[ electronic 159 ] [ Seitenende ] [ Versuch 1 ] [ Versuch 3 ]

electronic 159 – Versuch 2

Elektrischen Strom magnetisch ein- und ausschalten

Ist dir schon mal eine Stecknadel, eine Büroklammer oder eine kleine Schraube im Wohnzimmer auf den dicken, hochflorigen Teppich mit den langen Teppichschlaufen gefallen, sodass man sie nicht mehr finden konnte?

Hast du als Kind einmal mit einer Holzeisenbahn gespielt, wo die Anhänger mittels kleiner Magnetkupplungen aneinander gekuppelt wurden? Wenn man dabei einen der Anhänger falsch herum auf das Holzgleis gesetzt hat, dann ließ sich der Anhänger wider Erwarten nicht ankoppeln, weil sich die kleinen Magnete der Magnetkupplung abgestoßen haben!

Magnete haben nämlich jeweils einen Nord- und einen Südpol. Dabei zeigt sich, dass sich zwei Magnete anziehen, d.h. eine anziehende, magnetische Kraft aufeinander ausüben! Aber nur wenn man den Nordpol eines Magneten in die Nähe des Südpols eines anderen Magneten hält.

Umgekehrt stoßen sich zwei Magnete ab, wenn man den Nordpol eines Magneten in die Nähe des Nordpols eines anderen Magneten hält! Gleiches gilt, wenn man die beiden Südpole zweier Magnete aneinander hält!

Dabei stellt sich nun die Frage, wo der kleine „Rundmagnet“ in der Größe einer Fünf-Cent-Münze seinen Nord- und Südpol hat, und ob unsere Büroklammer nur vom Nordpol oder aber auch vom Südpol angezogen wird.

Da unser „Rundmagnet“ aber in der Mitte kein Loch, d.h. keine Bohrung hat, handelt es sich bei diesem in Wirklichkeit um einen Scheibenmagneten von dem es ausgerechnet auch noch zwei Typen gibt:

Scheibenmagnet mit

a) axialer Magnetisierung,
d.h. in Längsrichtung der vertikalen Achse und

b) diametraler Magnetisierung,
d.h. in gegenüber liegender Anordnung,
sowie z.B. zwei gegenüber liegendeTortenhälften einer Erdbeer- und einer Stachelbeer-Torte!

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Wie aber kann man herausfinden, um welchen Typ von Scheibenmagneten es sich bei unserem „Rundmagneten“ handelt?

Ganz einfach, indem wir den Scheibenmagneten waagrecht direkt ein, zwei Millimeter über den sogenannten Reedschalter halten, sodass sich unsere Glühlampe [18] einschaltet und leuchtet!

Wenn wir nun den Scheibenmagneten langsam horizontal um bis zu 180 Grad drehen und sich unsere Glühlampe [18] dabei plötzlich ausschaltet, indem sie nicht mehr leuchtet, dann haben wir es mit einer diametralen Magnetisierung zu tun! Da dem aber nicht so ist, haben wir es mit einem Scheibenmagneten mit axialer Magnetisierung zu tun! Wie übrigens bei den meisten Scheibenmagneten.

Da unsere Büroklammer im Normalzustand nicht magnetisch ist, also keinen magnetischen Nord- oder Südpol besitzt, wird diese sowohl vom Nord- als auch vom Südpol unseres Scheibenmagneten mit axialer Magnetisierung angezogen.

Wenn wir aber einige Büroklammern längere Zeit an unserem Scheibenmagneten haften lassen, dann werden diese im Laufe der Zeit magnetisch! Unsere magnetische Büroklammer oder besser noch unsere magnetische Steck- oder Nähnadel ließe sich dann wie ein kleiner Kompass einsetzen und sich vom Südpol hin zum Nordpol am Magnetfeld der Erde ausrichten!

