Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.01.11


Elektrische Gleichströme

Vortrag von Christiane Sonnleitner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS08/09


Gliederung:

1 Schaltungen
     1.1 Reihen- und Parallelschaltung
     1.2 Kirchhoff´sche Regeln
     1.3 Spannungsteilerschaltung

2 Messmethoden
     2.1 Voltmeter
     2.2 Amperemeter

3 Literatur


Einleitung

Aus der Steckdose kommt, wie jeder weiß, Wechselstrom. Wenn wir ein Gerät im Haushalt in Betrieb nehmen wollen, schließen wir es einfach an eine solche Steckdose an und es funktioniert. Aber wenn alle Geräte mit Wechselstrom laufen, wozu benötigen wir dann Gleichstrom? Ohne es richtig zu bemerken, verwenden wir jedoch täglich Gleichstrom. Jedes Mal wenn wir den Zündschlüssel in unserem Auto umdrehen oder unser Handy einschalten. Diese Geräte laufen auf Grund ihrer Halbleiterelemente nur mit Gleichstrom. Das Handy beispielsweise wird zwar über eine normale Steckdose aufgeladen, jedoch wird schon im Ladegerät der Wechselstrom gleichgerichtet und als Gleichstrom ins Handy eingespeist. Gleichströme haben eine große Bedeutung in unserm alltäglichen Leben und daher wird im folgenden Vortrag ein kurzer Überblick über die wesentlichen Schaltungen, Regeln und Messmethoden im Zusammenhang mit elektrischen Gleichströmen vorgestellt.


1 Schaltungen

1.1 Reihen- und Parallelschaltung

Tabelle wird als Tafelbild angeschrieben [1]

Reihenschaltung Parallelschaltung
   

Stromstärke: IGes = I1 = I2

Spannung: UGes = U1 + U2

Widerstand: RGes = R1 + R2

Stromstärke: IGes = I1 + I2

Spannung: UGes = U1 = U2

Widerstand: 1/RGes = 1/R1 + 1/R2

1.2 Kirchhoff´sche Regeln

a) Knotenregel [1]

An jedem Verzweigungspunkt (Knoten) in einer Schaltung muss ebenso viel Ladung zu- wie abfließen. Die Summe aller Ströme in den einzelnen Zweigen, die in den Knoten münden ist Null:

b) Maschenregel [1]

Die Gesamtspannung längs einer geschlossenen Masche einer Schaltung, d.h. die Summe aller Spannungsabfälle an den einzelnen Elementen, aus denen die Masche besteht, ist Null:

1.3 Spannungsteilerschaltung

a) Spannungsteilerregel [1,2]


Abb. 1: Parallelschaltung zur Herleitung der Spannungsteilerregel

Um in dieser abgebildeten, einfachen Reihenschaltung die Teilspannung, die an einem der beiden Widerstände abfällt unabhängig vom zweiten Widerstand berechnen zu können gibt es die so genannte Spannungsteilerregel.

U1/U0 = R1/RGes

b) Versuch mit einem Potentiometer:

Experiment Stufenlose Einstellung der Stärke eines Lämpchens mit Hilfe eines Spannungsteilers
Material
  • 7 Kabel mit Bananen-steckern
  • 3 Krokodilklemmen
  • 1 Netzgerät
  • 2 Spannungs-messgeräte
  • 1 Lämpchen 6V
  • 1 Potentiometer 10k
Durchführung

Aus dem Pluspol des Netzgerätes führt ein Kabel zum Pluspol des Lämpchens. Vom Minuspol des Lämpchens führt ein Kabel zum Potentiometer (rechter Anschluss) und eines zum ersten Spannungsmessgerät (Pluspol). Der Minuspol des ersten Spannungsmessgerätes wird mit dem Pluspol des zweiten Spannungsmessgerätes verbunden. Vom zweiten Spannungsmessgerät (Minuspol) wiederum führt ein Kabel zum Potentiometer (linker Anschluss) und ein anderes Kabel zurück zum Netzgerät (Minuspol). Der mittlere Anschluss des Potentiometers wird mit dem Minuspol des ersten Spannungsmessgerätes verbunden. Hinweis: für mehr Übersicht empfiehlt es sich verschiedenfarbige Kabel (z.B. rot und blau) zu verwenden. Das Netzgerät in Betrieb nehmen und die Spannungsmessgeräte einschalten. Der Regler am Potentiometer kann nun beliebig verstellt werden und die Änderung der Werte der Spannungsmessgeräte kann mitverfolgt werden.

Beobachtung Bei Betätigung des Reglers am Potentiometer ändern sich die Werte der Spannungsabfälle an beiden Widerständen proportional zueinander.
Interpretation Das Potentiometer entspricht zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Gemäß der Spannungsteilerregel verhalten sich die Teilspannungen proportional zu den Teilwiderständen. Somit ist die Teilspannung umso kleiner (bzw. größer) je kleiner (bzw. größer) der Teilwiderstand ist.

c) Anwendung eines Potentiometers

Anwendung finden Potentiometer zum Beispiel als Lautstärkeregler in einer Stereoanlage. Auch in der Chemie gibt es eine sehr nützliche Anwendung. Mit Hilfe eines Kolbens als Reaktionsgefäß, einer Spritze, einem Potentiometer und einem Computer mit der entsprechenden Software ist es möglich den Verlauf einer Reaktion über die Zeit auf zuzeichnen. Der Aufbau für einen solchen Versuch ist in Abbildung 2 dargestellt.


Abb. 2: Versuchsaufbau zur Nutzung eines Potentiometers zur Messung der Reaktionszeit

2 Messmethoden

2.1 Voltmeter

Um die Spannung zu messen, die an einem Verbraucher R abfällt muss man das Messgerät parallel zu einem Widerstand R schalten. Die Spannung muss im Messgerät erst mittels eines Innenwiderstandes Ri in den entsprechenden Strom übersetzt werden. Dieser Strom beträgt dann:

I = U/Ri

Der Übergang zu einem größeren Messbereich erfolgt durch Vergrößerung von Ri. Voltmeter müssen hochohmig sein! [1,2]

2.2 Amperemeter

Um den Strom zu messen, der durch einen Verbraucher R fließt, muss man das Messgerät in Reihe zu R schalten. Der Übergang zu einem größeren Messbereich erfolgt durch Zuschalten eines Parallelwiderstandes (Shunt) durch den der Strom am Messgerät vorbeigeleitet wird. Amperemeter müssen niedrigohmig sein! [1,2]


Schluss

Nachdem man jetzt ein bisschen mehr über elektrischen Gleichstrom weiß, kann man sich auch einen richtigen Schaltplan ansehen. Dabei wird man jedoch feststellen, dass so ein echter Schaltplan, beispielsweise der eines Autos, sehr viel komplizierter ist als erwartet (Folie mit den ersten beiden Seiten eines Schaltplans eines Autos wird gezeigt). Der Schaltplan eines Autos besteht aus mehreren Seiten und sieht auf den ersten Blick sehr verwirrend aus. Aber trotz allem gelten auch in einem solchen Plan die Regeln von Kirchhoff und das Ohmsche Gesetz genauso wie für die einfachste Reihen- und Parallelschaltung.


3 Literatur:

  1. Gerthsen, Physik, H. Vogel, 22. Auflage, Springer, 2004.
  2. Stuart, Klages, Kurzes Lehrbuch der Physik, 18. Auflage, Springer, 2006.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 18.01.11