Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn: Einführung Elektrotechni [1 ed.] 3658233982, 9783658233983

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-X
Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik (Uwe Grellmann)....Pages 1-54
Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter zum kreissymmetrischen Magnetfeld: Da tut sich etwas um den Leiter… (Uwe Grellmann)....Pages 55-66
Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen: Elektromagnet, Relais, Permanentmagnet, Elektromotore, Generator, Trafo I – Vom Strom zur Bewegung (Uwe Grellmann)....Pages 67-106
Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen: Diode, Kondensator, Spule, Trafo II, Fahrpult (Uwe Grellmann)....Pages 107-123
Experiment 5: Elektronik, Grundfunktionen – Vom schwachen Strom und Wellensalat fast bis zum Verstärker und Radio: Transistor, Schwingkreis (Uwe Grellmann)....Pages 124-126
Back Matter ....Pages 127-129

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Physik und Mathe

Uwe Grellmann

Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn Einführung Elektrotechnik

Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn

Uwe Grellmann

Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn Einführung Elektrotechnik

Uwe Grellmann Fachbereich 2 Elektrotechnik BBS - ME Hannover Hannover, Deutschland

ISBN 978-3-658-23398-3 https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0

ISBN 978-3-658-23399-0 (eBook)

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V

Vorwort Liebe Leser, Mathe? Physik? Kann richtig Spaß machen! Das hat dann sogar den Vorteil, dass einige Zensuren in der Schule auch besser werden. Ich war auch mal Schüler, habe somit die „Schulbank“ gedrückt und mich nicht nur einmal über den grottenschlechten Unterricht einiger Lehrer geärgert. Seit fast 40 Jahren bin ich selber Lehrer. Da ich aufgrund meiner Erfahrungen mich in die Rolle meiner Schüler versetzen kann, bin ich bei meinen Schülern nicht ganz ohne Erfolg. Dieses Buch kann nicht alles Wissen vermitteln, aber den leichten Einstieg in viele grundsätzliche Erkenntnisse vermitteln. Aus diesem Grunde ist auch die Zahl der Übungsaufgaben bewusst klein gehalten worden. Zum Weiterarbeiten gibt’s schließlich die Aufgaben der Physik- und Mathebücher. Vieles Wissenswerte verbirgt sich unter einem Wust von mathematischen Formeln, das erst durch genaue Kenntnis der Mathematik und der Physik verständlich wird. Da wir aber hier noch nicht im achten Semester der Universität oder im Leistungskurs Physik am Gymnasium bei einem überehrgeizigen Stupidienrat sind, machen wir das hier doch mal anschaulicher … Die für dieses Buch dargestellten Versuche sind bewusst nicht „klinisch rein“. Das Anliegen war und ist, nachbaubare Versuche darzustellen, die unter anderem mit den Mitteln der Modelleisenbahn und Haushaltsgegenständen durchgeführt werden können. Versuchsaufbauten nach Art des Physikunterrichts würden eher ein Hemmnis darstellen, da die entsprechenden Geräte nur schwer zu beschaffen sind. Modelleisenbahn ist nichts anderes als Maschinenbau im Kleinen. Somit fließt das Fachwissen und -können des Unterrichtsprofis auch in sein Hobby ein. Er weiß z. B. nicht nur, was ein Getriebe ist, er kann es auch berechnen und bauen. Er kann dafür sorgen, dass ein Rad auf einer Welle entweder verschiebbar ist oder so festsitzt,

VI

Vorwort

dass man damit eine Lok antreiben kann. Da geht es um zehntel, manchmal sogar hundertstel Millimeter, im Maschinenbau nennt sich das „Toleranzen und Passungen“. Obwohl Maschinenbauer, sind ihm auch einige Gebiete der Elektrotechnik bekannt. So schnurrten manche „kleine Ladys“ nach dem Einbau von Stromabnehmern aus G-Oktavsaiten seiner 12-saitigen Gitarre (Vergütungsstahl ∅ 0,2 mm!) und M 1 Schrauben (∅ 1 mm!) wie ein Kätzchen über die Gleise … In Fachkreisen wird gemunkelt, dass man ihn den „MacGyver der nicht – digitalen Modelleisenbahntechnik“ nennt. Es liegen allerdings keine Beweise vor, die diese Gerüchte erhärten. Damit kann er leben …

Viel Spaß und Erfolg dabei!

