Aufgabenblock — AFB II
Zehn Aufgaben aus allen neun Unterkapiteln des Themas „Stromkreise“. Auf der Stufe AFB II reicht es nicht, einen Wert zu nennen: Du musst Zusammenhänge herstellen und in mehreren Schritten anwenden — erst die Situation übersetzen, dann rechnen oder vergleichen, dann entscheiden. Wenn es hakt, helfen dir bei jeder Aufgabe drei gestufte Tipps; darunter steht die vollständige Lösung.
Nach einem Sturm ist am Feldweg ein Strommast umgeknickt. Eine Leitung hängt herunter und liegt quer über einem Fahrrad. Eine Person liegt daneben und hält den Lenker noch fest. Der Boden ist vom Regen nass. Du kommst als Erste dazu.
1) Was tust du zuerst?
2) Welche vier Aussagen zu diesem Unfall stimmen? Klicke alle richtigen an — falsche bleiben unangeklickt.
Vollständige Lösung
Teil 2: Richtig sind: „Ich würde selbst Teil des Stromkreises“, „nasse Haut und nasser Boden vergrößern die Gefahr“, „man sieht der Leitung die Spannung nicht an“ und „später trotzdem zur Ärztin oder zum Arzt“. Falsch ist die Reihenfolge „erst ziehen, dann rufen“ — und falsch ist auch der Gedanke, eine Leitung sei ohne sichtbare Funken harmlos. Bei Hochspannung springt der Strom sogar durch die Luft; deshalb gilt: großer Abstand, niemals berühren.
Jonas schraubt seine Taschenlampe auf. Darin liegen zwei AA-Batterien mit je 1,5 V hintereinander, ein Schiebeschalter, eine Metallfeder als Kontakt und ein Lämpchen mit Glühfaden.
b) Jonas notiert sechs Zustände. Entscheide bei jedem: Ist der Stromkreis geschlossen (das Lämpchen leuchtet) oder unterbrochen (es bleibt dunkel)? Wähle einen Eintrag aus und drücke dann im passenden Feld auf „Hierhin legen“.
Lämpchen leuchtet
Bleibt dunkel
Vollständige Lösung
b) Dunkel bleibt es bei: Schalter auf 0 (der Schalter öffnet den Kreis), gerissener Glühfaden (der Verbraucher hat innen eine Lücke), verbogene Feder (die Leitung zur Batterie ist unterbrochen) und leeren Batterien (die Stromquelle liefert keine Energie mehr). Leuchten tut sie, wenn alles fest sitzt — und auch mit einem Kratzer im Gehäuse, denn das Gehäuse gehört nicht zum Stromweg. Merksatz: Genau eine dieser vier Lücken reicht schon aus. Deshalb prüft man bei einer dunklen Taschenlampe der Reihe nach: Schalter, Batterien, Kontakte, Glühfaden.
Eine Gruppe zeichnet den Schaltplan für eine Prüfschaltung: Batterie, Schalter, Glühlampe und ein Amperemeter, das die Stromstärke im Kreis messen soll. Beim Aufbau leuchtet die Lampe — aber das Amperemeter zeigt fast nichts an.
a) Vier Stellen im Plan sind mit a bis d markiert. Klicke die Stelle an, an der der Fehler steckt. Mit der Tastatur: mit Tab hineinspringen, mit den Pfeiltasten wechseln, mit Enter oder der Leertaste auswählen.
b) Wie behebst du den Fehler?
Vollständige Lösung
In der Reihenschaltung gibt es genau einen Weg für den Strom — fällt ein Bauteil aus, ist alles aus. In der Parallelschaltung hat jeder Verbraucher seinen eigenen Zweig und arbeitet unabhängig von den anderen. Genau daraus ergibt sich, welche Schaltung für welche Aufgabe die richtige ist.
a) Sortiere die sechs Situationen ein. Sag dir bei jeder zuerst innerlich die Begründung auf, dann lege sie ab.
Reihenschaltung
Parallelschaltung
b) An einer 4,5-V-Flachbatterie hängen erst ein, dann zwei, dann drei gleiche Lämpchen in Reihe. Bei drei Lämpchen leuchtet jedes nur noch schwach. Woran liegt das?
Vollständige Lösung
Parallelschaltung — überall dort, wo die anderen weiterlaufen sollen: Deckenlampen, Steckdosen und die moderne Lichterkette. So ist auch jede Wohnung verkabelt.
Zu b): Die Batterie liefert eine feste Spannung von 4,5 V. Diese Spannung teilt sich auf alle Verbraucher auf; bei drei Lämpchen entfällt auf jedes nur noch ein Drittel davon, also leuchtet jedes schwach. Die beiden anderen Antworten sind typische Fehlvorstellungen: Eine Batterie wird durch mehr Lämpchen weder schwächer noch stärker, und der Strom „sucht“ sich in einer Reihenschaltung gar nichts aus — es gibt nur einen Weg, und die Stromstärke ist an jeder Stelle gleich groß.
