode ist es zum Beispiel wichtig! Die Leuchtdiode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Wird sie anders herum angeschlossen, sperrt sie den Strom. Das bedeutet, nur wenn der Strom durch die LED fließen kann, ist der Stromkreis geschlossen. Und nur dann leuchtet die LED. Eine LED, die in einer Farbe leuchten kann, hat üblicherweise zwei Anschlüsse. Ein Anschluss nennt sich Anode und steht für den Pluspol der LED. Damit die LED in einem geschlossenen Stromkreis leuchtet, muss sich dieser Anschluss näher dem Pluspol der Schaltung befinden. Der Pluspol der Schaltung befindet sich dort, wo sich der Pluspol der Spannungsquelle (z.b. Batterie) befindet. Der andere Anschluss der LED wird Kathode genannt und muss sich näher dem Minuspol der Schaltung befinden. Vergiss bitte nicht auf einen geeigneten Vorwiderstand für deine LED, damit sie nicht durch zu hohe Spannung beschädigt wird! Materialkunde Grafitstifte & Co Die Experimente, die du hier findest, beruhen alle darauf, dass manche Stifte, mit denen du zeichnen und schreiben kannst, elektrisch leitfähig sind - manche mehr und manche weniger. Grafit, das ist der Werkstoff aus dem zum Beispiel Bleistiftminen zumeist bestehen, ist ein guter elektrischer Leiter. Das bedeutet, Strom kann durch diesen fließen. Jedoch fließt Strom durch Grafit Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 3 17

4 nicht so gut, wie durch ein Kabel aus Kupfer. Und diesen Umstand machen wir uns zunutze. Jeder elektrische Leiter hat einen gewissen Eigenwiderstand. Bei einem Kabel aus Kupfer ist dieser Eigenwiderstand sehr gering. Darum werden diese Kabel bei verschiedensten Schaltungen und Elektroinstallationen verwendet. Wenn du mit einem Grafitstift deine eigenen Leiterbahnen zeichnest, ist der Widerstand dieser Leitungen sehr hoch. Strom kann fließen, aber es wird ihm ein sehr hoher Widerstand entgegengesetzt. Für uns ist das zum Experimentieren mit einer Leuchtdiode ideal. Wie du oben bestimmt gelesen hast, darf eine LED nicht direkt an eine Stromquelle mit 9 Volt angeschlossen werden, da sie nur ca. zwischen 1,6 Volt und 2,5 Volt Spannung benötigt und bei höheren Spannungen beschädigt werden kann. Daher muss ein Vorwiderstand in der Schaltung verwendet werden. Da nun aber deine gezeichneten Leiterbahnen schon einen sehr hohen Widerstand haben, müssen wir bei den folgenden Experimenten keinen zusätzlichen Widerstand verwenden. Bei verschiedenen Grafitstiften wirst du große Unterschiede hinsichtlich der Leitfähigkeit feststellen. Je höher die Leitfähigkeit eines Grafitstifts ist, desto niedriger ist der Widerstand der von dir gezeichneten Linien und desto heller wird die LED leuchten. Eigentlich sollte ein Bleistift für die Experimente ausreichen. Du hast sicher schon gesehen, dass auf Bleistiften oft Zahlen und Buchstaben, wie zum Beispiel 6B aufgedruckt sind. Das zeigt dir die Härte des Bleistifts. Für unsere Versuche gilt: je weicher ein Bleistift, desto höher ist der Grafitanteil und desto besser die elektrische Leitfähigkeit. Die gebräuchlichen Härtegrade von Bleistiften findest du in der folgenden Tabelle: sehr weich weich mittel hart sehr hart extrem hart 9B 8B 7B 6B 5B 4B 3B 2B B HB F H 2H 3H 4H 5H 6H 7H 8H 9H Quelle: Schau dich einfach mal in einem Papierfachgeschäft oder einem Geschäft für KünstlerInnenbedarf um. Dort findest du sicher eine gute Auswahl an verschiedenen Grafitstiften. Hier siehst du einige, die wir verwendet haben. Als sehr brauchbar hat sich die sogenannte Grafitkreide mit sehr weichem Härtegrad heraus gestellt. Damit konnten wir die besten Resultate erzielen. Etwas Besonderes ist dann noch Bare Paint. Das ist eine sehr spezielle elektrisch leitfähige Farbe. Mehr dazu findest du unter: Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 4 17