Hannover, im Juni 2018

Uwe Grellmann

VII

Danksagung Folgenden Menschen danke ich für ihre Mithilfe: Meiner Nachbarin Frau Katja Maria Koschate, Lektorin bei der Schlüterschen Verlagsanstalt Hannover für die verlagsgerechte Gestaltung meiner Texte und Bilder Meinen Kollegen der BBS-ME Hannover: – Studiendirektor a.D. Walter Koch und Oberstudienrat Heinz Werner Michael für die Durchsicht und die konstruktive Kritik – Studienrat Jens Matyschok und Oberstudienrat Günter Thiemann für die Bereitstellung von Anschauungsmaterialien und wertvollen Tipps Dem Lektorat des Springer Vieweg Verlages: – Herrn Cheflektor Thomas Zipsner, der durch seine offene, freundliche und fachkompetente Art mir die Zusammenarbeit sehr erleichtert hat.

IX

Inhalt

Vorwort ..................................................................................................................... V Danksagung ............................................................................................................. VII Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik ...................................................................................................

1

1.1 Grundbegriffe ............................................................................................ 1.2 Ohm’sches Gesetz.................................................................................... 1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen ................................................. 1.3.1 Fahrpult ........................................................................................ 1.3.2 Universalmessgerät ..................................................................... 1.3.3 Leiter ............................................................................................ 1.3.4 Abisolieren ................................................................................... 1.3.5 Verzinnen, Löten .......................................................................... 1.4 Aufbau einfacher Stromkreise................................................................... 1.4.1 Widerstand elektrischer Leiter...................................................... 1.5 Isolatoren .................................................................................................. 1.6 Parallel- und Reihenschaltungen .............................................................. 1.6.1 Parallelschaltungen ...................................................................... 1.6.2 Reihenschaltungen ...................................................................... 1.6.3 Knotenregel ..................................................................................

1 5 7 8 9 9 11 13 17 18 44 46 46 49 50

Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter zum kreissymmetrischen Magnetfeld: Da tut sich etwas um den Leiter … ... 55 2.1 2.2

Magnetfeld in Kreisform ........................................................................... 55 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder ................. 59

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen: Elektromagnet, Relais, Permanentmagnet, Elektromotore, Generator, Trafo I – Vom Strom zur Bewegung ...................................................................................... 67 3.1 3.2 3.3

3.4

Elektromagnet .......................................................................................... 3.1.1 Relais ........................................................................................... Permanentmagnete ................................................................................. 3.2.1 Aufbau und Materialien ................................................................ 3.2.2 Bauformen und Feldlinien ............................................................ Elektromotore........................................................................................... 3.3.1 Elektromotorisches Prinzip........................................................... 3.3.2 Gleichstrommotor ......................................................................... 3.3.3 Universalmotore ........................................................................... Generator oder Dynamo .......................................................................... 3.4.1 Generatorprinzip .......................................................................... 3.4.2 Generator, Aufbau und Funktion ..................................................

67 73 76 76 77 83 83 91 94 98 98 101

X

Inhalt

3.5

Transformator I ........................................................................................ 104 3.5.1 Grundfunktionen des Transformators .......................................... 104 3.5.2 Aufbau des Transformators.......................................................... 105

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen: Diode, Kondensator, Spule, Trafo II, Fahrpult ......................................................... 107 4.1 4.2 4.3

Diode........................................................................................................ 4.1.1 Gleichrichter ................................................................................. Kondensator und Spule ........................................................................... 4.2.1 Spule ............................................................................................ Fahrpult, Zusammenfassung ................................................................... 4.3.1 Transformator II............................................................................ 4.3.2 Gleichrichter ................................................................................. 4.3.3 Polwender .................................................................................... 4.3.4 Bimetallschalter ............................................................................

