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 Test - elektrische Schaltungen

Welche der folgenden Aussagen sind richtig?


1)   Ein Themengebiet im Bereich von MINT sind elektrische Schaltungen, diese kombinieren Grundlagen naturwissenschaftlicher Fächer. Betrachten wir hierzu ein passendes Beispiel

a)  Wir bauen eine elektrische Schaltung, die als Sensor für Feuchtigkeit fungiert. Dazu können wir beispielsweise zwei Metalldrähte nehmen, die jeweils an den Pol einer Batterie "befestigt" sind. Stecken wir diese beiden Drähte in feuchte Erde, so entsteht ein geschlossener Stromkreis. Befindet sich in dem Stromkreis noch eine Glühlampe, so leuchtet diese auf und zeigt Feuchtigkeit an. Neben Grundlagen elektrischer Schaltungen benötigen wir auch Kenntnisse über Leitfähigkeit oder atomaren Aufbau von Stoffen.

b)  Für die Entwicklung einer elektrischen Schaltung benötigen wir nur Physikkenntnisse und hierbei nur Kenntnisse über Elektrik bzw. Grundlagen elektrischer Schaltungen.

 

2)   Mit Hilfe von elektrischer Schaltungen kann man also "Sensoren" aufbauen, die im täglichen Leben benötigt werden. Dabei werden Informationen in Form des elektrischen Stroms "weitergeleitet". Auf welche Weise können solche Sensoren reagieren?

a)  "Sensoren" reagieren auf Veränderungen in der Umgebung, diese Veränderungen können sein: Änderung der Feuchtigkeit, Temperatur, Helligkeit, Druck oder Magnetfelds. Diese Informationen werden (in Form von elektrischen Strömen) in Signale umgewandelt, die weitergeleitet und verarbeitet werden.

b)  "Sensoren" reagieren nur auf Temperatur-Veränderungen in der Umgebung. Das einfache Teilchenmodell liefert hierzu auch die passende Erklärung. So bewegen sich Atome in einem Metall bei höherer Temperatur schneller. Diese Geschwindigkeit kann gemessen werden. Die Geschwindigkeitszunahme zeigt uns eine Temperaturerhöhung in  der Umgebung an.
 
 

3)  Wie müsste denn ein "Sensor" zur Erfassung der Helligkeit funktionieren?

a)   Hierfür benötigt man einen temperaturabhängigen Widerstand, denn bei Helligkeit ist die Umgebungstemperatur höher. Durch die höhere Temperatur leitet jeder Widerstand den elektrischen Strom besser. Dieser elektrische Stromfluss kann nun mit Hilfe geeigneter Bauteile in akustische oder optische Signale (Lampe) "umgewandelt" werden

b)    Man benötigt ein Bauteil, dass elektrischen Strom  in einem Stromkreis in Abhängigkeit der Helligkeit (weiter)leitet. Hierzu verwendet man in der Technik sogenannte "Fotowiderstände". Bei Helligkeit hat der Fotowiderstand einen geringeren Widerstand, er leitet damit den Strom (besser). Der elektrische Stromfluss wird durch ein geeignetes Bauteil (Lampe o.ä.) angezeigt.
 
 

4)  Wie sieht denn ein technischer "Helligkeitssensor" aus (z.B. Dämmerungsschalter)?

a)  Wir haben auch hier einen elektrischen Stromkreis mit einem Fotowiderstand. Zusätzlich ist in dem Stromkreis ein Relais in Reihe geschaltet, dass wir ein elektromagnetischer Schalter funktioniert. Bei Helligkeit leitet der Fotowiderstand den elektrischen Strom. Das Relais schaltet dadurch den Stromkreis aus, der den Lampenstromkreis bildet. Dadurch "geht" eine Lampe aus, wenn es hell wird.

b)  Bei einem Dämmerungsschalter haben wir einen elektrischen Stromkreis mit einem temperaturabhängigen Widerstand, einem sogenannten Heißleiter. Nimmt die Helligkeit und damit die Umgebungstemperatur ab, leitet der Heißleiter den elektrischen Strom (besser). Somit kann in diesem elektrischen Stromkreis eine Lampe betrieben werden, die erst bei Dunkelheit leuchtet.
 
 

5)  In Aufgabe 4 haben wir von einem sogenannten Relais gesprochen, dass wie ein elektromagnetischer Schalter funktioniert. Wie ist ein Relais aufgebaut?

a)  Bei einem Relais handelt sich um die Parallelschaltung von zwei temperaturabhängigen Halbleitern. Dieser Halbleiter verbindet zwei elektrische Schaltkreise. Je nach Temperatur leitet (oder leitet nicht) der Halbleiter den elektrischen Strom und "steuert" damit die beiden Stromkreise, denn nur einer ist geschlossen.

b)  Ein Relais kann in zwei getrennte elektrische Stromkreise eingebaut werden (ein Relais hat vier Anschlusskontakte). Ein Relais besteht aus einer Spule mit einem Eisenkern und einem beweglichen Anker mit Kontaktfedern. Wird die Spule von Strom (im ersten Stromkreis) durchflossen, so entsteht ein magnetisches Feld. Der Anker mit den Kontaktfedern wird durch das Magnetfeld angezogen und schließt so den zweiten Stromkreis bzw. kann ein Relais auch so konstruiert sein, dass durch das Magnetfeld die Kontaktfeder den zweiten Stromkreis öffnet.
 
 

6)  Wie lässt sich denn ein Temperatursensor aufbauen?

a)  Hierzu verwenden wir (temperaturabhängige) Widerstände. Beispielsweise können wir sogenannte Heißleiter verwendet. Dies sind temperaturabhängige Widerstände, die bei Wärme den elektrischen Strom (besser) leiten als bei Kälte. Damit ist es möglich, dass in dem geschlossenen Stromkreis ab einer bestimmten Temperatur eine Glühlampe aufleuchtet. Achtung: Es gibt auch sogenannte Kaltleiter, also temperaturabhängige Widerstände, die den elektrischen Strom bei kälteren Temperaturen besser leiten.

b)  Hierzu verwenden wir (temperaturabhängige) Widerstände. Beispielsweise können wir sogenannte Heißleiter verwendet. Dies sind temperaturabhängige Widerstände, die bei Wärme den elektrischen Strom (schlechter) leiten als bei Kälte. Damit ist es möglich, dass in dem geschlossenen Stromkreis ab einer bestimmten Temperatur eine Glühlampe nicht mehr leuchtet und damit "höhere" Temperaturen anzeigt
 
 

7)  Was sind die grundlegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten die wir kennen müssen, um eine elektrische Schaltung aufzubauen?

a)   Grundsätzlich müssen wir in der Lage sein, an einem Bauteil Stromstärke, Spannung oder Widerstand zu berechnen (hierzu dient das Ohmsche Gesetz). Darüber hinaus sollte bekannt sein, wie sich Stromstärke und Spannung in komplexen elektrischen Schaltungen (Reihen- und Parallelschaltung) verhalten, hierzu dienen die sogenannten Kirchhoffschen Gesetze.

b)  Grundsätzlich müssen wir in der Lage sein, Ursachen des elektrischen Stroms zu verstehen und in der Lage sein, Stromstärke und Spannung in einer elektrischen Schaltung zu berechnen. Hierzu dient uns das Uhmsche Gesetz. Zusätzlich sollten wir erkennen, welche Art von Schaltung vorliegt (Parallel- oder Reihenschaltung), damit wir wissen, welches Bauteil im Stromkreis überhaupt betrieben werden soll.
 
 

 

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