5 Worum geht es bei den Experimenten? Experimentiere mit Stromkreisen. Zeichne dir einfach deine eigenen Stromkreise auf ein Blatt Papier und lass deiner Kreativität freien Lauf! Du findest hier die folgenden Experimente: Experiment 01 Einfachen Stromkreis zeichnen... 6 Experiment 02 Helligkeitsregelung einer LED... 9 Experiment 03 Auto-Rücklicht Weitere Möglichkeiten Probiere einfach die beschriebenen Experimente aus. Beim Experimentieren wirst du schnell herausfinden, dass du deiner Kreativität freien Lauf lassen kannst. Du kannst auch die Kirchhoffschen Gesetze ganz einfach mit gezeichneten Stromkreisen nachbilden und selbst herausfinden, was das Besondere an der Serien- oder Parallelschaltung ist. Mehr dazu findest du im Elektronik Kompendium: Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 5 17

6 Experiment 01 Einfachen Stromkreis zeichnen Welche Materialien und Werkzeuge brauche ich für das Experiment? 1 Blatt Papier 1 Grafitstift 1 Batterie 9 Volt 4 Krokoklemmen 1 Leuchtdiode (LED) 1 Schere Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Zeichne als Erstes einen Stromkreis auf ein Blatt Papier. Sehr gut eignet sich dafür Grafitkreide mit einem sehr weichen Härtegrad (z.b. 6B). Male deinen Stromkreis kräftig aus. Je dicker die einzelnen Striche, also deine Leiterbahnen, sind, desto besser ist deren Leitfähigkeit. Wichtig beim Stromkreis ist auch, dass er an zwei Stellen unterbrochen ist. An einer der Unterbrechungen schließen wir später eine Batterie an. An die andere Seite wird eine LED angeschlossen. Mehr dazu aber später. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 6 17

7 Schritt 2 Nun schneidest du deinen selbst gezeichneten Stromkreis mit einer Schere aus. Schneide ruhig recht knapp an den Kanten entlang. Schritt 3 Jetzt ist es soweit: Wir schließen die LED an! Klemme dazu eine Krokoklemme (hier die rote Krokoklemme) an eine deiner Leiterbahnen an. An die andere Seite der Krokoklemme, schließt du den längeren Fuß deiner LED (Pluspol) an. Merke dir unbedingt, an welcher Krokoklemme du den längeren Fuß der LED anschließt! Den anderen Fuß der LED verbindest du mit Hilfe einer Krokoklemme (hier schwarze Krokoklemme) mit der anderen Leiterbahn. Wichtig ist vor allem, dass jeder Fuß der Leuchtdiode mit einer anderen Leiterbahn verbunden ist. Wenn beide Füße der LED mit derselben Leiterbahn verbunden sind, kann kein Strom durch die LED fließen und sie wird nicht leuchten. Man sagt auch, dass der Strom immer den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Und der Widerstand, den ihm die LED entgegensetzt, ist höher, als der der Leiterbahn. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 7 17

8 Schritt 4 Im letzten Schritt schließt du noch die Spannungsquelle (9-Volt-Blockbatterie) an. Verbinde den Pluspol der Batterie mit Hilfe einer Krokoklemme (hier rote Krokoklemme) mit der Leiterbahn, an dem der längere Fuß der Leuchtdiode verbunden ist. Wenn du nun noch den Minuspol der Batterie mit einer Krokoklemme (hier schwarze Krokoklemme) mit der anderen Leiterbahn (auf der sich auch der kürzere Fuß der LED befindet) verbindest, wirst du sehen, dass die LED leuchtet. Das ist nun dein erster selbst gezeichneter Stromkreis! Schau dir einfach noch die folgenden Experimente an und lass dich inspirieren, wie du deine Stromkreise gestalten kannst. Wenn du schon eine eigene Idee hast, kannst du aber auch schon loslegen und diese ausprobieren. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 8 17

