1. Stromkreise
1.1 Einfache elektrische Stromkreise
Erklärung
Ein elektrischer Stromkreis ist eine geschlossene Verbindung, durch die elektrischer Strom fließen kann. Damit Strom fließt, muss der Stromkreis geschlossen sein – eine Unterbrechung verhindert den Stromfluss.
Bauteile eines einfachen Stromkreises:
- Spannungsquelle (z.B. Batterie): liefert die Energie
- Verbraucher (z.B. Glühbirne, Motor): nimmt die Energie auf
- Leiter (Drähte): verbinden die Bauteile
- Schalter: öffnet oder schließt den Stromkreis
Schaltzeichen werden verwendet, um Stromkreise in einem Schaltplan darzustellen. Jedes Bauteil hat ein genormtes Symbol.
Zeichnung: Übersicht: Schaltzeichen
Beispiel: Taschenlampe
Eine Taschenlampe ist ein einfacher Stromkreis:
- Batterie → liefert Strom
- Schalter → beim Einschalten geschlossen
- Glühbirne oder LED → leuchtet auf
- Metallgehäuse/Drähte → Leiter
Ist der Schalter offen (AUS), fließt kein Strom – die Lampe leuchtet nicht.
Zeichnung: Schaltplan: Einfacher Stromkreis
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Aufgabenpool 1.1.2: Einfache Stromkreise – Selbsttest [0/4]
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1.2 Reihenschaltung und Parallelschaltung
Erklärung
Alle Verbraucher sind hintereinander in einem einzigen Stromkreis geschaltet.
- Die Stromstärke ist überall gleich: I₁ = I₂ = I
- Die Spannung teilt sich auf: U = U₁ + U₂
- Fällt ein Verbraucher aus, erlischt der gesamte Stromkreis
Parallelschaltung:
Die Verbraucher sind nebeneinander in parallelen Zweigen geschaltet.
- Die Spannung ist in jedem Zweig gleich: U₁ = U₂ = U
- Der Strom teilt sich auf: I = I₁ + I₂
- Fällt ein Verbraucher aus, funktionieren die anderen weiter
Beispiel: Lichterkette vs. Hausinstallation
- Alte Lichterketten (Reihenschaltung): Brennt eine Birne durch, gehen alle aus.
- Hausinstallation (Parallelschaltung): Jede Steckdose liegt parallel – fällt eine aus, funktionieren die anderen weiter.
Zeichnung: Reihen- und Parallelschaltung im Vergleich
Experiment: Reihen- und Parallelschaltung von Lampen Klasse: 7–8 | Dauer: 30 min | Schwierigkeit: leicht
Material
- Batteriehalter mit 2 × 1,5 V Mignonzellen (AA)
- 2 Lämpchen auf Steckplatte (z.B. 3,5 V / 0,2 A)
- 1 Schalter
- 4–5 Verbindungskabel (rot/blau)
Durchführung
Schaltung 1 – Einfacher Stromkreis
Baue einen Stromkreis aus Batterie und einer Lampe auf. Beobachte die Helligkeit – diese ist deine Vergleichshelligkeit.
Schaltung 2 – Reihenschaltung
Baue den Kreis so um, dass die zweite Lampe hinter die erste geschaltet wird (beide nacheinander auf einem Weg).
- Wie hell leuchten die Lampen im Vergleich zu Schaltung 1?
- Schraube eine Lampe heraus. Was passiert mit der anderen?
Schaltung 3 – Parallelschaltung
Baue den Kreis so um, dass beide Lampen nebeneinander zwischen den gleichen zwei Punkten hängen (jede hat ihren eigenen Weg).
- Wie hell leuchten die Lampen im Vergleich zu Schaltung 1 und 2?
- Schraube eine Lampe heraus. Was passiert mit der anderen?
Beobachtung (Tabelle ausfüllen)
| Schaltung | Helligkeit pro Lampe | Was passiert, wenn eine Lampe entfernt wird? |
|---|---|---|
| 1 – einzeln | hell (Vergleich) | – |
| 2 – Reihe | ||
| 3 – parallel |
Erwartetes Ergebnis
- Reihe: Beide Lampen leuchten dunkler als die Einzellampe. Wird eine entfernt, geht auch die andere aus (der Stromkreis ist unterbrochen).
- Parallel: Beide Lampen leuchten etwa so hell wie die Einzellampe. Wird eine entfernt, leuchtet die andere weiter (jede hat ihren eigenen geschlossenen Weg).
Merksatz
In der Reihenschaltung fließt der Strom auf einem einzigen Weg nacheinander durch alle Lampen – wird der Weg an einer Stelle unterbrochen, fließt nirgends mehr Strom. In der Parallelschaltung hat jede Lampe ihren eigenen Weg von der Quelle zurück zur Quelle – wird ein Weg unterbrochen, fließt durch die anderen weiterhin Strom.
