Klasse 8: Kennlinien von Widerständen

1. Fragestellungen

Wie ändert sich in einem Draht die Intensität der Elektronenströmung in Abhängigkeit von der Spannung? Ist das Verhalten vom verwendeten Material abhängig?

Benötigte Materialien

Für die folgenden Experimente benötigst du folgende Materialien:

1 Steckbrett, Box 1: Grundschaltungen, 2 Multimeter, 6 Kabel, 1 Netzgerät; aus dem blauen Koffer: zwei Klemmen, Kontantan-Draht (blaue Rolle) und Kupferdraht (schwarze Rolle)

Vorwissen auffrischen

Du musst für den folgenden Versuch wissen, wie man den Strom und die Spannung an einem Bauteil messen kann. Falls du das nicht mehr weißt, hilft dir dieses Video:

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In unseren Versuchen können wir sowohl zur Messung der Spannung, als auch zur Messung der Stromstärke das gleiche Gerät benutzen: Das Multimeter. Du musst es nur für die Spannungsmessung und für die Strommessung jeweils unterschiedlich in den Stromkreis einbauen und die korrekte Einstellung vornehmen. Prüfe dein Wissen mit dem Quiz:

Was misst du, wenn du das Messgerät auf den jeweils angegebenen Bereich einstellst?

2. Aufbau

Baue den Versuch wie auf dem Foto abgebildet auf. Überlege dir, wie du gleichzeitig die Stromstärke durch den Draht und die am Draht abfallende Spannung messen kannst! Erstelle einen beschrifteten Schaltplan auf dem Arbeitsblatt rechts neben dem Foto (Schaltzeichen für den Draht ist bereits vorgegeben).

Lösung: Schaltbild

Baue den Versuch nach deinem Schaltplan auf (du musst dafür einen Baustein austauschen). Verwende zunächst den blauen Draht (Konstantan). Überprüfe, ob die Messgeräte auf die richtigen Messbereiche eingestellt sind, bevor du weitermachst.

Lösung: Aufbau

Achte darauf, dass die Messgeräte richtig angeschlossen sind (unterschiedliche Ausgänge für Strom- und Spannungsmessung!) und dass du die Messbereiche an den Messgeräten richtig einstellst. Hier werden Stromstärken über 200mA gemessen, deshalb muss der Messbereich auf 10A eingestellt werden.

3. Durchführung

(1) Welche Größe musst du im Experiment messen?

(2) Welche Größe veränderst du im Experiment?

Beschreibe in Worten, wie du den Versuch durchführen wirst.

Lösung: Durchführung

(1) Welche Größe musst du im Experiment messen? -->Die Stromstärke I

(2) Welche Größe veränderst du im Experiment? -->Die Spannung U

Beschreibung der Durchführung:

Die Spannung an der Spannungsquelle wird in gleichmäßigen Schritten erhöht und die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung gemessen. Die Werte für Spannung und Stromstärke werden in die Tabelle eingetragen.

4. Messergebnisse

Trage deine Messergebnisse in die Tabelle auf dem Arbeitsblatt ein.

Lösung: Messergebnisse eintragen

Beachte, dass deine Werte leicht abweichen können.

5. Auswertung

Trage die Messwerte für jedes untersuchte Bauteil in ein U-I-Diagramm ein, d. h. du trägst die Spannung U nach rechts und die Stromstärke I nach oben auf. Zeichne jetzt eine ausgleichende Kurve (Kennlinie) in jedes Diagramm ein; die Kurve soll Messungenauigkeiten „ausgleichen“, indem sie sinnvoll „zwischen“ den Kreuzchen im Diagramm verläuft und den Verlauf der Kreuzchen gut widerspiegelt.

Lösung: Kennlinie Konstantan

Beachte, dass deine Werte leicht abweichen können.

Lösung: Kennlinie Kupfer

Beachte, dass deine Werte leicht abweichen können.

Suche dir für jedes Bauteil drei verschiedene Werte für die am Bauteil abfallende Spannung U heraus, lies die zugehörige Stromstärke I mithilfe der Kurve ab und berechne den Widerstand R des Bauteils für jeden Spannungswert.

Lösung: Widerstandswerte

Beispielwerte (Ablesepunkte sind in den Diagrammen oben durch Kreise markiert):

Konstantan (links), Kupfer (rechts); Widerstandswerte in Ohm

Was kannst du über den Widerstand der Bauteile aussagen? Formuliere deine Ergebnisse:

Lösung: Formulierung der Erkenntnisse

In beiden Fällen nimmt die Intensität der Elektronenströmung (I) mit zunehmender Spannung U zu.

Im ersten Fall (Konstantan) liegen die Messwerte sogar auf einer Ursprungsgeraden. Aus der Mathematik wissen wir: Die Elektronenströmung ist damit direkt proportional zur Spannung U. Wenn sich die Spannung verdoppelt, verdoppelt sich damit auch die Intensität der Elektronenströmung usw. Der Quotient aus Spannung und Stromstärke ist hier konstant. Der Quotient ist der Widerstand des Drahtes. Der Widerstand von Konstantan bleibt also konstant (daher der Name).

Für Kupfer liegen die Messwerte nicht auf einer Ursprungsgeraden. Der Widerstand von Kupferdraht nimmt mit zunehmender Spannung zu: Mit zunehmender Spannung und damit Stromstärke steigt auch die Temperatur im Kupferdraht. Bei höherer Temperatur schwingen die Atomrümpfe im Draht stärker hin und her und die Elektronen können den Draht nicht mehr so gut passieren. Der Widerstand im Draht steigt mit zunehmender Temperatur an.

Lernvideo zur Auswertung und Ohm'sches Gesetz

Wenn man Kupferdraht in Wasser taucht, ändert sich die Temperatur im Kupferdraht mit zunehmender Stromstärke nicht. Kupferdraht unter Wasser zeigt also das gleiche Verhalten wie Konstantan in unserem Experiment. In diesem Lernvideo von Wolfgang Lutz ist dieses Experiment und seine Auswertung erklärt:

Videolink: Lernvideo (fu-berlin.de)