Schaltungen, Stromwirkungen und Energie
Im Treppenhaus drückst du auf den Lichtschalter, und die Lampe geht an. Aber warum geht manchmal das Licht nur an, wenn zwei Dinge gleichzeitig passieren, und manchmal schon, wenn eines davon passiert? Und warum wird ein Föhn heiß, obwohl er eigentlich nur Luft bewegen soll? Das findest du in diesem Abschnitt heraus.
Schaltplan und Schaltsymbole
Damit jeder einen Stromkreis versteht, zeichnet man ihn nicht als Bild der Geräte, sondern als Schaltplan. Dafür gibt es genormte Schaltsymbole. Die Linien werden rechtwinklig gezeichnet, ohne Kurven.
Ein einfacher Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle (Batterie), einem Verbraucher (Lampe), Leitungen und meist einem Schalter. Der Schalter öffnet oder schließt den Stromkreis: Nur im geschlossenen Stromkreis fließt Strom. Im Modell fließen dann die frei beweglichen Elektronen im Kreis: Die Batterie treibt sie an, im Metalldraht sind sie überall vorhanden, und sie fließen vom Minuspol durch die Lampe zum Pluspol. Sie werden dabei nicht verbraucht.
Zeichne den Schaltplan mit Schaltsymbolen, beschreibe ihn in Worten und beantworte die Frage: a) Ein Stromkreis mit Batterie, Schalter und Lampe. b) Welche Aufgabe hat…
Zeichne den Schaltplan mit Schaltsymbolen, beschreibe ihn in Worten und beantworte die Frage:
- a) Ein Stromkreis mit Batterie, Schalter und Lampe.
- b) Welche Aufgabe hat der Schalter im Stromkreis?
Reihen- und Parallelschaltung, UND und ODER
Mit zwei Schaltern kannst du zwei verschiedene Schaltungen bauen.
Reihenschaltung der Schalter: Der Strom muss nacheinander durch beide Schalter. Die Lampe leuchtet nur, wenn Schalter 1 und Schalter 2 geschlossen sind. Das ist die UND-Schaltung.
Parallelschaltung der Schalter: Der Strom hat zwei Wege. Die Lampe leuchtet, wenn Schalter 1 oder Schalter 2 (oder beide) geschlossen ist. Das ist die ODER-Schaltung.
| Schalter 1 | Schalter 2 | UND (Reihe) | ODER (parallel) |
|---|---|---|---|
| offen | offen | aus | aus |
| zu | offen | aus | an |
| offen | zu | aus | an |
| zu | zu | an | an |
Bei Lampen ist es anders als bei Schaltern: In einer Reihenschaltung von Lampen gehen alle aus, wenn eine ausfällt, und sie leuchten schwächer. Bei einer Parallelschaltung arbeitet jede Lampe für sich und leuchtet hell. Deshalb sind Haushaltsgeräte an der Steckdose parallel geschaltet.
Eine Lampe soll nur leuchten, wenn zwei Schalter gleichzeitig geschlossen sind (UND-Schaltung). Bei einer ODER-Schaltung genügt es, wenn einer von zwei Schaltern…
Eine Lampe soll nur leuchten, wenn zwei Schalter gleichzeitig geschlossen sind (UND-Schaltung). Bei einer ODER-Schaltung genügt es, wenn einer von zwei Schaltern geschlossen ist.
- a) Mit welcher Schaltung (Reihen- oder Parallelschaltung der Schalter) erreichst du die UND-Schaltung?
- b) Mit welcher die ODER-Schaltung?
Ein Garagentor soll sich nur öffnen, wenn ein Schlüsselschalter und ein Funktaster beide betätigt sind. a) Zeichne den Schaltplan. b) Um welche Schaltung handelt es…
Ein Garagentor soll sich nur öffnen, wenn ein Schlüsselschalter und ein Funktaster beide betätigt sind.
- a) Zeichne den Schaltplan.
- b) Um welche Schaltung handelt es sich?
- c) Wie müsste der Schaltplan aussehen, wenn eine Klingel von zwei Eingängen aus betätigt werden soll (Haustür und Hintertür)?