Ein 6-V-Akku versorgt gleiche Lämpchen in Parallelschaltung. Durch jedes einzelne Lämpchen fließen 0,2 A. Der Akku ist für höchstens 1,5 A ausgelegt.
c) Du gehst von drei auf sechs Lämpchen. Was passiert mit der Helligkeit der einzelnen Lämpchen?
Vollständige Lösung
b) Der Akku verträgt 1,5 A. Rechne weiter: 6 Lämpchen → 1,2 A, 7 Lämpchen → 1,4 A, 8 Lämpchen → 1,6 A. Die 1,6 A liegen bereits über der Grenze, also passen höchstens 7 Lämpchen.
c) An jedem Zweig liegt die volle Spannung des Akkus an — egal, wie viele Zweige es gibt. Deshalb bleibt jedes Lämpchen gleich hell. Es ändert sich etwas anderes: Der Akku muss immer mehr Strom liefern und ist dadurch schneller leer. Genau so ist es auch im Haus — nur löst dort bei zu viel Strom die Sicherung aus.
Schaltungs-Prüfstand — selbst ausprobieren
Zwischendurch zum Anfassen: Baue eine Schaltung mit bis zu vier Lämpchen an einem 6-V-Akku. Wähle Reihe oder parallel, öffne und schließe den Schalter und drehe einzelne Lämpchen heraus. Rechts liest du in Worten mit, was in deiner Schaltung passiert — genau die Überlegungen, die du in den Aufgaben brauchst.
Ein Klick auf ein Lämpchen dreht es heraus, ein zweiter dreht es wieder ein. Mit der Tastatur: mit Tab zum ersten Lämpchen, mit den Pfeiltasten zum nächsten, mit Enter oder der Leertaste heraus- und wieder eindrehen.
Aufgabenblock — Teil 2
Weiter mit den Aufgaben A6 bis A10: Stoffe beurteilen, Spannungen anpassen, Ströme mit einer Sicherung vergleichen und aus einer Messreihe eine Vorhersage ableiten.
An einem Verlängerungskabel ist der Kunststoffmantel aufgescheuert. Zwei blanke Kupferadern liegen frei nebeneinander. Im Klassenzimmer kursieren drei Vorschläge.
a) Welcher Vorschlag ist der richtige?
b) Warum ist ausgerechnet die Alufolie die gefährlichste Idee?
c) Welche dieser Stoffe würden die beiden blanken Adern ebenfalls leitend verbinden? Klicke alle drei an.
Vollständige Lösung
b) Alufolie ist Aluminium — ein Metall und damit ein guter Leiter. Um die Schadstelle gewickelt, würde sie die beiden Adern miteinander verbinden: Das ist ein Kurzschluss. Dann fließt ein sehr großer Strom, und die Sicherung im Kasten muss auslösen. Ein Isolator wäre genau das Gegenteil von dem, was Alufolie ist.
c) Leitend verbinden würden: Büroklammer aus Stahl, Salzwasser und Kupferdraht. Radiergummi, trockenes Holz und Porzellan sind Isolatoren und würden nichts verbinden — reparieren darf man mit ihnen trotzdem nicht. Vergleich: Genau nach diesem Prinzip ist ein Schraubendreher für Elektroarbeiten gebaut — Stahlklinge als Leiter, dicker Kunststoffgriff als Isolator.
Im Materialkasten liegen AA-Batterien zu je 1,5 V, eine Flachbatterie (4,5 V), eine Blockbatterie (9 V) und ein USB-Netzteil (5 V). Auf den Lämpchen steht aufgedruckt, welche Spannung sie brauchen: 1,5 V, 3,5 V und 4,5 V.
c) Für das 3,5-V-Lämpchen hast du nur AA-Batterien. Wie viele nimmst du?
d) Was passiert, wenn du das 4,5-V-Lämpchen an die 9-V-Blockbatterie hängst?
Vollständige Lösung
c) Für 3,5 V gibt es mit 1,5-V-Batterien keinen Treffer: Zwei ergeben 3,0 V, drei ergeben 4,5 V. Richtig sind zwei Batterien. Bei etwas zu wenig Spannung leuchtet das Lämpchen nur ein wenig schwächer und bleibt heil; bei 4,5 V statt 3,5 V wäre es dagegen dauerhaft kaputt.
d) 9 V sind das Doppelte von 4,5 V. Das Lämpchen leuchtet kurz sehr hell, dann schmilzt der Glühfaden und reißt — der Stromkreis ist unterbrochen und das Lämpchen unbrauchbar. Regel: Die Spannung muss zum Gerät passen. Zu wenig ist ärgerlich, zu viel ist endgültig.