Du kannst das übrigens selbst ausprobieren! Nimm eine kleine, flache Schale mit Wasser, lege ein 3 x 3 cm großes Stück Glanzpapier, das sich nicht mit Wasser voll saugt, vorsichtig auf die Wasseroberfläche, sodass es schwimmt. Dabei sollte man wissen, dass das Wasser in der flachen Schale eine sogenannte Oberflächenspannung hat, die das kleine Stück Glanzpapier mühelos trägt, sodass wir nun die magnetische bzw. magnetisierte Steck-/Nähnadel vorsichtig auf das Glanzpapier legen können, ohne dass es untergeht und wie ein Stein nach unten sinkt! Nach einer Weile dreht sich die magnetisierte Steck-/Nähnadel um die eigene Achse und richtet sich nach dem (magnetischen) Nordpol aus. Übrigens: der magnetische Nordpol ist nicht mit dem geografischen Nordpol identisch!

Wo übrigens findet man in der Wohnung oder im Haushalt gelegentlich Magnete? Beispielsweise in der magnetischen Türdichtung des Kühlschranks oder im magnetischen Türschloss als „Magnetschnäpper“ einer Schranktür.

Nun ist es an der Zeit, dass wir uns dem Magnetschalter [13] zuwenden, den man in der Fachsprache „Reedschalter“ nennt!

>> Reedschalter (oder Reedkontakte, historisch auch Herkon^[1][2][3][4]) sind im Glasrohr (hermetisch) eingeschmolzene Kontaktzungen aus einer Eisen-Nickellegierung, die durch ein Magnetfeld betätigt werden.

Die Bezeichnung „Reed“ (englisch für Röhrchen, Schilfhalm, norddeutsch Reet) bezieht sich auf das dünnwandige Glasröhrchen, in welchem die Kontaktdrähte eingeschmolzen sind. „Herkon“ steht für "hermetisch abgeschlossener Kontakt". Reedschalter sind in Reedsensoren oder Reed-Relais enthalten. Die ferromagnetischen Schaltungen bewegen sich bei einem von außen einwirkenden magnetischen Feld zueinander. Diese Technik erlaubt es, zuverlässige, hermetisch dichte Schaltelemente mit geringer Größe für – verglichen mit konventionellen Relais und Kontakten – schnelle Schaltvorgänge herzustellen.

Die Hauptkomponenten eines Reedkontaktes sind die Kontaktdrähte (Paddel) aus einer Nickel-Eisen-Legierung (Ni ca. 48 %) mit der äußeren Lötoberfläche (ca. 2–6 µm Zinn oder Gold) und inneren Kontaktflächen aus Edelmetall. Ein Glasröhrchen fixiert und schützt sie und enthält die Schutzgasfüllung (Stickstoff/Wasserstoff) oder ein Vakuum bei Hochspannungs-Schaltern. << (Quelle: Wikipedia)

Reedschalter lassen sich sehr gut in explosionsgeschützten Räumen wie z.B. U-Booten oder in Chemieanlagen einsetzen, da sich die Kontaktverbindung der beiden Kontaktzungen im Inneren des Glasröhrchens abspielt, sodass eventuelle Funken nicht nach außen dringen und explosive Gase zünden können, was unweigerlich eine Explosion zur Folge hätte!

Hier bei Wikipedia kann man sich die Funktionsweise mit einem Reedschalter in einer Animation anschauen:

(Klicke auf das Bild, um die Animation zu starten!)

Wichtig beim Magnetismus, d.h. bei unserem (Scheiben-) Magneten und seinem Magnetfeld ist, dass wir diesen mit unseren Augen nicht sehen, mit den Fingern nicht fühlen und mit den Ohren nicht hören können! Auch schmecken lassen sich das Magnetfeld und die Magnetfeldlinien nicht!

Obwohl wir das Magnetfeld nicht mit unseren Augen sehen können, so können wir aber trotzdem seine Wirkung, d.h. seine magnetisch Kraft auf andere magnetische, magnetisierbare Körper aus Eisen, Stahl (= eine besondere Form von veredeltem Eisen) oder (Eisen-/Stahl-) Blech usw. fühlen, wenn wir z.B. den Magneten in die Nähe eines metallischen Körpers wie z.B. die Ummantelung (= Stahlmantel) unserer 1,5 Volt Batterie vom Typ „Mignon AA“ halten!

