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Versuche im Stromkreis

Zwei Aufgaben dazu, wie man richtig misst – und was ein falscher Anschluss von Amperemeter oder Voltmeter kostet.

1

Zwei Messgeräte, zwei Anschlussarten

AFB I–II

In einem Stromkreis liegen eine Quelle, ein Schalter und ein Widerstand. Gemessen werden sollen die Stromstärke im Stromkreis und die Spannung, die am Widerstand liegt.

  1. Zeichnen Sie den Schaltplan dieses Aufbaus mit beiden Messgeräten an der richtigen Stelle und beschriften Sie ihn.
  2. Begründen Sie, warum das Voltmeter parallel und das Amperemeter in Reihe angeschlossen wird.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Ein Gerät liegt im Stromweg, das andere neben dem Bauteil. Vergessen Sie an den Abzweigstellen die Knotenpunkte nicht.
Hinweis zu Aufgabe b)
Überlegen Sie für beide Geräte, was sie messen sollen – und was ihr eigener Einbau am Stromkreis verändern würde.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der Plan zeigt einen geschlossenen Umlauf: Quelle → Schalter → Amperemeter (Kreis mit A) → Widerstand → zurück zur Quelle. Das Voltmeter (Kreis mit V) hängt mit zwei zusätzlichen Leitungen parallel neben dem Widerstand; an den beiden Anschlussstellen sind Knotenpunkte gezeichnet.

Bewertet wird: genormte Schaltzeichen, geschlossener Stromkreis, Amperemeter im Stromweg, Voltmeter parallel zum Widerstand, Beschriftung \(U\), \(I\), \(R\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Amperemeter: Es soll zählen, wie viel Ladung durch den Stromkreis fließt. Dazu muss der gesamte Strom durch das Gerät hindurchgehen – also Einbau in Reihe. Damit es den Stromkreis dabei möglichst wenig verändert, hat ein Amperemeter einen sehr kleinen Widerstand.

Voltmeter: Es soll den Unterschied des Antriebs vor und hinter dem Bauteil messen. Dazu wird es an beide Anschlüsse des Bauteils gelegt – also parallel. Damit möglichst wenig Strom über das Messgerät statt über das Bauteil fließt, hat ein Voltmeter einen sehr großen Widerstand.

2

Ein Messprotokoll und drei Fehler

AFB II–III

Eine Gruppe nimmt zwei Messreihen auf. In Reihe A bleibt die Spannung bei \(6{,}0\,\mathrm{V}\) und der Widerstand wird verändert; in Reihe B bleibt der Widerstand bei \(30\,\Omega\) und die Spannung wird verändert.

Beim Aufräumen berichtet die Nachbargruppe von drei Missgeschicken: (1) Das Amperemeter wurde versehentlich parallel zur Quelle angeschlossen. (2) Das Voltmeter wurde in Reihe in den Stromweg eingebaut. (3) Am Amperemeter war ein zu kleiner Messbereich eingestellt.

Reihe A: U = 6,0 V konstant
WiderstandStromstärke
10 Ω0,60 A
20 Ω0,30 A
30 Ω0,20 A
40 Ω0,15 A
Reihe B: R = 30 Ω konstant
SpannungStromstärke
3,0 V0,10 A
6,0 V0,20 A
9,0 V0,30 A
12,0 V0,40 A
  1. Untersuchen Sie beide Messreihen unter der Frage, wovon die Stromstärke jeweils abhängt.
  2. Deuten Sie die Messreihe B im Wasserkreislauf-Modell.
  3. Entscheiden Sie begründet, welcher der drei Fehler das Messgerät am stärksten gefährdet, und geben Sie an, was bei den beiden anderen Fehlern jeweils geschieht.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Behandeln Sie die Reihen getrennt und formulieren Sie zu jeder einen „je … desto …“-Satz. Achten Sie darauf, welche Größe jeweils konstant gehalten wurde.
Hinweis zu Aufgabe b)
Übersetzen Sie zuerst die drei Größen der Reihe B in die Sprache des Modells und beschreiben Sie dann, was das Erhöhen des Pumpendrucks bewirkt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Denken Sie an die Widerstände der beiden Messgeräte aus Aufgabe 1 und daran, was ein sehr kleiner Widerstand direkt an der Quelle bedeutet. Legen Sie sich am Ende eindeutig fest.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Reihe A (\(U\) konstant, \(R\) verändert): Mit wachsendem Widerstand sinkt die Stromstärke – von 0,60 A bei 10 Ω auf 0,15 A bei 40 Ω. Je größer der Widerstand, desto kleiner bei gleicher Spannung die Stromstärke. Vervierfacht man den Widerstand, so sinkt die Stromstärke auf ein Viertel.

Reihe B (\(R\) konstant, \(U\) verändert): Mit wachsender Spannung steigt die Stromstärke – von 0,10 A bei 3,0 V auf 0,40 A bei 12,0 V. Je größer die Spannung, desto größer bei gleichem Widerstand die Stromstärke; vervierfachte Spannung ergibt vierfache Stromstärke.

Gesamtaussage: Die Stromstärke wird von zwei Größen bestimmt – sie wächst mit der Spannung und sinkt mit dem Widerstand.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Übersetzung: Spannung ≙ Druck der Pumpe, Stromstärke ≙ Wasserstrom, Widerstand ≙ Engstelle im Rohr.

Reihe B entspricht damit dem Versuch, bei unveränderter Engstelle den Druck der Pumpe schrittweise zu erhöhen. Das Ergebnis ist im Modell unmittelbar einsichtig: Je stärker die Pumpe drückt, desto mehr Wasser strömt in jeder Sekunde durch dieselbe Engstelle.

Bedeutung: Die Engstelle bleibt dieselbe – verändert wird allein der Antrieb. Damit deutet das Modell die Messreihe richtig. Wie in 3.0.4 gilt aber: Das Modell macht das Ergebnis plausibel, geprüft wird es durch die Messung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Am gefährlichsten ist Fehler (1): das Amperemeter parallel zur Quelle.

Begründung: Ein Amperemeter hat absichtlich einen sehr kleinen Widerstand. Legt man es unmittelbar an beide Pole der Quelle, so entsteht ein Kurzschluss: Die Stromstärke wird sehr groß, das Messwerk und gegebenenfalls die Quelle werden zerstört. Genau deshalb ist diese Fehlschaltung die einzige der drei, die das Gerät sicher beschädigt.

Fehler (2) – Voltmeter in Reihe: Das Voltmeter hat einen sehr großen Widerstand. In den Stromweg eingebaut bremst es den Strom fast vollständig; die Lampe bleibt dunkel und die Anzeige ist unbrauchbar. Kaputt geht dabei in der Regel nichts.

Fehler (3) – zu kleiner Messbereich: Das Gerät zeigt eine Überschreitung an (Anschlag oder Fehlermeldung). Bei modernen Geräten schützt eine eingebaute Sicherung; der Messwert ist verloren, das Gerät meist nicht.

Festlegung: Reihenfolge der Gefährlichkeit (1) > (3) > (2). Als Arbeitsregel folgt daraus: vor dem Einschalten prüfen, ob das Amperemeter wirklich im Stromweg liegt, und stets mit dem größten Messbereich beginnen.