Licht im Kinderzimmer
AFB I–IIIm Zimmer von Noah und seiner Schwester gibt es drei Lampen: die Deckenlampe, die Schreibtischlampe und das Nachtlicht. Jede lässt sich einzeln ein- und ausschalten, und alle leuchten gleich hell — auch wenn nur eine brennt. Gestern ist die Birne der Deckenlampe durchgebrannt; die anderen beiden leuchteten normal weiter. Material M1 zeigt die Schaltung im Zimmer.
Noahs Cousin behauptet: „Wenn ihr alle drei gleichzeitig anmacht, wird jede Lampe dunkler — der Strom muss sich ja aufteilen.“
Die schwarzen Punkte markieren Verbindungen der Leitungen.
- Nenne den Fachbegriff für diese Schaltung und beschreibe, wie viele Wege der Strom von der Quelle zurück zur Quelle hat.
- Erkläre, warum die anderen beiden Lampen weiterleuchteten, als die Deckenlampe durchbrannte.
- Widerlege die Behauptung des Cousins.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Es handelt sich um eine Parallelschaltung.
Der Strom hat drei getrennte Wege: Von der Quelle aus zweigt an den Verbindungspunkten je ein Zweig ab, jeder mit eigenem Schalter und eigener Lampe, und alle Zweige führen wieder zur Quelle zurück. Jede Lampe hat damit ihren eigenen Weg.
Lösung zu Aufgabe b)
Die durchgebrannte Birne unterbricht nur den Zweig, in dem sie sitzt. Die beiden anderen Zweige sind davon völlig unabhängig und bleiben geschlossen, deshalb fließt dort weiterhin Strom.
Genau darum werden im Haushalt alle Lampen und Steckdosen parallel geschaltet: Ein defektes Gerät legt nicht die ganze Wohnung lahm. In einer Reihenschaltung wäre alles dunkel geworden.
Lösung zu Aufgabe c)
Die Behauptung ist falsch, und die Alltagserfahrung widerspricht ihr: Das Zimmerlicht wird nicht dunkler, wenn zusätzlich die Schreibtischlampe eingeschaltet wird.
Grund: Jeder Zweig liegt mit seinen beiden Enden direkt an der Quelle, also liegt an jeder Lampe die volle Spannung an — unabhängig davon, wie viele andere Lampen brennen. Jede Lampe leuchtet deshalb immer gleich hell.
Der Cousin verwechselt das mit der Reihenschaltung. Richtig ist an seinem Gedanken nur: Die Quelle muss insgesamt mehr Strom liefern, wenn mehr Zweige eingeschaltet sind.
Der Bollerwagen mit Beleuchtung
AFB II–IIIFür den Laternenumzug rüstet die Klasse einen Bollerwagen mit Lämpchen aus. Alle Lämpchen hängen parallel an einem 6-V-Akku. Beim Testlauf misst die Lehrerin, wie viel Strom der Akku liefert (Material M2). Der Akku hält bei 0,6 A rund vier Stunden. Ein Schüler schlägt vor: „Wir hängen einfach noch fünf Lämpchen dran, parallel merkt der Akku das ja nicht.“
| Zahl der eingeschalteten Lämpchen | Strom aus dem Akku | Helligkeit je Lämpchen |
|---|---|---|
| 1 | 0,2 A | hell |
| 2 | 0,4 A | hell |
| 3 | 0,6 A | hell |
Alle Lämpchen sind gleich gebaut. Der Akku ist für höchstens 1,5 A ausgelegt.
- Beschreibe den Zusammenhang aus M2 und berechne, wie groß der Strom bei 5 und bei 8 Lämpchen wäre.
- Begründe, warum der Akku bei mehr Lämpchen früher leer ist, obwohl jedes Lämpchen gleich hell bleibt.
- Beurteile den Vorschlag des Schülers. Beziehe die Belastungsgrenze des Akkus mit ein.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Jedes zusätzliche Lämpchen erhöht den Strom um 0,2 A; die Helligkeit bleibt gleich. Der Gesamtstrom ist also die Summe der Zweigströme.
5 Lämpchen: 5 · 0,2 A = 1,0 A. 8 Lämpchen: 8 · 0,2 A = 1,6 A.
Lösung zu Aufgabe b)
Jedes Lämpchen bekommt in der Parallelschaltung die volle Spannung und zieht deshalb seinen eigenen Strom von 0,2 A. Alle Zweigströme zusammen muss der Akku liefern.
Der Akku enthält aber nur einen begrenzten Energievorrat. Je größer die Stromstärke, desto schneller ist dieser Vorrat aufgebraucht: Bei 0,6 A reicht er vier Stunden, bei 1,2 A nur noch etwa halb so lange. Die Lämpchen leuchten bis zuletzt gleich hell — dafür eben kürzer.
Lösung zu Aufgabe c)
Der Vorschlag ist so nicht brauchbar. Richtig ist zwar, dass jedes Lämpchen weiterhin hell leuchtet — der Akku „merkt“ die zusätzlichen Lämpchen aber sehr wohl.
Mit fünf weiteren Lämpchen wären es acht, also 1,6 A. Das liegt über der Grenze von 1,5 A: Der Akku wird überlastet und heiß. Außerdem wäre er in gut anderthalb Stunden leer — der Umzug dauert länger.
Sinnvoll wären höchstens sieben Lämpchen (1,4 A) oder ein zweiter Akku. Zu Hause übernimmt genau diese Aufgabe die Sicherung: Sie unterbricht den Stromkreis, wenn zu viele Geräte gleichzeitig laufen.