Der Treppenhaus-Trick: ODER aus mehreren Eingängen
Im Treppenhaus soll das Licht von unten oder oben schaltbar sein, und ein Bewegungsmelder soll es zusätzlich einschalten. Hier hilft eine Überlegung in Schritten.
Ein Treppenhauslicht soll von unten und oben ein- und ausgeschaltet werden können. Zusätzlich soll ein Bewegungsmelder die Lampe einschalten, unabhängig von den…
Ein Treppenhauslicht soll von unten und oben ein- und ausgeschaltet werden können. Zusätzlich soll ein Bewegungsmelder die Lampe einschalten, unabhängig von den Schaltern.
- a) Beschreibe eine Schaltung mit zwei Wechselschaltern und dem Bewegungsmelder und erkläre, wie die ODER-Verknüpfung zwischen dem Bewegungsmelder und den Schaltern entsteht.
- b) Skizziere den Schaltplan und begründe die Verdrahtung.
- c) Nenne einen Vorteil und einen Nachteil des Bewegungsmelders hinsichtlich Energieverbrauch.
Wirkungen des elektrischen Stroms
Fließt Strom, kannst du ihn nicht sehen, aber du erkennst seine Wirkungen:
-
Wärmewirkung: Der Draht erwärmt sich. Beispiele: Toaster, Herd, Wasserkocher, Heizlüfter.
-
Lichtwirkung: Ein Draht glüht oder ein Leuchtmittel strahlt. Beispiele: Glühlampe, LED, Leuchtstoffröhre.
-
Magnetische Wirkung: Eine stromdurchflossene Spule (mit Eisenkern) wirkt wie ein Magnet. Beispiele: Klingel, Elektromagnet, Kran auf dem Schrottplatz.
In einem Gerät treten oft mehrere Wirkungen zugleich auf: Eine Glühlampe leuchtet und wird dabei heiß.
Sicherungen schützen vor Gefahren: Bei einem Kurzschluss (Strom fließt ohne Verbraucher direkt von Pol zu Pol) oder bei Überlastung wird der Strom sehr groß, und die Leitungen werden gefährlich heiß. Eine Schmelzsicherung enthält einen dünnen Draht, der dann durchschmilzt. Ein Sicherungsautomat schaltet den Stromkreis ab und kann wieder eingeschaltet werden.
Bei einem Toaster wird die Heizwendel heiß, bei einer Lampe leuchtet der Glühdraht, bei einer Klingel bewegt sich ein Anker. a) Ordne zu: Wärmewirkung, Lichtwirkung,…
Bei einem Toaster wird die Heizwendel heiß, bei einer Lampe leuchtet der Glühdraht, bei einer Klingel bewegt sich ein Anker.
- a) Ordne zu: Wärmewirkung, Lichtwirkung, magnetische Wirkung.
- b) Nenne jeweils ein weiteres Gerät für Wärme- und Lichtwirkung.
Energieumwandlung und Energieentwertung
Eine Batterie oder die Steckdose liefert elektrische Energie. Ein Gerät wandelt sie in andere Energieformen um.
Beim Föhn gilt zum Beispiel: elektrische Energie → thermische Energie (warme Luft) + Bewegungsenergie (Lüfter) + ein wenig Schall.
Nützlich sind warme Luft und der Luftstrom. Unerwünscht ist der Lärm, und auch ein Teil der Wärme, der in das Gehäuse geht.
Energieentwertung bedeutet: Ein Teil der Energie wird in Wärme umgewandelt, die sich in der Umgebung verteilt und nicht mehr nutzbar ist. Energie geht dabei nicht verloren, aber sie ist nicht mehr nützlich.
Eine LED wandelt einen viel größeren Anteil der elektrischen Energie in Licht um als eine Glühlampe. Eine Glühlampe wird heiß, weil sie den größten Teil als Wärme abgibt.
Ein Föhn wandelt elektrische Energie um. a) Nenne die Energieformen, in die die elektrische Energie umgewandelt wird. b) Welche Umwandlung ist nützlich, welche ist…
Ein Föhn wandelt elektrische Energie um.
- a) Nenne die Energieformen, in die die elektrische Energie umgewandelt wird.
- b) Welche Umwandlung ist nützlich, welche ist unerwünscht?
- c) Erkläre den Begriff „Energieentwertung“ an diesem Beispiel.
