Wie löse ich physikalische Aufgaben? |
Widerstandskombinationen (2) |
Die nachfolgende Aufgabe kannst Du teils durch Überlegung teils durch Rechnung lösen. Probiere beides, falls möglich!
| 1. Zwei Widerstände R1 und R2 sind parallel
geschaltet. Die Spannung der Stromquelle ("Batteriespannung") U0
beträgt 12 V.
a) Wie müssen ein Strommesser und ein Spannungsmesser geschaltet sein, damit der Strom durch R1 und der Spannungsabfall an R1 gemessen werden können? Gib jeweils die 2 Punkte an, mit denen die beiden Anschlüsse der Messgeräte verbunden werden müssen. Begründung ? b) Zunächst sollen beide Widerstände gleich sein: R1 = R2. Gib - ohne Rechnung - an, wie groß die Spannungen U1 und U2 an den beiden Widerständen und vergleiche die durch sie fließenden Ströme I1 und I2. Wie groß ist jetzt der Gesamtwiderstand? c) Berechne nun die Stromstärken I1 und I2, wenn R1 = 500 W , R2 = 1,5 kW ! |
Lösung |
Kommentar |
1.a)
Schaltung:
Der Strom durch den Widerstand R1 muss durch den Strommesser fließen. Das geht nur, wenn der Stromkreis unterbrochen und der Strommesser in den Stromkreis eingebaut wird, z.B. zwischen F und C (anstelle der jetzt eingezeichneten Verbindung). Genauso muss der Stromkreis unterbrochen und der Strommesser in den Stromkreis eingebaut wird, wenn der Strom durch R2 gemessen werden soll, z.B. zwischen E und D (anstelle der jetzt eingezeichneten Verbindung). Ein Spannungsmesser muss parallel zu dem Bauteil geschaltet werden, an dem die Spannung anliegt. Will man die Spannung am Widerstand R1 messen, gibt es viele Möglichkeiten: der Spannungsmesser kann mit den Punkte G und C oder auch H und D, oder auch A und B verbunden werden. An parallelgeschalteten Widerständen muss die gleiche Spannung anliegen.
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Der Strommesser muss immer in den Stromkreis eingebaut
werden, damit der zu messende Strom auch durch ihn fließen kann. Damit
der Strommesser den Strom selbst möglichst wenig beeinflusst, muss er
einen möglichst kleinen Widerstand haben.
Auch ein Spannungsmesser muss den Stromkreis so wenig wie möglich beeinflussen; er darf also nicht noch zusätzliche Ströme ermöglichen. Dazu muss er einen möglichst großen Innenwiderstand haben. Der Strom parallel zu R1 von H nach G ist dann vernachlässigbar klein. |
| 1.b) Antwort durch Überlegung:
An beiden Widerständen liegt die gleiche Spannung, nämlich die Batteriespannung 12 V. Wenn die Widerstände gleich sind, fließt durch sie der gleiche Strom. Insgesamt fließt aus der Stromquelle der doppelte Strom wie bei einem einzigen Widerstand. Der Gesamtwiderstand ist also halb so groß, also R = R1/2 = R2/2 |
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| 1.b) Antwort durch Rechnung:
Es gilt U0 = R1.I1. Der Strom I1 wird durch die Batteriespannung und den Widerstand R1 festgelegt: I1 = U0 /R1 und genauso I2 = U0 /R2. Da die beiden Widerstände gleich sein sollen, ist I1 = I2. (Für das Verhältnis I1/I2 folgt also R2U0/R1U0 = R2/R1= 1 bei gleichen Widerständen). Bei einer Parallelschaltung addieren sich die Kehrwerte der Einzelwiderstände zum Kehrwert des Gesamtwiderstands: 1/R = 1/R1 + 1/R2 = 2/R1 also R = R1/2 |
Ansatz wie er auch bei beliebigen Widerständen angewandt werden
könnte. Es macht nichts, dass die Widerstände R1 =
R2 nicht bekannt sind. Wenn man allgemein rechnet, kürzt
sich der unbekannte Widerstand heraus.
Dies zeigt wieder einmal, wie nützlich eine allgemeine Rechnung ist. Hoffentlich gefällt Dir die Lösung durch Überlegung auch besser als die durch Rechnung! |
| 1.c) Gegeben: U0 = 12 V R1 = 500
W , R2 = 1,5
kW
Gesucht: I1 und I2 Hier hilft nur eine Rechnung. Damit erhältst Du den Strom durch alle Teile des Stromkreises: I1 = U0 / R1 = 12 V / 500 W = 12/5 10-2 V / (V/A) = 24 mA und I2 = U0 / R2 = 12 V / 1,5 kW = 12/1,5 10-3 V / (V/A) = 8,0 mA |
Bei einer Parallelschaltung werden die Stromstärken unabhängig
voneinander berechnet.
Die ungenauesten Größen sind mit 2 geltenden Ziffern angegeben, deshalb wird auch das Ergebnis auf 2 geltende Ziffern gerundet. |
| Insgesamt fließt aus der Stromquelle der Strom I = I1 + I2 = 32 mA | |
| I1 ist größer als I2, weil bei gleicher Spannung U1 der Widerstand R1 kleiner ist als R2. I1 ist 3 x so groß wie I1, weil R1 1/3 von R2 ist. Die zweite Rechnung hätte man sich mit dieser Überlegung sparen können! | Antwortsatz und Diskussion des Ergebnisses |
Ich hoffe, dir gefällt die Lösung mittels einfacher Überlegung auch besser. Auch in der Physik sollte man den gesunden Menschenverstand nicht ablegen! Aber oft kommt man nicht ohne Rechnung weiter.
Du hast den Lösungsweg jetzt sicher verstanden. Du würdest Dir für ähnliche Situationen aber gleich noch mehr Erfahrung verschaffen, wenn Du selbst eine ähnliche Aufgabe erfinden und lösen würdest, die gegenüber der vorliegenden leicht abgeändert ist: mehr Widerstände, Widerstände parallel geschaltet, andere Widerstandswerte, Widerstände in bestimmten Verhältnissen (einer doppelt so groß wie der andere), doppelte Spannung U0 ... .
So ähnlich geht der Lehrer bei der Entwicklung einer Schulaufgabe auch vor: Er geht von besprochenen Aufgaben aus und ändert sie ab, so dass er sieht, dass Du den Kern der Sache verstanden hast, ohne den Lösungsweg auswendig gelernt zu haben.