Das Interessante am Magneten und seinem Magnetfeld ist ferner, dass man die magnetische Kraft nur dann spürt, solange sich der Magnet und sein Magnetfeld bewegen!

Sobald sich der Magnet oder sein gegenüberliegender, metallischer Körper nicht mehr bewegen, d.h. stillstehen und sich in Ruhelage befinden, verschwindet die magnetische Kraft bzw. geht diese gegen null!

Wichtig ist auch, dass die Magnetfeldlinien stets am Nordpol „N“ aus dem Magneten austreten, diesen also verlassen und beim Südpol „S“ wieder in den Magneten eintreten!

Magnetfeldlinien treten immer senkrecht, d.h. im rechten Winkel (= 90 Grad) aus der Oberfläche des Magnetpols aus bzw. wieder ein!

Magnetfeldlinien, die z.B. im Inneren des Magneten(!) parallel verlaufen, nennt man homogen, d.h. „gleichmäßig stark“!

Magnetfeldlinien, die im äußeren Magnetfeld des Magneten(!) nicht parallel verlaufen nennt man inhomogen, d.h. nicht „gleichmäßig stark“!

Magnetfelder und deren magnetische Kräfte lassen also immer nur dann wahrnehmen, wenn die Magnetfeldlinien „geschnitten“ werden, d.h. wenn ein anderer metallischer Körper in das Magnetfeld des Magneten eintritt bzw. eindringt und dabei die Feldlinien des Magneten durch seinen metallischen Körper durchleitet. Dabei muss sich einer der Körper auf den anderen zu bewegen! Demzufolge muss sich entweder der Magnet auf den metallischen Körper zu bewegen oder der metallische Körper auf den Magneten. Im Versuch 04 werden wir später noch mehr über den Magnetismus erfahren! -

Nachdem wir jetzt wissen, wie der kleine Scheibenmagnet und der Magnetschalter [13] in Form des Reedschalters, funktionieren, wird es wieder Zeit, dass wir uns der Praxis, d.h. dem Versuch 2 zuwenden:

(Zum Vergrößern bitte auf das Bild klicken!)

Wie wir bereits wissen, gibt es bei den Menschen nicht nur Rechtshänder, sondern auch Linkshänder. Dabei verhält es sich so, dass Linkshänder mit der linken Hand streng genommen von links nach rechts schreiben müssten, damit die frische Tinte vom Tintenfüller oder Filzschreiber nicht durch die schreibende Hand verwischt und unleserlich wird.

Trotzdem lernen auch die Linkshänder in der Schule von links nach rechts zu schreiben und zu lesen, sodass sie bei der frischen Tinte aufpassen müssen, diese nicht mit der schreibenden, linken Hand zu verwischen.

Würden die Linkshänder hingegen von rechts nach links schreiben, dann gäbe es das Problem mit dem Verschmieren der Tinte nicht. Allerdings müssten die Linkshänder nicht nur von rechts nach links schreiben, sondern dabei auch rückwärts, was natürlich besonders schwierig wäre!

Sei es wie es ist, wenn wir uns den obenstehenden Versuch 2 anschauen, bei dem sich die Batteriehalterung [19] mit den beiden 1,5 Volt Batterien vom Typ „Mignon AA“ auf der rechten Seite der Schaltung befindet, dann könnte man meinen, dass die Schaltung von einem Linkshänder aufgebaut wurde.

Da wir es aber in der westlichen Welt, d.h. Europa, den USA und nicht nur dort, überwiegend mit Rechtshändern zu tun haben und deshalb von links nach rechts schreiben und lesen, verändern wir die obenstehende Schaltung dahingehend, dass sich die Batteriehalterung [19] mit den beiden 1,5 Volt Batterien auf der linken Seite der Schaltung befindet:

Außerdem positionieren wir unseren magnetischen Ein- und Ausschalter, d.h. den Magnetschalter [13] (= Reedschalter) in den oberen Zweig der Schaltung, da dieser die Stromzufuhr auf dem „Hinweg“ vom „+“-Pol der Batteriehalterung [19] zur Glühlampe [18] unterbricht, d.h. ein- oder ausschaltet und nicht auf dem „Rückweg“ zum „-“-Pol Batteriehalterung [19].

