Die alte Lichterkette
AFB I–IIAuf dem Dachboden findet Familie Kern eine alte Lichterkette mit 20 Lämpchen. Beim Einstecken bleibt sie komplett dunkel. Der Vater schraubt nacheinander einzelne Lämpchen heraus und notiert, was passiert (Material M1). Nachbar Herr Ott sagt: „Wenn 19 Lämpchen heil sind, müssen die doch wenigstens ein bisschen leuchten.“
| Versuch | Was gemacht wurde | Beobachtung |
|---|---|---|
| 1 | Kette eingesteckt, alle 20 Lämpchen eingeschraubt | alle dunkel |
| 2 | Lämpchen Nr. 7 herausgeschraubt | alle dunkel |
| 3 | Lämpchen Nr. 7 wieder rein, Nr. 13 gegen ein neues getauscht | alle 20 leuchten |
| 4 | danach Lämpchen Nr. 2 herausgeschraubt | alle dunkel |
Alle Lämpchen der Kette sind hintereinandergeschaltet.
- Beschreibe mit eigenen Worten, wie die Lämpchen in dieser Kette verbunden sind, und nenne den Fachbegriff.
- Erkläre mithilfe von M1, warum die ganze Kette bei Versuch 1 dunkel blieb.
- Widerlege die Aussage von Herrn Ott.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Die Lämpchen hängen alle hintereinander an einer einzigen Leitung — wie Perlen auf einer Schnur. Der Strom muss durch jedes Lämpchen hindurch, bevor er zum nächsten kommt; es gibt nur einen einzigen Weg.
Fachbegriff: Reihenschaltung (auch Serienschaltung).
Lösung zu Aufgabe b)
Bei Versuch 1 war Lämpchen Nr. 13 defekt: Sein Glühfaden war gerissen, und damit war der Stromkreis an dieser Stelle unterbrochen. In einer Reihenschaltung genügt eine einzige Unterbrechung, damit nirgendwo mehr Strom fließt — deshalb blieben alle 20 Lämpchen dunkel.
Das zeigt Versuch 3: Nach dem Tausch von Nr. 13 war der Kreis wieder geschlossen und die ganze Kette leuchtete. Versuch 2 und 4 bestätigen die Regel: Ein herausgeschraubtes Lämpchen wirkt genauso wie ein defektes.
Lösung zu Aufgabe c)
Die Aussage ist falsch. Sie würde nur stimmen, wenn jedes Lämpchen seinen eigenen Weg zum Strom hätte. In der Reihenschaltung gibt es aber nur einen Weg, und der führt durch alle 20 Lämpchen.
Ein defektes Lämpchen wirkt wie ein offener Schalter: Der Kreis ist unterbrochen, es fließt kein Strom — auch nicht durch die 19 heilen Lämpchen. Genau das zeigen die Versuche 2 und 4, bei denen jeweils nur ein einziges Lämpchen fehlte und trotzdem alles dunkel blieb.
Not-Aus in der Schulwerkstatt
AFB II–IIIIn der Schulwerkstatt gibt es drei rote Not-Aus-Taster: an der Tür, an der Werkbank und am Lehrerpult. Wird einer davon gedrückt, muss die Maschine sofort stehen bleiben — egal, welcher es war. Der Hausmeister zeichnet dazu die zwei möglichen Schaltungen (Material M2). Zusätzlich testet die Klasse mit einem einfachen Aufbau, wie hell zwei Lämpchen in Reihe leuchten (Tabelle in M2).
| Aufbau | Lämpchen im Kreis | Beobachtete Helligkeit |
|---|---|---|
| 1 | 1 Lämpchen an 4,5 V | hell |
| 2 | 2 Lämpchen in Reihe an 4,5 V | deutlich dunkler |
| 3 | 3 Lämpchen in Reihe an 4,5 V | nur noch schwach |
Alle Taster sind Schalter, die im gedrückten Zustand öffnen.
- Entscheide, welcher Vorschlag für die Not-Aus-Taster der richtige ist, und begründe deine Wahl.
- Beschreibe den Zusammenhang zwischen der Zahl der Lämpchen und der Helligkeit aus der Tabelle und erkläre ihn.
- Beurteile, ob man die Zimmerlampen einer Wohnung in Reihe schalten sollte.
Tipp zu Aufgabe a)
Tipp zu Aufgabe b)
Tipp zu Aufgabe c)
Lösung zu Aufgabe a)
Richtig ist Vorschlag A: die drei Taster in Reihe.
Begründung: In einer Reihenschaltung gibt es nur einen einzigen Weg. Öffnet ein einziger Taster, ist der Kreis unterbrochen und die Maschine steht — gleich, welcher der drei gedrückt wurde.
Bei Vorschlag B hätte jeder Taster einen eigenen Zweig. Der Strom würde einfach über die beiden noch geschlossenen Zweige weiterfließen; die Maschine liefe weiter. Das wäre lebensgefährlich.
Lösung zu Aufgabe b)
Je mehr Lämpchen in Reihe liegen, desto dunkler leuchtet jedes einzelne: ein Lämpchen hell, zwei deutlich dunkler, drei nur noch schwach.
Erklärung: Die Spannung der Quelle beträgt immer 4,5 V. Diese Spannung muss sich auf alle Verbraucher im Kreis aufteilen. Bei zwei Lämpchen bekommt jedes nur etwa die Hälfte, bei drei nur etwa ein Drittel — entsprechend weniger Energie wird pro Lämpchen in Licht umgewandelt.
Lösung zu Aufgabe c)
Eine Reihenschaltung der Zimmerlampen wäre sehr unpraktisch — sie ist deshalb im Haushalt auch nicht üblich.
Erstens: Geht eine einzige Lampe kaputt, wird die ganze Wohnung dunkel (siehe Lichterkette). Zweitens: Jede Lampe leuchtet umso schwächer, je mehr Lampen brennen. Drittens: Man könnte die Räume nicht einzeln schalten — mit einem Schalter wäre überall Licht oder nirgends.
Im Haushalt werden Lampen und Steckdosen deshalb parallel geschaltet. Sinnvoll ist die Reihenschaltung dort, wo genau dieses „alles oder nichts“ gewollt ist, zum Beispiel bei Not-Aus-Tastern oder Sicherheitsschaltern an einer Maschine.