Strom sparen: Leistung, Energie und Kosten
Geräte haben ein Leistungsschild mit der Leistung $P$ in Watt (W). Sie sagt, wie viel elektrische Energie das Gerät pro Sekunde umsetzt. Je größer die Leistung und je länger das Gerät läuft, desto mehr Energie braucht es. Für diese Aufgaben darfst du rechnen:
$$E = P \cdot t$$Rechnest du $P$ in W und $t$ in h, erhältst du $E$ in Wattstunden (Wh). $1\,000\,\mathrm{Wh} = 1\,\mathrm{kWh}$. Der Stromzähler zu Hause zeigt kWh an. Mit einem Preis pro kWh kannst du die Kosten ausrechnen.
Bei der Bewertung von Geräten schaust du nicht nur auf den Preis: Anschaffungskosten, Stromverbrauch, Lebensdauer, Umwelt (weniger Energie, weniger Abfall) und Komfort (Helligkeit, Einschaltzeit) zählen. Gute Sparmaßnahmen sind zum Beispiel LED statt Glühlampe, Geräte ganz ausschalten statt Stand-by, den Wasserkocher nur mit der nötigen Wassermenge füllen oder das Licht beim Verlassen des Raums ausschalten.
Familie Becker vergleicht eine Glühlampe ($60\ \text{W}$) mit einer LED-Lampe ($8\ \text{W}$), beide etwa gleich hell. a) Welche Lampe wandelt mehr elektrische Energie…
Familie Becker vergleicht eine Glühlampe ($60\ \text{W}$) mit einer LED-Lampe ($8\ \text{W}$), beide etwa gleich hell.
- a) Welche Lampe wandelt mehr elektrische Energie in Wärme um?
- b) Berechne die Energie beider Lampen in $4\ \text{h}$ in $\text{Wh}$ mit $E = P \cdot t$.
- c) Berechne die Kostenersparnis in $4\ \text{h}$ bei $0{,}35\ \text{€}$ pro $\text{kWh}$.
Ein Haushalt hat einen Wasserkocher ($2.000\ \text{W}$), einen Kühlschrank ($100\ \text{W}$, läuft $8\ \text{h}$ am Tag effektiv) und eine LED-Lampe ($10\ \text{W}$,…
Ein Haushalt hat einen Wasserkocher ($2.000\ \text{W}$), einen Kühlschrank ($100\ \text{W}$, läuft $8\ \text{h}$ am Tag effektiv) und eine LED-Lampe ($10\ \text{W}$, $5\ \text{h}$ pro Tag). Der Wasserkocher läuft $0{,}2\ \text{h}$ pro Tag.
- a) Berechne den Tagesverbrauch jedes Geräts in $\text{kWh}$.
- b) Berechne die Kosten pro Tag bei $0{,}35\ \text{€}$ pro $\text{kWh}$.
- c) Welches Gerät bietet das größte Sparpotenzial? Begründe und nenne zwei Sparmaßnahmen.
Du bewertest zwei Gartenleuchten: Leuchte A hat eine Glühlampe ($40\ \text{W}$, $1\ \text{€}$ Anschaffung, Lebensdauer $1.000\ \text{h}$), Leuchte B eine LED (…
Du bewertest zwei Gartenleuchten: Leuchte A hat eine Glühlampe ($40\ \text{W}$, $1\ \text{€}$ Anschaffung, Lebensdauer $1.000\ \text{h}$), Leuchte B eine LED ($5\ \text{W}$, $4\ \text{€}$, Lebensdauer $15.000\ \text{h}$). Strompreis $0{,}35\ \text{€}$ pro $\text{kWh}$.
- a) Berechne die Stromkosten für $1.000\ \text{h}$ bei beiden Leuchten.
- b) Berechne die Gesamtkosten (Anschaffung plus Strom) für $1.000\ \text{h}$ und vergleiche.
- c) Bewerte beide Leuchten auch unter Gesichtspunkten der Umwelt und des Komforts.
Zurück zum Anfang: Das Licht im Treppenhaus geht bei einer ODER-Schaltung schon mit einem Schalter an, bei einer UND-Schaltung braucht es beide. Und der Föhn wird heiß, weil ein Teil der elektrischen Energie als Wärme entwertet wird.