Schließlich geht es aus Sicherheitsgründen prinzipiell darum, dass die Schaltung beim Ausschalten nicht mit der Stromzuführung („+“-Pol der Batteriehalterung [19]) verbunden bleibt!

Wenn wir nun unseren kleinen Scheibenmagneten über den Magnetschalter [13] (= Reedschalter) halten, dann werden die beiden metallischen Schaltzungen magnetisiert, sodass sich diese mechanisch und elektrisch verbinden und dadurch die Stromzufuhr auf dem „Hinweg“ vom „+“-Pol der Batteriehalterung [19] zur Glühlampe [18] herstellen mit der Folge, dass diese hell leuchtet!

Wenn wir so wie eben beschrieben verfahren und die Stromzufuhr durch Einschalten des Magnetschalters [13] (= Reedschalter) herstellen, tut sich wider Erwarten nichts, bleibt die Glühlampe [18] dunkel!

Wenn aber die Glühlampe [18] dunkel bleibt, d.h. nicht leuchtet, dann scheint etwas nicht zu stimmen! Entweder mit der Glühlampe [18], dem Magnetschalter [13] (= Reedschalter) oder der Stromversorgung mittels der Batteriehalterung [19]!

Demzufolge kann die Glühlampe [18] z.B. bei einem anderen Versuch Schaden genommen haben und die Glühwendel durchgebrannt sein, sodass durch die Glühlampe kein Strom mehr „fließen“ bzw. durch die Glühlampe geleitet werden kann.

Wenn wir aber die Glühlampe [18] in Verdacht haben, dass sie durchgebrannt ist und demzufolge keinen Strom mehr durchleitet, dann müssen wir sie durch eine andere ersetzen. Da wir aber im Elektronikbaukasten leider keine Ersatz-Glühlampe haben, müssen wir uns etwas anderes überlegen, wie man die Glühlampe [18] durch etwas anderes, d.h. durch ein anderes Bauteil ersetzen kann.

Wenn wir uns im Elektronikbaukasten umschauen, dann gibt es außer der Glühlampe [18] noch folgende Bauteile im Sinne eines elektrischen „Verbrauchers“, d.h. einer elektrischen Last:

· eine rote Leuchtdiode (LED) [17],

· einen Lautsprecher [20] und

· einen (Elektro-) Motor [24].

Die rote Leuchtdiode (LED) [17] ist zwar ein elektrischer Verbraucher bzw. eine elektrische Last, aber wegen ihrer Beschaffenheit als elektronisches Bauelement im Moment noch zu kompliziert, um damit arbeiten zu können.

Der rote Lautsprecher [20] eignet sich weniger als elektrischer Verbraucher, da er nur ein kurzes Knackgeräusch beim Ein- und Ausschalten des Magnetschalter [13] (= Reedschalter) von sich gibt.

Außerdem würde der Lautsprecher [20] wegen seines geringen (Innen-) Widerstandes von nur R_Lautsprecher = 7,7 Ω viel zu viel Strom „verbrauchen“, sodass die Stromentnahme die beiden 1,5 Volt Batterien in der Batteriehalterung [19] schon nach kurzer Zeit entladen würde:

R = U / I → R_Lautsprecher = U_Batterien / I_Lautsprecher

U_Batterien = U_{Batt, ges}

= U_{Batt_1} + U_{Batt_2} = 2 * U_{Batt_1} → wegen U_{Batt_1} = U_{Batt_2}

= 2 * 1,5 V = 3,0 V

I = U / R →

I_Lautsprecher = U_Batterien / R_Lautsprecher

= 3,0 V / 7,7 Ω = 3,0 V / 7,7 V/A = 3,0 / 7,7 A = 0,3896 A ≈ 0,4 A

Im Falle des Lautsprechers [20] wird aber kein Strom der Stromstärke I_Lautsprecher = 0,4 A „verbraucht“, sondern mittels des Schallwandlers - nichts anderes ist nämlich unser Lautsprecher [20] - in Schallenergie in Form des Knackens umgewandelt!