107 109 109 111 114 114 117 121 122

Experiment 5: Elektronik, Grundfunktionen – Vom schwachen Strom und Wellensalat fast bis zum Verstärker und Radio: Transistor, Schwingkreis ...... 124 5.1 5.2

Transistor ................................................................................................. 124 Schwingkreis ............................................................................................ 126

Sachwortverzeichnis ............................................................................................... 127

1

Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik 1.1 Grundbegriffe

Bild 1-01 Zug auf Anlage Modelleisenbahn … Wie funktioniert die eigentlich? Um in früheren Zeiten die kleinen Züge zum Laufen zu bekommen, baute man anno Dulzie in die Modellbahnloks kräftige Uhrwerke ein, die mit einem „Schlüssel“ aufgezogen wurden. Über eine Sperrklinke wurde eine Spiralfeder gespannt, nach Freigabe konnte sie die Lok antreiben. Physikalisch gesprochen, wurde potentielle Energie (abrufbare Arbeitsfähigkeit) in der Modellbahnlok gespeichert, die sich dann als kinetische Energie (Bewegungsenergie) über die Gleise austoben konnte. Leider dauerte der Spaß nicht allzu lange. Nach einigen Runden war die Spiralfeder entspannt und somit der „krafttechnische Ofen“ in der Lok aus. Mit dem Aufkommen der elektrischen Modelleisenbahn vor 1900 änderte sich das. Statt des Aufziehens kam/kommt nun der „Dampf“ über die Schienen der Gleise. Ein Fahren war ab da so lange möglich, wie man wollte. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0_1

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Werfen wir doch mal einen Blick auf die Probeanlage des Autors:

Bild 1-02 Anlage Totalansicht Der Zug steht auf dem Gleis, das Fahrpult (fälschlicherweise auch „Trafo“ genannt) ist an das Netz angeschlossen und mit den Schienen elektrisch verbunden.

Bild 1-03 Gleisanschluss (Profis brauchen kein Anschlussgleis!)

1.1 Grundbegriffe

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Noch steht sie. Die Netzspannung (230 V) wird im Fahrpult zu einer harmlosen Kleinspannung umgewandelt. Drehen wir das Fahrpult auf, fährt die Lok und zieht sogar diverse Wagen hinter sich her. Warum? Am Fahrpult, bei aufgedrehtem Regler, liegt eine Spannung von 12 V (Volt) an. Wenn alles sauber verbunden ist, kann ein Strom von bis zu 1 A (Ampere) fließen. Hier die Schnittstelle zwischen Lok und Gleis:

Bild 1-04 Lok auf Gleis Über Schleifer (hier) und Räder fließt die elektrische Energie in die Lok. Was passiert innen? Nehmen wir doch mal das Gehäuse ab, wie in Bild 1-05 auf der folgenden Seite dargestellt:

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-05 Abgenommenes Lokgehäuse Der Motor ist mit Kabeln mit den Rädern und Schleifern verbunden. Im Motor wird die elektrische Energie in mechanische umgewandelt und an ein Getriebe übergeben. Hier wird die hohe Drehzahl der Motorwelle untersetzt und an die Radsätze übergeben. Im Motor wird die elektrische Energie in mechanische umgewandelt und an ein Getriebe übergeben. Hier wird die hohe Drehzahl der Motorwelle untersetzt und an die Radsätze übergeben. Das Ganze von unten: Schleifer die letzten Zahnräder des Getriebes Räder/ Radsätze Bild 1-06 Lok von unten

1.2 Ohm’sches Gesetz

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Somit können sich die Räder drehen, die Lok fährt auf dem Gleis.

1.2 Ohm’sches Gesetz Wie? Spannung? Strom? Elektrische Energie? Keine Panik, wir machen erstmal einen Ausflug in den Harz:

Bild 1-07 Sösetal Staumauer

Sösetalsperre: Blick hinter den Damm im Bild 1-08 auf der folgenden Seite.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-08 Sösetal Stausee Wasser wird in großen Stauseen gespeichert, damit die Menschen nicht nur genug Trinkwasser zu Verfügung haben. Lässt man das Wasser ab, ähnlich wie bei einer Badewanne, strömt das kühle Nass mit großer Wucht durch ein Rohr. Montiert man unten am Rohr noch so etwas wie einen Propeller mit einem Dynamo, kann mit der Wasserströmung elektrische Energie gewonnen werden. Hier der Ablauf der Sösetalsperre:

Bild 1-09 Sösetal Unterbecken

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen

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Das Ganze sieht im Schema so aus: Das Ohmsche Gesetz: Höhe des Wasserspiegels: elektrische Spannung U [V] vgl. potentielle Energie