Experiment: Schaltungen und Schalter Klasse: 7–8 | Dauer: 30 min | Schwierigkeit: mittel
Material
- Batteriehalter mit 2 × 1,5 V Mignonzellen (AA)
- 2 Lämpchen auf Steckplatte (z.B. 3,5 V / 0,2 A)
- 1 einfacher Schalter
- 2 Wechselschalter
- 5–6 Verbindungskabel (rot/blau)
Durchführung
Schaltung A – Parallelschaltung mit einem Schalter
Baue zwei Lampen parallel. Setze einen einfachen Schalter in den Hauptkreis (vor der Verzweigung).
- Was passiert, wenn du den Schalter öffnest? Was passiert, wenn du ihn schließt?
- Lassen sich die Lampen einzeln steuern?
Schaltung B – Parallelschaltung mit je einem Schalter pro Lampe
Baue zwei Lampen parallel. Setze in jeden Zweig einen Schalter.
- Was passiert bei den verschiedenen Schalterkombinationen (auf/auf, auf/zu, zu/auf, zu/zu)?
- Lassen sich beide Lampen unabhängig voneinander steuern?
Schaltung C – Treppenschaltung
Eine Lampe wird über zwei Wechselschalter angesteuert – wie das Licht im Treppenhaus, das man von unten und oben schalten kann.
- Probiere alle vier Schalterstellungen aus. Wann brennt die Lampe?
- Erkläre, warum jeder der beiden Schalter die Lampe sowohl ein- als auch ausschalten kann.
Erwartetes Ergebnis
- Schaltung A: Der Schalter steuert beide Lampen gleichzeitig – er sitzt im Hauptkreis vor der Verzweigung.
- Schaltung B: Jeder Schalter steuert nur "seine" Lampe – beide Lampen lassen sich unabhängig schalten.
- Schaltung C: Die Lampe leuchtet, wenn beide Wechselschalter den Strom auf demselben Draht zusammenführen (beide oben oder beide unten). Stehen sie auf verschiedenen Drähten, ist der Stromkreis unterbrochen.
Merksatz
Ein Schalter im Hauptkreis schaltet alle parallel geschalteten Verbraucher gemeinsam. Schalter in den einzelnen Zweigen schalten nur ihren eigenen Zweig. Mit zwei Wechselschaltern (Treppenschaltung) lässt sich eine Lampe von zwei Stellen aus ein- und ausschalten.
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Aufgabenpool 1.2.2: Reihen- und Parallelschaltung – Selbsttest [0/4]
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1.3 Elektrische Quellen
Erklärung
| Quelle | Energieumwandlung |
|---|---|
| Batterie | Chemische Energie → Elektrische Energie |
| Akku | Chemische Energie ↔ Elektrische Energie (aufladbar) |
| Generator | Mechanische Energie → Elektrische Energie |
| Solarzelle | Lichtenergie → Elektrische Energie |
Batterie vs. Akku:
- Batterie (Primärzelle): einmalig verwendbar, nicht aufladbar
- Akku (Sekundärzelle): mehrfach aufladbar, langfristig günstiger und umweltfreundlicher
Beispiel: Energiequellen im Alltag
- Fernbedienung: AA-Batterie (nicht aufladbar)
- Smartphone: Lithium-Ionen-Akku (aufladbar, hunderte Ladezyklen)
- Fahrrad-Dynamo: Generator (Bewegung → Strom → Licht)
- Taschenrechner mit Solarzellen: Licht → Strom (kein Batteriewechsel nötig)
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Aufgabenpool 1.3.2: Elektrische Quellen – Selbsttest [0/4]
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Experiment: Licht als Energiequelle: die Solarzelle Klasse: 7 | Dauer: 15 min | Schwierigkeit: einfach
Material
- 1 Solarzelle (klein)
- 1 Batterieindikator (Stromanzeiger)
- 2 Krokodilklemmen
Aufbau
Verbinde die Solarzelle mit dem Batterieindikator: rote Klemme an den Plus-Pol der Solarzelle, schwarze Klemme an den Minus-Pol.
Durchführung
1. Bedecke die Solarzelle vollständig mit der Hand. Beobachte den Indikator.
2. Nimm die Hand weg – die Solarzelle liegt im Raumlicht. Beobachte den Indikator.
3. Leuchte mit einer Taschenlampe direkt auf die Solarzelle.
4. Variiere den Abstand der Lampe zur Solarzelle.
Auswertung
- Wann schlägt der Indikator aus – wann nicht?
- Was liefert hier die Energie für den Strom?
- Was passiert, wenn du die Lampe weiter weg hältst? Erkläre mit dem Energiebegriff.
Experiment: Chemische Energie: das galvanische Element Klasse: 7 | Dauer: 20 min | Schwierigkeit: mittel
Material
- 1 flache Wanne oder Schale
- 1 Kupferplatte
- 1 Zinkplatte
- 1 Stück Filz
- Zitronensäure (Pulver oder Lösung)
- 1 Batterieindikator
- 2 Krokodilklemmen
Aufbau
Lege die Zinkplatte in die Wanne, dann den mit Zitronensäurelösung getränkten Filz darauf, dann die Kupferplatte obendrauf. Verbinde Zink mit dem Minus-Pol und Kupfer mit dem Plus-Pol des Batterieindikators.