Im Hobbyraum hängen alle Geräte parallel an einem Stromkreis, der mit einer 10-A-Sicherung abgesichert ist. Nebenan in der Küche liegt derselbe Aufbau an einer 16-A-Sicherung.
| Gerät | Stromstärke |
|---|---|
| Heizlüfter | 6,5 A |
| Kreissäge | 4 A |
| Lötstation | 0,4 A |
| Deckenlampe | 0,3 A |
c) Was passiert bei allen vier Geräten — im Hobbyraum und in der Küche?
d) Welche drei Maßnahmen sind erlaubt und sinnvoll, damit die Sicherung im Hobbyraum nicht mehr auslöst?
Vollständige Lösung
b) Ohne den Heizlüfter bleiben 4 A + 0,4 A + 0,3 A = 4,7 A — sehr entspannt für beide Sicherungen.
c) 11,2 A sind mehr als 10 A: Die Sicherung im Hobbyraum unterbricht den Stromkreis, weil die Stromstärke zu groß ist. Dieselben Geräte an der 16-A-Sicherung der Küche wären dagegen kein Problem, denn 11,2 A sind weniger als 16 A. Eine Sicherung reagiert auf die Stromstärke, nicht auf die Spannung — und sie liegt in Reihe im Stromkreis, damit der ganze Strom durch sie hindurchmuss.
d) Erlaubt sind: Geräte auf mehrere Stromkreise verteilen, nicht alles gleichzeitig einschalten und bei wiederholtem Auslösen eine Elektrofachkraft rufen. Niemals darf man eine stärkere Sicherung einsetzen, eine Münze einlegen oder am Schutzleiter herumbasteln: Die Sicherung ist absichtlich das schwächste Glied und schützt die Leitungen in der Wand vor Überhitzung.
Eine Klasse baut Elektromagnete und zählt, wie viele Büroklammern jeder tragen kann. Aus der Messreihe lässt sich etwas ablesen, das gar nicht in der Tabelle steht.
| Windungen | Stromstärke | Kern | Büroklammern |
|---|---|---|---|
| 20 | 1 A | Eisen | 3 |
| 40 | 1 A | Eisen | 6 |
| 60 | 1 A | Eisen | 9 |
| 40 | 2 A | Eisen | 12 |
| 40 | 1 A | kein Kern | 1 |
c) Der Lehrer legt eine Kupfermünze und eine Eisenschraube vor den eingeschalteten Elektromagneten. Was passiert?
Vollständige Lösung
b) Genauso: 20 Windungen tragen bei 1 A drei Büroklammern, bei 2 A also etwa 6.
c) Angezogen wird nur die Eisenschraube. Magnetisierbar sind nur Eisen, Nickel, Kobalt und ihre Legierungen. Kupfer leitet den Strom hervorragend, wird aber nicht magnetisch — gut leiten und magnetisch werden sind zwei verschiedene Eigenschaften. Und die letzte Tabellenzeile? Sie zeigt den dritten Zusammenhang: dieselbe Spule ohne Eisenkern trägt nur noch eine einzige Büroklammer statt sechs. Der Kern macht den größten Unterschied.
Die Zahl mit dem V sagt, wie stark der Strom „drückt“. Sechs Spannungsquellen stehen durcheinander. Bringe sie mit den Pfeiltasten ↑ und ↓ in die richtige Reihenfolge — von der kleinsten zur größten Spannung.
- 1Autobatterie — 12 V
- 2AA-Batterie in der Fernbedienung — 1,5 V
- 3Bahn-Oberleitung — 15 000 V
- 4Blockbatterie im Rauchmelder — 9 V
- 5Steckdose im Haushalt — 230 V
- 6USB-Netzteil am Handy — 5 V
c) Welche zwei Spannungen aus der Liste liegen über dieser Grenze und sind damit gefährlich?
Vollständige Lösung
Gefährlich wird es für den Menschen ab etwa 50 V. Über dieser Grenze liegen nur die Steckdose mit 230 V (lebensgefährlich) und die Bahn-Oberleitung mit 15 000 V — dort ist schon die Nähe tödlich, weil der Strom meterweit durch die Luft überspringt. Wichtig: Auch die 12 V der Autobatterie sind nicht harmlos im Sinne von „egal“ — ein Kurzschluss wird dort sehr heiß. Ungefährlich für den Menschen ist die Spannung selbst aber erst unterhalb der 50-V-Marke.
Wie war es?
Zehn Aufgaben der Stufe AFB II — mehrschrittig, mit Übersetzung in den Alltag. Wie sicher fühlst du dich jetzt?