Batterie oder Eisenbahntrafo/Fahrpult

Enge und Länge des Rohres: Ohm' scher Widerstand R [Ω] Wasservolumenfluss pro Zeiteinheit: Strom I [A]

Wasserturbine: Motor der Modellbahnlok, auch: elektromagnetischer Weichenantrieb

je höher die Spannung, desto höher der Strom: I ist proporional U ( I ~ U ) 1 je höher der Widerstand, desto geringer der Strom: I ist umgekehrt proportional R ( I ~ R )

somit ergibt sich: I =

U R

Bild 1-10 Tafelbild Ohm’sches Gesetz Übrigens ist das Ohm’sche Gesetz, von ihm gefunden 1826, ein Beispiel früher europäischer Zusammenarbeit, hier alles zusammen: Georg Simon Ohm, dafür steht der letzte griechische Buchstabe: Ω (Omega) Deutscher, 1789–1854

U V  RΩ =   I  A   

  

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen Damit es nicht bei der grauen Theorie bleibt: Man nehme: – einen Tisch – ein Fahrpult – ein (oder zwei) elektronische Universalmessgeräte (Multimeter)

Alessandro Graf Volta, Italiener, 1745–1827 André Marie Ampère, Franzose, 1775–1836

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

– Prüfklemmen, sind normalerweise an den Universalmessgeräten – 5 Glühlampen mit Fassungen und Anschlusskabeln (z. B. zum Beleuchten von Modellhäusern, Stromstärke 50 mA) – eine Styroporplatte ca. 50 cm x 50 cm – Reißzwecken – einige Zettel zum Notieren der Messwerte, z. B. auf einem Klemmbrett – einen Taschenrechner – ein möglichst großes Gleisoval mit entsprechenden Loks und möglichst schwerlaufenden Waggons 1. Es ist sinnvoll, die Kabel der Glühlampen mit Steckern zu versehen. Es erleichtert den Auf- und Umbau der Schaltungen, außerdem ist die Gefahr von Kontaktfehlern einigermaßen gebannt. 2. Viele Multimeter können zwar Wechselspannungen messen, nicht aber Wechselströme. Um aber trotzdem Messungen bei reinen Wechselstrommodelleisenbahnen durchführen zu können, besorg’ dir beim Fachhandel einen Gleichrichter 14 V ~, 1 A auf 12 V =, 1 A und schalte Ihn an die Klemmen deines Fahrpults. Bild 1-44 Versuchsaufbau Messreihe Poti zeigt den Anschluss.

Erstmal ein paar Erklärungen:

1.3.1 Fahrpult Die „Lieferseite“ eines Fahrpultes (Gleichstrom!): Der schwarze Knubbel oben, hier kaum sichtbar, ist der Knauf zum Regeln von Geschwindigkeit und Fahrtrichtung, was hier abgegriffen wird: (Loksymbol), das Gleichheitszeichen steht für Gleichstrom. Beim Weichensymbol werden Signale, Beleuchtung etc. angeschlossen. Die Wellenlinie ist eine Sinuskurve und soll Wechselstrom symbolisieren.

Bild 1-11 Fahrpult (Trafo) alleine

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen

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Die „Lieferseite“ eines Fahrpultes für Wechselstrom sieht ähnlich aus, man muss nur bedenken, dass der Bahnstrom geregelter Wechselstrom ist.

1.3.2 Universalmessgerät Was ist ein elektrisches Universalmessgerät?

Bild 1-12 Universalmessgerät, Anleitung

Universal heißt erstmal, dass verschiedene elektrische Größen gemessen werden können. Über: Stecker, hier Querlochstecker, Krokodilklemmen etc. werden die elektrischen Verbindungen hergestellt, am Drehschalter wird eingestellt, ob man Strom [A], Spannung [V], Widerstand [Ω] messen will. Der entsprechende Messwert wird oben angezeigt. Das Schallsymbol steht für Durchgangsprüfung, also elektrische Leitung. Hier wird kein Wert angezeigt, sondern ein Piepton erzeugt.

Beispiel Widerstandsmessung: das Universalmessgerät wird auf 200 Ω eingestellt und die Messspitzen an die Enden der Anschlusskabel einer Modellhausbeleuchtung gehalten. Messergebnis: z. B.: 30,8 Ω.