Durchführung
1. Befeuchte den Filz gut mit der Zitronensäurelösung.
2. Lege Zinkplatte – Filz – Kupferplatte übereinander in die Wanne.
3. Schließe den Batterieindikator an und beobachte den Ausschlag.
4. Trenne die Metalle und beobachte, was passiert.
5. Notiere: Material, Aufbau, Beobachtung.
Auswertung
- Wann fließt Strom – wann nicht?
- Was liefert hier die Energie?
- Vergleiche deinen Aufbau mit einer handelsüblichen Batterie: Was haben beide gemeinsam?
Erweiterte Information: Ausblick Klasse 9: Bewegung als Energiequelle (Induktion)
In einer Spule aus Kupferdraht entsteht Strom, wenn sich ein Magnet oder Eisenstab darin bewegt. Man nennt das elektromagnetische Induktion. Dieses Prinzip steckt in jedem Fahrrad-Dynamo und in großen Kraftwerksgeneratoren.
Material: Kupferdrahtspule (auf Glasrohr), Eisenstab, Batterieindikator, 2 Krokodilklemmen
Aufbau: Verbinde die beiden Enden der Spule mit dem Batterieindikator. Der Eisenstab wird frei in die Spule hinein- und herausbewegt.
Durchführung:
1. Halte den Stab ruhig in der Mitte der Spule – beobachte den Indikator.
2. Bewege den Stab langsam hinein und heraus – beobachte den Indikator.
3. Bewege den Stab schnell hinein und heraus – vergleiche den Ausschlag.
4. Halte den Stab wieder still. Was zeigt der Indikator?
Auswertung:
- Wann fließt Strom – wann nicht?
- Was liefert hier die Energie für den Strom?
- Was ändert sich bei schnellerer Bewegung?
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1.4 Elektrische Leiter und Isolatoren
Erklärung
Materialien werden nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit eingeteilt:
Elektrische Leiter:
- Lassen Strom gut fließen
- Besitzen freie Elektronen, die sich bewegen können
- Beispiele: Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Graphit, Salzwasser
Isolatoren (Nichtleiter):
- Lassen keinen Strom fließen
- Keine freien Elektronen
- Beispiele: Kunststoff, Gummi, Glas, Holz (trocken), Porzellan
Halbleiter:
- Leiten unter bestimmten Bedingungen (z.B. Temperatur, Licht)
- Grundlage moderner Elektronik (z.B. Transistoren, Solarzellen)
Beispiel: Aufbau eines Elektrokabels
Ein Haushaltskabel besteht aus zwei Schichten:
- Innen: Kupferlitze (Leiter) – leitet den Strom
- Außen: Kunststoffmantel (Isolator) – schützt vor gefährlicher Berührung
Dieser Aufbau aus Leiter + Isolator ist bei allen elektrischen Kabeln und Geräten zu finden.
Lückentext 1.4.1: Lade...
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Aufgabenpool 1.4.2: Leiter und Isolatoren – Selbsttest [0/4]
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1.5 Sicherheit beim Umgang mit Strom
Erklärung: Warum kann Strom gefährlich sein?
Unser Körper besteht zum großen Teil aus Wasser mit gelösten Salzen – das leitet elektrischen Strom sehr gut. Fließt Strom durch deinen Körper, kann er Muskeln verkrampfen, das Herz aus dem Takt bringen oder die Haut verbrennen.
Wie hoch ist die gefährliche Spannung?
- Batterien bis 12 V: ungefährlich
- Steckdose 230 V: lebensgefährlich!
- Auch kleine Akkus können bei Kurzschluss heiß werden oder Feuer fangen.
Erklärung: Die wichtigsten Sicherheitsregeln
- Mit nassen Händen anfassen
- Gegenstände (Schraubenzieher, Büroklammer, …) hineinstecken
- Defekte Kabel oder Stecker benutzen
- Geräte selbst aufschrauben
Bei Wasser besondere Vorsicht:
- Strom und Wasser nie zusammenbringen – kein Föhn in der Badewanne, kein Radio am Pool.
- Im Badezimmer dürfen nur fest installierte Steckdosen mit Schutzschalter sein.
Bei Batterien und Akkus:
- Niemals kurzschließen (Plus und Minus direkt verbinden).
- Knopfzellen außer Reichweite von kleinen Kindern halten (giftig beim Verschlucken).
- Aufgeblähte oder beschädigte Akkus sofort fachgerecht entsorgen.
Im Notfall:
- Bei einem Stromunfall erst den Stromkreis trennen (Stecker ziehen, Sicherung herausdrehen) – nie die Person direkt anfassen, solange sie noch unter Strom steht!
- Sofort 112 wählen.
Beispiel: Warum sind Schutzkontakte und Sicherungen wichtig?
- Schutzkontakt ("Schuko"-Stecker): leitet einen Defektstrom direkt in die Erde ab, statt durch dich.
- Sicherung im Sicherungskasten: unterbricht den Stromkreis bei zu hoher Stromstärke – verhindert Kabelbrand.
Diese beiden Schutzvorrichtungen retten jedes Jahr viele Leben.
Aufgabenpool 1.5.1: Sicherheit – Selbsttest [0/4]
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