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).
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.
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.
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.
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.
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]
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