Tech­ni­sche An­wen­dun­gen von Heiß­lei­tern / Leh­rer­in­for­ma­ti­on

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Vor­aus­set­zun­gen :     

• Ge­dank­li­cher Um­gang mit Strom, An­trieb und Wi­der­stand
• Grund­la­gen von Strom- und Span­nungs­mes­sung
• Ei­gen­schaf­ten von Par­al­lel- und Rei­hen­schal­tun­gen
• Der Wi­der­stand als Ei­gen­schaft, phy­si­ka­li­sche Größe und Bau­teil
• Ohm­sches Ge­setz

Lern­zie­le :

• Er­fah­run­gen im prak­ti­schen Um­gang mit einem spe­zi­el­len Sen­sor, dem Heiß­lei­ter, sam­meln
• Mo­del­lie­ren einer tech­ni­schen An­wen­dung
• Grund­kennt­nis­se an einem ak­tu­el­len Bei­spiel des All­tags ver­tie­fen
• Be­ob­ach­tun­gen an ein­fa­chen Schalt­krei­sen er­klä­ren
• Qua­li­ta­ti­ves Er­läu­tern der auf­tre­ten­den Phä­no­me­ne

Durch­füh­rung : Der Ver­such wird im Ide­al­fall in Zwei­er­grup­pen durch­ge­führt. Jede Grup­pe er­hält eine Auf­be­wah­rungs­box mit den not­wen­di­gen Klein­tei­len und ein Netz­ge­rät. Die Grup­pen be­ar­bei­ten mög­lichst selbst­stän­dig das Ar­beits­blatt, der Leh­rer hilft bei Fra­gen oder Pro­ble­men.
Der Zeit­be­darf ist un­ge­fähr eine Dop­pel­stun­de.

Ge­rä­te : Kabel, Kro­ko­dil­klem­men und Netz­ge­rä­te ent­stam­men der Phy­sik­samm­lung.
Klein­tei­le wur­den bei der Firma Con­rad Elec­tro­nic, 92241 Hirschau be­zo­gen:
Heiß­lei­ter: K 164, 100R, Best.​Nr.: 448559
Glüh­lämp­chen: NF-Breit­lin­se, E 10, 2,2V/0,4A, Best. Nr.: 720341
Fas­sung: Fas­sung-Illu E 10, Best. Nr.: 581745
Die Kos­ten für einen Heiß­lei­ter, zwei Glüh­lämp­chen und zwei Fas­sun­gen be­tra­gen knapp 5 €.

Ach­tung: die Ma­xi­mal­leis­tung des Heiß­lei­ters be­trägt 0,5 W. Kurz­zei­tig kann er über­be­las­tet wer­den.

Quel­le : Der Ver­such ist an­ge­lehnt an "Lich­ter­ket­te: Heiß­lei­ter" in Eckert u.a.; Low Cost – High Tech; Aulis Ver­lag Deub­ner; S. 138 f; Köln; 2001

 

Lö­sun­gen zum Ar­beits­blatt :
1. Ver­such

a)  Auf dem Tisch: etwa 95 Ω	zwi­schen den Fin­gern ca. 75 Ω	b) = Ω

                    

c) Lämp­chen: = 1,2V/0,3A >=  4 Ω

 d) Der Heiß­lei­ter wird durch den elek­tri­schen Strom auf­ge­heizt. Je wär­mer der Heiß­lei­ter wird, desto ge­rin­ger wird sein Wi­der­stand. Der Wi­der­stand des hei­ßen Heiß­lei­ters ist ver­gleich­bar mit dem des Lämp­chens; im kal­ten Zu­stand ist sein Wi­der­stand deut­lich grö­ßer.