1.3.3 Leiter Was ist ein Kabel und wie kommt das Kabel leitend in den Stecker? Ein Kabel, vergleiche das mit Bild 1-24, besteht aus einer Kupfer-, manchmal auch Aluminiumseele und seiner Umhüllung, der Isolation. Kupfer und Aluminium sind sehr gute Leiter, die Isolation besteht meist aus Kunststoff oder Gummi und hat die Aufgabe, die verschiedenen Leiter elektrisch zu trennen. Je nach Verwendungszweck ist der Metalldraht entweder massiv, z. B. für den festen Anschluss von Modellhausbeleuchtungen, Weichen, Signalen und der Verbindung von Fahrpult zum

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Gleis. Soll das Kabel bewegt werden, z. B. bei Messkabeln, freien Versuchsaufbauten, Kabel in Drehgestellloks, Handbohrmaschinen, Bügeleisen, werden die Leiter fein drahtig ausgeführt. Die einzelnen feinen Drähte verschieben sich bei der Biegung des Kabels nicht nur gegeneinander. Entscheidend ist hier das Verhältnis zwischen Drahtdurchmesser und Biegeradius. Feine Drähte werden nicht so scharf gebogen. Somit wird eine bleibende Verformung oder gar das Brechen des Drahtes, wie bei der massiven Ausführung, weitestgehend vermieden. Je schärfer der „Knick“, desto größer ist Streckung und Stauchung. Statt der elastischen kommt es dann zur bleibenden Verformung. Passiert das zu oft, bricht der Draht. Das Ganze sieht im Prinzip so aus:

Streckung Drahtdurchmesser Stauchung

Biegeradius neutrale Faser Bild 1-13 Verformung Massivdraht Wird z. B. ein Draht mit einem bestimmten Biegeradius gebogen, kommt es außen zur Streckung, innen zur Stauchung des Metalls. Überschreiten Stauchung und Streckung eine bestimmte Grenze, kommt es nicht nur zur bleibenden Verformung, sondern auch zur Kaltverfestigung. Erfolgen weitere Umformungen im kalten Zustand, bricht der Draht, Basta.

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen

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1.3.4 Abisolieren Damit das Kabel angeschlossen werden kann, müssen wir an den Enden abisolieren: Das bedeutet, die Isolation an den Enden muss runter, ohne dass die Metallseele beschädigt wird. Wie geht‘s am besten? Es gibt Abisolierzangen, die aber teuer sind und nur bei geschickter Handhabung, wenn überhaupt, befriedigend funktionieren. Wir machen es anders:

Bild 1-14 Kabel, Stab, Messer Ein Rundstab (Bleistift etc.) wird an die Tischkante gelegt. Das abzuisolierende Ende zeigt auf die Tischplatte, das andere Ende vom Kabel hängt vom Tisch herunter, der Rest des Kabels kann auf den Tisch gelegt werden. Das Kabel wird nun um den Stab gebogen und mit einem scharfen Messer von oben mit vorsichtigen, leicht drückenden und ziehenden Bewegungen eingeschnitten. Durch die Biegung um den Stab wird die Isolation unter mechanische Spannung gesetzt, beim Einschneiden zieht sich somit eine deutliche Kerbe auf, längs der nur noch ringsum weitergeschnitten werden muss. Ab und zu sollte das Messer abgehoben werden, um zu sehen, wie tief der Schnitt gelungen ist. Wenn die Klinge allerdings anfängt zu kruscheln, ist die Seele des Kabels erreicht.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-15 Kerbe und Seele Da erscheint was …

Spätestens dann sollte weiter in Richtung der Kerbe geschnitten werden, bis wieder der Anfang erreicht ist. Mit einem Daumennagel, der in die geschaffene Kerbe greift, kann dann die Isolierung abgezogen werden. Haben wir einen Massivdraht abisoliert, kann er gleich in den Stecker geschraubt werden. Anders bei fein drahtigen Kabelseelen. Hier haben wir eine Vielzahl von Einzeldrähten, die zum „Fusseln“ neigen, dann lässt sich das Zeug nicht in den Stecker pfriemeln.