9 Experiment 02 Helligkeitsregelung einer LED Welche Materialien und Werkzeuge brauche ich für das Experiment? 1 Blatt Papier 1 Grafitstift 1 Batterie 9 Volt 2 Krokoklemmen 1 Leuchtdiode (LED) 1 Schere Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Du kennst bestimmt Lampen, deren Helligkeit du einstellen kannst. So etwas Ähnliches bauen wir in diesem Experiment. Nur dass du keine Lampe, sondern die Helligkeit einer LED steuern kannst. Zu Beginn benötigen wir den Helligkeitsregler. Diesen zeichnest du am besten mit Graphitkreide auf ein Blatt Papier. Sehr gut funktioniert es, wenn du ein langgezogenes Dreieck zeichnest und dieses kräftig ausmalst. Schneide es danach mit einer Schere recht knapp aus. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 9 17

10 Schritt 2 Verbinde nun den Minuspol der Batterie mit Hilfe einer Krokoklemme mit einer Seite des Dreiecks (also deinem Helligkeitsregler). Den Pluspol der Batterie verbindest du nun noch mit dem längeren Fuß der Leuchtdiode. Schritt 3 Biege den kürzeren Fuß der LED so zurecht, dass das Metallfüßchen einen möglichst großen Kontakt zum Blatt Papier und deinem Helligkeitsregler herstellen kann. Und dann sind wir auch schon fertig. Schnapp dir die LED und lege den kürzeren Fuß der LED auf den Helligkeitsregler! Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 10 17

11 Bewege den kürzeren Fuß der Leuchtdiode auf deinem Helligkeitsregler und beobachte genau, wie sich die Helligkeit ändert. Fällt dir dabei etwas auf? Genau! Je näher du dich mit dem kurzen Fuß der LED der Krokoklemme auf dem Helligkeitsregler näherst, desto heller leuchtet die LED. Wie vorhin schon kurz erwähnt, geht der Strom immer den Weg des geringsten Widerstands. Das bedeutet, der Strom sucht sich den kürzesten Weg zwischen der Krokoklemme (Minuspol der Batterie) und dem Verbraucher (also deiner LED). Je weiter du dich von der Krokoklemme entfernst, desto weiter muss der Strom fließen und desto mehr Spannung geht über den Widerstand deiner gezeichneten Leiterbahnen verloren. Und wenn entlang deiner Leiterbahnen Spannung verloren geht, steht deiner LED nicht mehr so viel zur Verfügung. Bekommt die Leuchtdiode weniger Spannung, kann sie auch nicht mehr so hell leuchten. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 11 17

12 Experiment 03 Auto-Rücklicht Welche Materialien und Werkzeuge brauche ich für das Experiment? 1 Blatt Papier 1 Grafitstift oder Bare Paint 1 Batterie 9 Volt 1 Batterieanschluss für die 9 Volt Batterie (auch Batterieclip genannt) 2 Krokoklemmen 1 Leuchtdiode (LED) 1 Büroklammer Klebeband Wie baue ich alles zusammen? Schritt 1 Zeichne zunächst die Karosserie eines Autos. Wir haben hier die Bare Paint verwendet. Du kannst alternativ auch Grafitkreide oder einen ähnlichen Grafitstift verwenden. Wichtig ist nur, dass die Karosserie aus zwei sich nicht berührenden Teilen besteht. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 12 17

13 Schritt 2 Bevor du das Rücklicht fest einbaust, ist es praktisch, wenn du deinen Stromkreis kurz testest. Verbiege zunächst die Füße der Leuchtdiode so, dass sie von selbst auf ihren Metallkontakten stehen kann. Der Abstand zwischen den beiden Füßen soll eine der beiden Unterbrechungen der Karosserie überbrücken können. Lege die LED nun auf deine Karosserie. Und zwar so, dass die beiden Metallkontakte eine der beiden Unterbrechungen der Karosserie überbrücken. Danach klemmst du die beiden Krokoklemmen an die Kontakte der Batterie. Verbinde nun den Minuspol der Batterie mit dem Teil der Karosserie, auf dem auch der kürzere Fuß der Leuchtdiode liegt. Wenn du noch den Pluspol der Batterie mit der anderen Hälfte der Karosserie verbindest, wird die LED leuchten. Sollte die LED zu schwach leuchten, kannst du versuchen, die Karosserie dicker zu zeichnen. Je dicker und kräftiger deine Leiterbahnen gezeichnet sind, desto geringer wird deren Widerstand und desto mehr Spannung steht dir an der Leuchtdiode zur Verfügung. Schritt 3 In den folgenden Schritten versuchen wir noch, die Kabel ein wenig zu verstecken. Wenn du später die Batterie hinter das Blatt Papier legst, wird es magisch wirken, wenn die LED leuchtet. Dann ist es gar nicht mehr so einfach zu erkennen, warum sie überhaupt leuchten kann. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 13 17