Bei der kostenlosen Enzyklopädie (= umfangreiches, ständig aktualisiertes und erweitertes Lexikon) „Wikipedia“ konnten wir uns näher über die 1,5 Volt Batterie vom Typ „Mignon AA“ informieren und feststellen, dass es sich bei diesem Batterietyp um eine Alkali-Mangan-Batterie handelt für die es zwei charakteristische (Hersteller-) Angaben gibt, als da sind:

Kapazität: 2,0 Ah

Energie: 3,0 Wh

Dabei handelt es sich bei der Kapazitätsangabe Q = 2,0 Ah genau genommen um die Angabe, welche Ladungsmenge Q = I * t → Q [Ah] = I [A] * t [h] → Q [mAh] = I [mA] * t [h] noch in der Batterie gespeichert ist.

Wenn wir dann der Batterie in einem bestimmten Zeitfenster bzw. Zeitraum t_Entladung = 2 h eine bestimmte Ladungsmenge Q entnehmen, z.B. um z.B. die Glühlampe [18] zwei Stunden lang leuchten zu lassen, dann berechnet sich entnommene Ladungsmenge Q wie folgt (siehe auch Abschnitt „Das allgemein gültige Ohmsche Gesetzes in der Praxis“ im Versuch 01):

Q = I * t →

Q_Entladung = I_Entladung * t_Dauer

= 162 mA * 2 h = 324 mAh

Im Vergleich zu einer fabrikneuen 1,5 V Batterie mit der Ladungsmenge Q_Batterie = 2,0 Ah = 2 000 mAh beträgt nun die verbleibende, restliche Ladungsmenge Q_Rest nur noch

Q_Rest = Q_Batterie – Q_Entladung

= 2,0 Ah – 324 mAh = 2 000 mAh – 324 mAh = 1 676 mAh → Ladungsmengenentnahme = -16,2 %

Im Herbst werden die Tage „immer kürzer“, d.h. wird es Anfang September schon ab 20:30 Uhr dunkel, sodass wir zu Hause zum Lesen im Bett schon die Beleuchtung unserer Glühlampe [18] einschalten müssen!

Für ein bestimmtes Zeitfenster bzw. Zeitraum von [ 20:30 … 22:30 Uhr ] lässt sich die die verbleibende, restliche Ladungsmenge Q_Rest auch wie folgt, d.h. mit zwei Uhrzeitangaben, berechnen:

Q = I * t → Q_Entladung = I_Entladung * t_Dauer →

∆Q_Entladung = I_Entladung * ∆t_Dauer

= I_Entladung * ( t_Ende – t_Anfang ) → mit t_Ende > t_Anfang

= I_Entladung * ( t_Ende – t_Anfang ) = 162 mA * ( 22:30 Uhr – 20:30 Uhr )

= I_Entladung * ( t_Ende – t_Anfang ) = 162 mA * ( 22,5 h – 20,5 h ) → Umrechnung der Zeitspanne in dezimal!

= I_Entladung * ( t_Ende – t_Anfang ) = 162 mA * ( 2,0 h ) = 324 mAh

Berechnung der noch verbleibenden, restlichen Ladungsmenge Q_Rest:

Q_Rest = ∆Q_Rest = Q_Anfang – Q_Ende mit Q_Anfang > Q_Ende

= Q_Batterie – Q_Entladung

= 2,0 Ah – 324 mAh = 2 000 mAh – 324 mAh = 1 676 mAh → Ladungsmengenentnahme = -16,2 %

Da wir unsere Glühlampe [18] verdächtigen, defekt zu sein, verwenden wir stattdessen unseren Schallwandler, d.h. den Lautsprecher [20] mit dem kleinen (Innen-) Widerstand R_Lautsprecher = 7,7 Ω und dem „dicken“ Strom der Stromstärke I_Lautsprecher = 0,4 A und berechnen dazu die „Lebensdauer“, d.h. die maximal mögliche Entladezeit bis die beiden 1,5 Volt Batterien vollständig entladen ist und über keine Ladungsträger bzw. gespeicherte Ladungsmenge Q mehr verfügt:

Q = I * t = 2,0 Ah

W = P * t = 3,0 Wh = 3,0 W * 1 h = 0,3 W * 10 h →

Die Entladezeit der beiden in Serie geschalteten 1,5 Volt Batterien vom Typ „Mignon AA“ bezüglich des angeschlossenen Lautsprechers [20] mit der Spannung U_Lautsprecher = 3,0 V und dem Strom I_Lautsprecher = 0,4 A berechnet sich dann wie folgt:

t_Entlade = W / P = W / ( U * I ) = W / U * I

= 2 * 3,0 Wh / 3 V * 0,4 A = 6,0 VAh / 3 V * 0,4 A = 6,0 / 1,2 h = 5 h

Wie wir jetzt sehen, sind unsere beiden 1,5 Volt Batterie bereits nach nur fünf Stunden vollständig entladen, wenn wir unseren „Energiefresser“, d.h. den Lautsprechers [20] anstelle der Glühlampe [18] verwenden!

Zum Vergleich:

Die Glühlampe [18] mit der Stromversorgung aus den beiden in Serie geschalteten 1,5 Volt Batterien der Batteriehalterung lässt sich bis zu 14,8 Stunden lang betreiben (siehe Versuch 01)!

Neben dem Strom“verbrauch“ unseres Lautsprechers [20] mit I_Lautsprecher = 0,4 A = 400 mA ist aber auch noch die aufgenommene elektrische Leistung des Lautsprechers P_Lautsprecher entscheidend:

P = U * I = I² * R = 1/R * U² →

P_Lautsprecher = U_{Batterie, ges} * I_Lautsprecher = I_Lautsprecher² * R_Lautsprecher

= 1/R_Lautsprecher * U_Lautsprecher² = 1/R_Lautsprecher * U_{Batterie, ges}²

= 1 / 7,7 Ω * ( 3 V )² = 1 / 7,7 V/A * 9 V² = 0,12987 A/V * 9 V²

= 1,1688 VA ≈ 1,2 W

Die vom kleinen Lautsprechers [20] aufgenommene elektrische Leistung P_Lautsprecher = 1,2 W ist schon ganz beachtlich, aber trotzdem lassen sich nach dem Einschalten der Stromversorgung mit den beiden 1,5 Volt Batterien mittels des Magnetschalters [13] (= Reedschalter ) wider Erwarten keine Knackgeräusche hören:

Irgendwie scheint alles wie verhext sein: die Glühlampe [18] leuchtet nicht und der Lautsprecher [20] gibt auch keinen Ton von sich!

Jetzt können wir nur noch schauen und überlegen, ob sich der im Elektronikbaukasten vorhandene Motor [24] dreht, wenn wir diesen anstelle des Lautsprechers [20] in die Schaltung einsetzen und die Stromversorgung mit den beiden 1,5 Volt Batterien mittels des Magnetschalters [13] (= Reedschalter ) einschalten:

Aber wie befürchtet, dreht sich der Motor [24] nach dem Einschalten der Stromzufuhr mittels Reedschalter wider Erwarten auch nicht!

Bei dem älteren Microsoft Betriebssystem „Windows 95“ für Personal Computer gab es mal eine besondere Fehlermeldung und zwar: „Es ist keine Tastatur angeschlossen! Drücken Sie bitte die Funktionstaste F1!“

Wie aber kann der Anwender auf seiner Computertastatur die Funktionstaste F1 drücken, wenn keine Tastatur angeschlossen ist?!

Okay, der Anwender kann zwar die Funktionstaste F1 auf seiner Computertastatur drücken, wenn diese aber nicht richtig an den Personal Computr (PC) angesteckt wurde, dann gibt es keinen entsprechenden elektrischen Impuls, der sich an den Computer und das Betriebssystem weiterleiten ließe.

Würde man die Microsoft-Fehlermeldung sinngemäß auf das Auto anwenden, so würde diese wie folgt lauten: „Es ist kein Benzin im Tank, kaufen Sie sich bitte ein neues Auto!“

Da wir jetzt aber schon beim Motor des Autos angekommen sind, stellt sich die Frage, was denn der „Motor“ in der Schaltung unseres Versuchs 02 ist?

