Lei­ter

Im Phy­sik­un­ter­richt Klas­se 9 ler­nen die Schü­ler, dass der Wi­der­stand einer elek­tri­schen Lei­tung von Länge, Quer­schnitt und Ma­te­ri­al ab­hängt.

Die Un­ter­su­chung einer elek­tri­schen Lei­tung (Draht) greift das neu er­wor­be­ne Wis­sen der Schü­ler auf, kann geübt und ver­tieft (z.B. spe­zi­fi­scher Wi­der­stand) wer­den.

Der Über­gang zum Po­ten­tio­me­ter bie­tet sich an. Po­ten­tio­me­ter wer­den in dem Prak­ti­kum häu­fi­ger ein­gesetzt.

Der elek­tri­sche Wi­der­stand eines Bau­teils wird mit einem Di­gi­tal­mul­ti­me­ter ge­mes­sen. Das Digital­multimeter führt eine U-I-Mes­sung durch und gibt den be­rech­ne­ten Wi­der­stands­wert aus. Daher müs­sen fol­gen­de Punk­te bei einer Wi­der­stands­mes­sung (Ω) be­ach­tet wer­den:

• Wi­der­stän­de nicht in einer fer­ti­gen Schal­tung mes­sen,
• nicht mit zwei Wi­der­stands­mess­ge­rä­ten gleich­zei­tig mes­sen.

5. Stun­de

Bild­quel­le: Bin­de­draht von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eu­i_­un­ter­richt.odt

Mit einem Bin­de­draht wird ex­pe­ri­men­tiert. Der Lei­tungs­wi­der­stand wird ge­mes­sen und be­rech­net (spe­zi­fi­scher Wi­der­stand).

03_eu­i_­wi­der­stan­d_draht.odt

Bei den Draht­län­gen zwi­schen 1 m und 2 m macht sich der Kon­takt­wi­der­stand be­merk­bar. Die Mes­sun­gen sind nicht sehr genau. Der Kon­takt­wi­der­stand setzt sich aus En­ge­wi­der­stand und Fremd­schicht­wi­der­stand (z.B. Oxi­da­ti­on) zu­sam­men. Daher wer­den in el. Ge­rä­ten häu­fig An­schlüs­se aus Edel­me­tal­len wie Gold, Sil­ber, Pal­la­di­um oder Pla­tin ein­ge­setzt.

Bild­quel­le: Bin­de­draht­mas­se von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eu­i_­un­ter­richt.odt

Mit einem Bin­de­draht wird ex­pe­ri­men­tiert. Der Lei­tungs­wi­der­stand wird ge­mes­sen und be­rech­net (spe­zi­fi­scher Wi­der­stand).

Als Zu­satz kann eine un­be­kann­te Draht­län­ge über die Masse und über den el. Wi­der­stand er­mit­telt wer­den.

04_eu­i_­wi­der­stan­d_draht­la­en­ge.odt

6. Stun­de

Bild­quel­le: Draht-Po­ten­tio­me­ter von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eu­i_­un­ter­richt.odt

Der auf­ge­wi­ckel­te Draht kann als Po­ten­tio­me­ter (kurz Poti) ver­wendet wer­den.

05_eu­i_­wi­der­stan­d_­po­ten­tio­me­ter.odt

Die Teil­span­nun­gen bei einer Rei­hen­schal­tung mit zwei Wider­ständen wer­den wie­der­holt und ge­mes­sen.

06_eu­i_­wi­der­stan­d_­span­nung.odt

Diese Grund­la­gen wer­den auf das Po­ten­tio­me­ter über­tra­gen. Die Mes­sun­gen wer­den mit einem Dreh­po­ten­tio­me­ter durch­ge­führt.

07_eu­i_­po­ten­tio­me­ter_­span­nung.odt

7. und 8. Stun­de

Die U-I-Kenn­li­nie eines Wi­der­stan­des (R = 470 Ω) wird auf­ge­nom­men und aus­ge­wer­tet. Dabei wird die Strom­stär­ke­mes­sung wie­der­holt und geübt. Bis 9 V sind Span­nung und Strom­stär­ke pro­por­tio­nal.

08_eu­i_u_i_­wi­der­stand.odt

Mit einem klei­ne­ren Wi­der­stand (R = 47 Ω, P = 0,25 W) kann ein­drucks­voll die Wärmeentwick­lung ge­zeigt wer­den. Mit einer 9 V – Bat­te­rie gibt es eine Rauch­ent­wick­lung.

Bei der U-I-Mes­sung mit einem 2 m lan­gen Bin­de­draht wer­den schnell große Strom­stär­ken er­reicht, da der Wi­der­stand bei einem Ohm liegt. Bei Span­nun­gen bis 1,5 V tritt noch keine spür­ba­re Er­wär­mung auf.

Bei einer Glüh­lam­pe steigt auf­grund der Er­wär­mung der Wi­der­stand mit zu­neh­men­der Span­nung.

09_eu­i_u_i_drah­t_lam­pe.odt

Mit Hilfe des Elek­tro­ne­n­atom­rumpf­mo­dells wer­den die Phä­nomene er­klärt.

• der elek­tri­sche Strom (Lei­ter/Nicht­lei­ter)
• der elek­tri­sche Wi­der­stand
• die Tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig­keit des elek­tri­schen Wi­der­stands

Bild­quel­le: U(t) und I(t) von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eu­i_­un­ter­richt.odt

Zum Ab­schluss wird eine U-I-Kenn­li­nie einer Glüh­lam­pe mit einem Messwerterfassungs­system (z.B. Power­Cas­sy) auf­ge­nom­men. Hier kann eine sym­me­tri­sche Drei­ecks­span­nung (f = 0,5 Hz) an­ge­legt wer­den. Die Span­nung steigt zu­erst li­ne­ar an und fällt dann li­ne­ar ab.

Die Schü­ler sehen zu­erst nur die Dreiecks­spannung (blau).

Bild­quel­le: U-I-Kenn­li­nie von ZPG IMP [CC BY-SA 4.0 DE], aus 01_eu­i_­un­ter­richt.odt

Da­nach sol­len sie die U-I-Kenn­li­nie (Hys­te­re­se) in­ter­pre­tie­ren. Als Hil­fe­stel­lung oder zur Be­stä­ti­gung wird dann der Strom­stärkeverlauf I(t) (rot) ge­zeigt (Abb. 12). Beim Span­nungs­an­stieg ist der Glüh­draht noch kalt (klei­ner Wi­der­stand, große Strom­stär­ke) beim Span­nungs­ab­stieg ist der Draht schon er­wärmt (grö­ße­rer Wi­der­stand, klei­ne­re Strom­stär­ke).

Als Zu­satz kann der Kalt­lei­ter (PTC) als Tem­pe­ra­tur­füh­ler be­handelt wer­den. In der For­schung und in der In­dus­trie wer­den häu­fig Pla­tin­wi­der­stän­de z.B. Pt100 (100 Ω bei 0 °C) ver­wen­det.

Un­ter­richts­gang: Her­un­ter­la­den [odt][1 MB]

Wei­ter zu Halb­lei­ter