14 Dazu benötigen wir an den Stellen, an denen du die Kabel der Batterie befestigen willst, kleine Löcher. Mit einer kleinen Büroklammer kannst du Löcher ins Papier stechen, die unauffällig und groß genug für die Kabel sind. Schau dir als nächstes den Batterieclip an. Stelle sicher, dass an den Enden der beiden Kabel die metallischen Leiter ca. 2 cm aus der Plastikummantelung herausragen. Drehe nun das Blatt Papier, auf dem sich dein Auto befindet, auf die Rückseite. Danach steckst du einen Draht nach dem anderen jeweils in eines der beiden kleinen Löcher. Auf der Vorderseite kannst du nun die beiden Kabel fixieren. Dazu genügt meist einfaches Klebeband. Achte darauf, dass die metallischen Leiter der Kabel möglichst guten Kontakt zu deinen gezeichneten Leiterbahnen haben. Und achte darauf, dass du das schwarze Kabel an der Seite der Karosserie befestigst, an der vorhin der Minuspol der Batterie angelegen ist. Das rote Kabel des Batterieclips muss mit dem anderen Teil der Karosserie befestigt werden. Dasselbe kannst du auch mit den Füßen der LED machen. Auch bei der Leuchtdiode musst du wieder darauf achten, welcher Fuß auf welcher Seite der Karosserie landet. Der längere Fuß der LED (Pluspol) muss sich auf derselben Seite der Karosserie befinden, auf der auch das rote Kabel des Batterieclips angeschlossen ist. Der kürzere Fuß muss mit der anderen Seite der Karosserie verbunden sein. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 14 17

15 Schritt 4 Nun kommt der große Moment! Schließe die Batterie an und vergewissere dich, dass die LED leuchtet. Nun kannst du die Batterie auch verstecken und dein Kunstwerk präsentieren. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 15 17

16 Weitere Möglichkeiten Eine weitere Möglichkeit ist, mit Hilfe eines Eselsohrs im Papier einen Schalter zu zeichnen. So leuchtet deine LED nur dann, wenn du den Schalter schließt. Oder du tobst dich kreativ aus und versuchst besonders kunstvolle Leiterbahnen zu zeichnen. Vielleicht versuchst du es auch mit Ornamenten. Natürlich kannst du auch mehrere LEDs verwenden. Dabei kann es sein, dass du mehrere Batterien zusammenschließen musst, um genug Spannung und Strom zur Verfügung zu haben, damit diese leuchten können. Noch ein Tipp: Büroklammern eignen sich sehr gut dazu, um Kabel auf deinen Leiterbahnen zu befestigen und Kontakte herzustellen. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 16 17

17 Impressum FH JOANNEUM Gesellschaft mbh Institut Informationsmanagement Alte Poststraße 149 A-8020 Graz Tel.: +43 (0) Inhalte (Texte, Fotos, ) wenn nicht anders gekennzeichnet: DMT-Team und / oder StudentInnen des Studiengangs Informationsmanagement der FH JOANNEUM Schrotty ist ein Projekt der FH JOANNEUM am Institut Informationsmanagement und wurde in der digital media technologies Arbeitsgruppe von Gerhard Sprung ins Leben gerufen. Das Projekt Schrotty wird im Rahmen der generation innovation Regionen Projekte der FFG mit Geldern des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie gefördert. Stromkreise zeichnen Schrotty Seite 17 17