Richtig, die Stromversorgung durch beiden in Serie geschalteten 1,5 Volt Batterien in der Batteriehalterung [19].

Aber bevor wir jetzt wild drauf los spekulieren, ob und was mit der Stromversorgung nicht stimmen könnte, sollten wir uns vielleicht einmal die Elektroniksimulation der Schaltung vom Versuch 2 anschauen:

(Bild vergrößern: auf Bild klicken! Webverzeichnis schaltung_02-01.ewb)

Analyse der Schaltung „schaltung_02-01.ewb“:

Bei der obenstehenden Schaltung fällt sofort auf, dass die Versorgungsspannung U_Versorung nach dem spezifischen Widerstand mit U_Versorgung = 70 mV = 0,070 V viel zu niedrig ist!

Die viel zu niedrige Versorgungsspannung U_Versorung wird auch nicht größer oder durch die Belastung durch die Glühlampe [18] maßgeblich kleiner, wenn man diese mittels des Magnetschalters (= Reedschalter) einschaltet:

(Bild vergrößern: auf Bild klicken! Webverzeichnis schaltung_02-01.ewb)

Die sehr kleine Versorgungsspannung U_Versorung von jetzt nur noch U_Versorung ≈ 69 mV = 0,069 V bedeutet praktisch, dass so gut wie kein Strom durch die Glühlampe [18] fließt.

Dabei entspricht der kleine Differenzstrom I_Glühlampe = 2,888 mA ≈ 2,9 mA = 0,0029 A gegenüber dem vorherigen Laststrom von I_{Glühlampe, Last} = 104,4 mA nur noch 2,78 % des ursprünglichen Wertes!

Wenn wir die obenstehende Schaltung „schaltung_02-01.ewb“ mit der englischen Version von Electronics

Workbench und den internationalen, d.h. englischen Schaltsymbolen, aufrufen, dann wird wegen der anderen Schaltsymbolen für eine Batterie als Spannungsquelle sehr schnell deutlich, weshalb unsere Glühlampe [18] wider Erwarten nicht leuchtet!

Nämlich weil die beiden 1,5 Volt Batterien entgegen gesetzt gepolt sind und demzufolge quasi gegeneinander arbeiten, sodass sich beide Batteriespannungen nicht wie gewohnt addieren, sondern subtrahieren:

(Bild vergrößern: auf Bild klicken! Webverzeichnis schaltung_02-03.ewb)

Die obenstehende Schaltung mit dem Spannungsteiler „Spezifi. Widerstand“ und „Lampe 18“ bezeichnet man zusammen mit den in Serie geschalteten Batterien (auch wenn diese entgegen gesetzt gepolt sind) als sogenannte Masche für die sich ein sogenannter Maschenumlauf durchführen lässt.

Bei einem Maschenumlauf wird zunächst ein Umlaufsinn (meistens im Uhrzeigersinn) festgelegt.

Alle Spannungen nebst der zugehörigen Spannungspfeile werden dabei im Uhrzeigersinn positiv gezählt und addiert, während alle anderen Spannungen nebst der Spannungspfeile, die gegen den Uhrzeigersinn verlaufen, negativ gezählt und addiert werden!

Für einen Maschenumlauf, d.h. für das Addieren von Spannungen in einer Masche, gilt, dass die Summe aller Spannungen gleich null ist:

U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe + U_{Batt_2} + ( - U_{Batt_1} ) = 0 →

Anschaulich lässt sich ein Maschenumlauf wie folgt in einer Masche darstellen:

(Bild vergrößern: auf Bild klicken! Webverzeichnis schaltung_02-03.ewb)

Hier noch einmal der Maschenumlauf im Uhrzeigersinn zu obenstehender Schaltung:

(a) U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe + U_{Batt_2} + ( - U_{Batt_1} ) = 0 →

(b) U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe + U_{Batt_2} = U_{Batt_1}

(c) U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe = U_{Batt_1} - U_{Batt_2} →