Möglichkeit 1: Die Einzeldrähte werden verdrillt Während die eine Hand das isolierte Kabelende hält, wird das freie Ende mit Daumen und Zeigfinger genommen und verdreht. Anschließend wird das so verdrillte Ende in der Mitte abgeknickt und um 180° gebogen.

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen

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Bild 1-16 Gerades, verdrilltes und gebogenes Ende eines Feindrahtkabels

1.3.5 Verzinnen, Löten 1.3.5.1 Verzinnen Möglichkeit 2: Die Einzeldrähte werden verzinnt Man nehme: Löthalter

Lötstation

Regelknopf für Löttemperatur

Lötzinn

Lötkolben

Bild 1-17 Zubehör Verzinnen Löten Die Lötstation versorgt den angeschlossenen Lötkolben mit elektrischer Energie und hält die Spitze des Lötkolbens auf der eingestellten Temperatur. In den schwarzen Köcher oberhalb des grauen Gehäuses wird der Lötkolben gesteckt, wenn er nicht

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

gebraucht wird. Die Lötkolbenspitze ist im Betrieb saumäßig heiß, daher muss sie sicher verwahrt werden. Der Löthalter besteht aus einem massiven Fuß, an dem sich zwei vielfach verstellbare Arme befinden. An den Enden befinden sich Krokodilklemmen, mit denen die zu lötenden Teile sicher gehalten werden können. Das ist notwendig, weil zum Löten beide Hände gebraucht werden. Eine Hand führt das Lötzinn, die andere den Lötkolben. Das Ende des Kabels wird kurz vor Ende der Isolation in den Löthalter geklemmt, das abisolierte Ende also frei ist. Die heiße Lötkolbenspitze wird nun von unten an den Draht gehalten, das Lötzinn von oben (Hitze steigt auf!). Fließt das Lot nicht gleich, kann die Lötkolbenspitze etwas mit Zinn berührt werden. Das Zinn schmilzt auf, benetzt die Kolbenspitze und ermöglicht so einen größeren Wärmefluss zur Lötstelle. Dann ist das Zinn wieder von oben an den freien Draht zu halten, solange bis das Material, hier also das Kabel, das Zinn zum Schmelzen bringt. So ist gewährleistet, dass an der Lötstelle die richtige Temperatur eingehalten wird. Nachdem nun etwas Zinn aufgeschmolzen ist, wird die Kolbenspitze und das Lot etwas an dem Draht hin und hergeführt, bis der gesamte freie Draht mit Lötzinn bedeckt ist.

Bild 1-18 Verzinnen

1.3 Grundelemente elektrischer Schaltungen

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1.3.5.2 Löten Da wir schon mal den Lötkolben schwingen: Was ist eigentlich: Löten? Ganz einfach: der Fachmann sagt: „Löten ist Fügen unter Mischkristallbildung“. Hä? Tatsächlich, zwischen dem Lot und dem Grundwerkstoff wird eine Legierung gebildet, ein Mischkristall. Das hier beschriebene Lötverfahren ist das Weichlöten, das bis 450 °C durchgeführt wird, die Arbeitstemperaturen liegen allerdings hier bei ca. 178– 183 °C. Das Löten erzeugt eine sehr gute elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Kontakten und wird daher z. B. in der Computertechnik, der Radiound Fernsehtechnik (Leiterplatten) und der Modellbahntechnik eingesetzt. Übrigens: Oberhalb 450 °C beginnt das Hartlöten, es wird für feste und dichte Verbindungen eingesetzt, wie z. B. das Verlegen von Wasserleitungen mittels Muffenlötung. Wir sind aber beim Weichlöten, also weiter im Text: Wenn nun z. B. zwei Kupferdrähte miteinander verlötet werden sollen, müssen folgende vier Bedingungen eingehalten werden: 1. Die Kupferdrähte müssen blank und sauber sein, sonst kann das Lötzinn nicht haften. 2. Das Lot muss mit einem Flussmittel aufgetragen werden. Beim hier verwendeten Elektroniklot ist es Kolophonium, es befindet sich in der Mitte des Lötdrahtes. 3. Die Kupferdrähte selbst, siehe oben, müssen beim Löten so heiß sein, damit das Zinn auf ihnen schmilzt. 4. Das geschmolzene Lot muss nach Beendigung des Lötvorgangs in Ruhe erkalten. Werden die Drähte beim Abkühlen bewegt, ergibt sich zwar eine mechanische Verbindung, die aber schlecht oder gar nicht leitet. Los geht’s: Beide Drahtenden werden erstmal verzinnt, siehe oben. In die beiden Klemmen des Löthalters werden nun die Kabel so eingeklemmt, dass sich die freien Drahtenden auf einer Länge von ca. 0,5 cm berühren. Dann wieder die Lötkolbenspitze von unten, das Lot von oben dranhalten.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-19 Drahtenden im Löthalter mit Lot und Kolben

