Parallelschaltungen: Textaufgaben – Physik Klasse 8

Zwei Zweige, drei Messstellen

AFB I

Zwei Lämpchen hängen in zwei getrennten Zweigen nebeneinander an derselben Batterie (\(U = 6{,}0\,\mathrm{V}\)); ein Hauptschalter liegt in der gemeinsamen Zuleitung. Gemessen werden sollen die Gesamtstromstärke \(I\) sowie die beiden Zweigstromstärken \(I_1\) und \(I_2\).

Übertragen Sie den beschriebenen Schaltplan (Batterie, Hauptschalter, zwei parallele Lämpchenzweige) in Ihr Heft und zeichnen Sie die drei Messstellen für \(I\), \(I_1\) und \(I_2\) ein.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)

Der Gesamtstrom fließt dort, wo sich der Weg noch nicht geteilt hat. Die Zweigströme fließen jeweils hinter dem Knotenpunkt. Ein Amperemeter wird stets in den Stromweg eingebaut, den es messen soll.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Skizze zeigt: Von der Batterie führt eine gemeinsame Zuleitung über den Hauptschalter zu einem Knotenpunkt, dort teilt sich der Weg in die beiden Lämpchenzweige, die sich hinter den Lämpchen an einem zweiten Knotenpunkt wieder vereinigen.

Messstellen: \(I\) in der gemeinsamen Zuleitung (zwischen Batterie/Schalter und dem ersten Knotenpunkt); \(I_1\) im ersten Zweig, in Reihe zum Lämpchen L₁; \(I_2\) im zweiten Zweig, in Reihe zum Lämpchen L₂. Alle drei Amperemeter liegen also im jeweiligen Stromweg, nicht daneben.

Das Modellhaus wird voller

AFB II–III

In einem Modellhaus sind alle Steckdosen parallel an eine 12-V-Quelle angeschlossen. Nacheinander werden Geräte zugeschaltet; jedes Mal werden die Gesamtstromstärke in der Zuleitung und die Spannung an der zuletzt angeschlossenen Steckdose gemessen. In der Zuleitung sitzt eine Sicherung, die über 2 A auslöst.

Nach dem Versuch schlägt Timo vor: „In einem echten Wohnhaus sollte man alle Lampen in Reihe schalten – dann braucht man viel weniger Kabel und spart Geld.“

Messreihe im Modellhaus (Quellenspannung 12 V)
Zugeschaltete Geräte	Gesamtstromstärke	Spannung an der Steckdose
1 Gerät	0,4 A	12 V
2 Geräte	0,9 A	12 V
3 Geräte	1,7 A	12 V
4 Geräte	2,4 A	12 V

Werten Sie die Messreihe aus: Wie verhalten sich Gesamtstromstärke und Spannung an den Steckdosen, wenn weitere Geräte zugeschaltet werden?
Interpretieren Sie Ihr Ergebnis im Hinblick auf die Sicherung: Bei welchem Gerät löst sie aus, und was bedeutet das für die Zuleitung?
Diskutieren Sie Timos Vorschlag.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)

Betrachten Sie die beiden Spalten getrennt. Welche Größe ändert sich, welche bleibt gleich? Formulieren Sie zu jeder Spalte einen Satz.

Hinweis zu Aufgabe b)

Vergleichen Sie die Werte der Spalte „Gesamtstromstärke“ mit der Auslöseschwelle von 2 A und übertragen Sie den Befund auf die Erwärmung der Zuleitung.

Hinweis zu Aufgabe c)

Sammeln Sie zuerst Argumente für Timos Vorschlag, dann dagegen – und wägen Sie am Ende ab. Denken Sie an das, was bei einem Defekt und beim einzelnen Ein- und Ausschalten passiert.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Gesamtstromstärke: Sie wächst mit jedem zugeschalteten Gerät – von 0,4 A über 0,9 A und 1,7 A auf 2,4 A.

Spannung: Sie bleibt bei allen Messungen 12 V. An jedem Zweig einer Parallelschaltung liegt die volle Quellenspannung, unabhängig davon, wie viele weitere Geräte angeschlossen sind.

Gesamtaussage: Zusätzliche Geräte verändern die Spannung an den übrigen nicht – sie erhöhen aber die Belastung der gemeinsamen Zuleitung.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Nach dem dritten Gerät liegt die Gesamtstromstärke mit 1,7 A noch unter der Schwelle; mit dem vierten Gerät erreicht sie 2,4 A und damit mehr als 2 A. Die Sicherung löst also beim Zuschalten des vierten Geräts aus und trennt die gesamte Zuleitung.

Bedeutung: Die einzelnen Geräte sind völlig in Ordnung – überlastet wird die gemeinsame Zuleitung, durch die der Strom aller Geräte gemeinsam fließt. Genau dort würde sich die Leitung ohne Sicherung unzulässig erwärmen. Die Sicherung schützt damit die Leitung, nicht die Geräte.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für Timos Vorschlag: In einer Reihenschaltung genügt ein einziger durchgehender Stromweg, man benötigt tatsächlich weniger Leitungen; außerdem wäre die Gesamtstromstärke kleiner, die Zuleitung also geringer belastet.

Gegen den Vorschlag: (1) Die Spannung würde sich auf alle Lampen aufteilen – bei vielen Lampen bliebe für jede einzelne so wenig übrig, dass sie kaum leuchtet. (2) Lampen ließen sich nicht mehr einzeln schalten: Ein Schalter würde immer das ganze Haus dunkel machen. (3) Bei einem einzigen Defekt bliebe das gesamte Haus ohne Licht, und die Fehlersuche wäre aufwendig. (4) Geräte mit unterschiedlichem Bedarf könnten nicht gemeinsam betrieben werden.

Abwägung: Die Ersparnis an Kabel ist gering, die Nachteile sind gravierend. Deshalb werden Steckdosen und Lampen in Wohnhäusern parallel geschaltet – jedes Gerät bekommt die volle Spannung und lässt sich unabhängig von den anderen betreiben. Die dadurch größere Gesamtstromstärke wird durch Sicherungen beherrscht.