Summe aller …

Verbraucherspannungen = Summe aller Spannungsquellen

Umlaufsinn

im Uhrzeigersinn = gegen Uhrzeigersinn

(d) U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe = U_{Batt_1} + ( - U_{Batt_2} ) →

Auflösen der Gleichung (d) nach U_Glühlampe liefert:

U_Glühlampe = U_{Batt_1} + ( - U_{Batt_2} ) - U_{Spezifi. Widerstand}

= U_{Batt_1} - U_{Batt_2} - U_{Spezifi. Widerstand}

= 1,3 V - 1,23 V - 0,837,6 µV ≈ 1,3 V - 1,23 V + 1 µV

= 1,3 V - 1,23 V - 0,001 mV = 1,3 V - 1,23 V - 0,000 001 V

≈ 1,3 V - 1,23 V = 0,07 V = 70 mV →

Zum Vergleich:

U_Glühlampe = 69,16 mV bei Electronics Workbench im Webverzeichnis mit der „schaltung_02-03.ewb“.

Einen Maschenumlauf, d.h. das Aufaddieren aller Spannungen z.B. im Uhrzeigersinn und das Gleichsetzen mit null

U_{Spezifi. Widerstand} + U_Glühlampe + U_{Batt_2} + ( - U_{Batt_1} ) = 0

macht Sinn, weil durch die Gleichung mathematisch und elektrisch deutlich gemacht wird, dass in einem abgeschlossenen System keine Energie, keine Spannungen (oder Ströme) abhanden kommen, verloren gehen oder evtl. sogar (von außerhalb) hinzugefügt werden!

Deshalb gilt für den Maschenumlauf, der ja eigentlich ein Spannungsumlauf aller Spannungen ist, dass keine Spannungen (von außen, von außerhalb des abgeschlossenen Systems) weggenommen oder hinzugefügt werden, sodass die Summe aller Spannungen gleich null ist:

∑ U₀ , U₁ , … , U_n = 0

Das griechische Zeichen „∑“ bedeutet „Summe“ für z.B. von n = 0 bis n = ∞ . -

Jetzt wissen wir, dass elektrische Spannungen gerichtet sind, d.h. eine Richtung, nämlich vom Pluspol („+“) zum Minuspol („-“) haben.

Um dies deutlich zu machen, verwendet man sogenannte Spannungspfeile „→“, die von „+“ nach „-“ verlaufen und parallel zu einer Spannungsquelle wie z.B. eine Batterie angetragen werden:

Hier in diesem Versuch 2 ist also das passiert, was eigentlich nicht passieren sollte, nämlich, dass man beim Einlegen der beiden 1,5 Volt Batterien vom Typ „Mignon AA“, die ja innerhalb der Batteriehalterung [19] in Reihe geschaltet sind, eine der beiden Batterien, und zwar die zweite im rechten Batteriefach, falsch herum, also mit umgekehrter Polung, eingesetzt hat (siehe linkes Bild):

Wenn man also eine der beiden 1,5 Volt Batterien falsch herum in die Batteriehalterung [19] einsetzt (siehe linkes Bild oben), dann arbeiten beide Batterien bezüglich ihrer Batteriespannungen U_{Batt_1} und U_{Batt_2} gegeneinander, sodass sich wegen der falschen Polung der zweiten Batterie im rechten Batteriefach beide Batteriespannungen wegen der Reihenschaltung gegenseitig kompensieren:

U_ges = U_{Batt_1} + U_{Batt_2} = 1,3 V + ( - 1,23 V ) = 0,07 V = 70 mV (siehe oben!)

Abschließend beheben wir den Fehler, setzen die zweite 1,5 Volt Batterie mit der richtigen Polung in das rechte Batteriefach, sodass die Welt wieder in Ordnung ist, der Versuch 2 mit der Glühlampe [18] ordnungsgemäß funktioniert und die Glühlampe wieder hell leuchtet (siehe rechtes Bild oben):

(Bild vergrößern: auf Bild klicken! Webverzeichnis schaltung_02-04.ewb)

[ electronic 159 ] [ Seitenanfang ] [ Versuch 1 ] [ Versuch 3 ]