 

 

2. Ver­such

a)  s. Bild

b) Be­ob­ach­tung: Die Lampe leuch­tet zu­nächst nicht. Die Strom­stär­ke nimmt lang­sam zu, die Tem­pe­ra­tur des Heiß­lei­ters wird grö­ßer.
Er­klä­rung: Der Wi­der­stand des Heiß­lei­ters ist zu­nächst groß, des­halb fließt ein ge­rin­ger Strom und das Lämp­chen leuch­tet nicht. Der Heiß­lei­ter wird wär­mer, sein Wi­der­stand sinkt, die Strom­stär­ke wächst an und das Lämp­chen be­ginnt schwach zu leuch­ten. Der Ef­fekt ver­stärkt sich bis das Lämp­chen halb­wegs hell leuch­tet und der Heiß­lei­ter sehr heiß ist.

c) Das Lämp­chen leuch­tet so­fort, die Strom­stär­ke hat einen fes­ten Wert. Der Heiß­lei­ter er­wärmt sich kaum.
Die Schal­tung von a) ist bes­ser ge­eig­net, da es nur dort zu einer Ver­zö­ge­rung des Stroman­stiegs kommt.

3. Ver­such

Die Span­nung am Heiß­lei­ter be­trägt zu­nächst etwa 1,8 V.

1) a) Beim Her­aus­dre­hen von Lämp­chen 2 er­löscht auch Lämp­chen 1. Die Ge­samt­strom­stär­ke und die Span­nung am Heiß­lei­ter sind Null.

b) Beim Her­aus­dre­hen von Lampe 1 springt die Span­nung am Heiß­lei­ter auf fast 4 V! Lampe 2 er­lischt. Die Ge­samt­strom­stär­ke geht schlag­ar­tig auf einen nie­de­ren Wert zu­rück und nimmt dann lang­sam zu. Die Tem­pe­ra­tur des Heiß­lei­ters nimmt eben­falls zu, wäh­rend seine Span­nung auf  ca. 2,5 V ab­sinkt. Lämp­chen 2 er­höht seine Hel­lig­keit.
Schließ­lich leuch­tet Lampe 2 ob­wohl Lampe 1 her­aus­ge­dreht ist.

c) Beim Ein­schrau­ben von Lampe 1 wird die Span­nung am Heiß­lei­ter plötz­lich klei­ner (1,1 V) und steigt dann ge­mäch­lich an. Lämp­chen 2 leuch­tet zu­erst sehr hell und wird dann etwa dunk­ler. Lämp­chen 1 leuch­tet zu­nächst schwach und wird dann hel­ler. Die Ge­samt­strom­stär­ke ist zu­erst grö­ßer und nimmt dann etwas ab.
Am Ende ist die Span­nung am Heiß­lei­ter etwa 1,8 V und er ist nur ge­ring­fü­gig warm. Beide Lam­pen sind schließ­lich un­ge­fähr gleich hell.

2) a) Der Strom­kreis ist un­ter­bro­chen, beide Lämp­chen er­lö­schen.

b) Der Wi­der­stand vom kal­ten Heiß­lei­ter ist deut­lich grö­ßer als der von Lampe 2. An ihm steht der größ­te Teil der Ge­samt­span­nung, des­halb er­hitzt er sich. Der Ge­samt­wi­der­stand ist im ers­ten Mo­ment viel grö­ßer als vor­her, des­halb ist die Strom­stär­ke ge­ring und Lampe 2 leuch­tet nicht. Wäh­rend die Tem­pe­ra­tur des Heiß­lei­ters steigt, sinkt sein Wi­der­stand und damit auch die an ihm ste­hen­de Teil­span­nung. Die Teil­span­nung an Lampe 2 aber nimmt zu und die Lampe be­ginnt zu leuch­ten.

c) Wird Lampe 1 ein­ge­schraubt, hat sie zu­sam­men mit dem par­al­lel ge­schal­te­ten hei­ßen Heiß­lei­ter einen ge­rin­ge­ren Wi­der­stand, da­durch steigt die Ge­samt­strom­stär­ke und Lampe 2 leuch­tet hel­ler. Zu­gleich ist die Span­nung an Lampe 1 und am Heiß­lei­ter klei­ner als an Lampe 2. Lampe 1 leuch­tet schwä­cher. Der Heiß­lei­ter kühlt sich nun ab und sein Wi­der­stand steigt. Schließ­lich ist der An­fangs­zu­stand er­reicht, bei dem beide Lam­pen leuch­ten und der Heiß­lei­ter Um­ge­bungs­tem­pe­ra­tur hat.  

 

Leh­rer­in­for­ma­ti­on: Her­un­ter­la­den [pdf] [175 KB]