Bild 1-20 Lötvorgang: Erhitz, Qualm, Schmelz, Flieeeeeß, Lööööt ... Da wir schon verzinnt haben, kommt es nun schneller zur Erschmelzung des Lotes. Etwa 0,5 cm Lötdraht sollte nun über die Verbindung gleichmäßig aufgeschmolzen werden. Ist alles gut verflossen, Lötdraht und Lötkolbenspitze ruhig abziehen, dann die Lötstelle erschütterungsfrei abkühlen lassen.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Bild 1-21 Fertige Lötstelle Ist die Oberfläche des Lötzinns spiegelglatt, ist alles ordnungsgemäß erkaltet, wird die Lötstelle gut leiten.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise Schließ’ das Fahrpult ans Netz (Stecker in die Dose!). Schnapp’ dir das Messgerät, schließ’ die Prüfklemmen an und achte darauf, dass beim Messgerät nicht nur die richtige Stromart, sondern auch die Spannungs- bzw. Stromstärke eingestellt sind. Für die Aktionen brauchst du bis zu 24 V Wechselspannung (Symbol: ~), ca. 12 V bis 20 V Gleichspannung (Symbol: = ), ca. 1 A Stromstärke. Besser du stellst einen größeren Wert ein, als einen zu kleinen, runterschalten kannst du immer noch. Nun schalte die Prüfspitzen an die Klemmen des Fahrpults. Sollte beim Loksymbol keine Spannung zu messen sein, ist das Fahrpult nicht gleich kaputt. Dreh’ den Knopf aus dem Null-Bereich heraus, schon wirst du einen Messwert ablesen können. Wenn der Messwert größer ist als bei den Fahrpultklemmen angegeben, keine Panik, das ist die sogenannte Klemmenspannung. Sie ist deswegen größer, damit beim Betrieb von Verbrauchern, also unter Last, die richtige Spannung anliegt.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Obacht! Blanke Teile verschiedener Kabel dürfen sich nicht berühren, sonst kann es einen Kurzschluss geben! (Hier extra so dargestellt. Wie die Anzeige verrät, liegt die volle Spannung an, sollten sich Rot und Schwarz berühren, hätten wir ein Problem.) Bild 1-22 Fahrpult und Messgerät, Klemmenspannung

1.4.1 Widerstand elektrischer Leiter Nun geht’s richtig los: Trafo, Universalmessgerät, Schaumstoffplatte, Reißzwecken, eine Glühlampe: Bevor du die Schaltung aufbaust, messe erstmal den Widerstand der Glühlampe mit dem Universalmessgerät/Multimeter, Messbereich: 200 Ω, schreibe dir den Messwert auf. Schließe nun die Lampe an den Gleichstromausgang des Fahrpults (12 V =) an. Nimm nun die Schaltung in Betrieb, also lass die Lampe leuchten. Schön. Damit nicht genug. Während die Lampe leuchtet, miss die Spannung an den 12-V-Klemmen, schreibe sie auf. Drehe nun den Messbereich des Multimeters auf 200 mA oder mehr, je nach Messgerät, wir werden nun den Strom messen. Klemme dazu ein Kabel der Glühlampe vom Fahrpult ab, schließe ein Kabel des Messgerätes an die freie Klemme, das andere an das freie Kabelende, notiere den Messwert.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Bild 1-23 Fahrpult, eine Lampe, Universalmessgerät

Spannungen werden an den Klemmen gemessen, Ströme in den Leitungen!

Zur Erklärung des Anzeigewertes: Der Drehschalter steht auf 200 mA, der Anzeigewert beträgt 50,4. Somit messen wir einen Wert von 50 mA (Milliampère), muss auch so sein, das steht auf dem Metallsockel der Lampe. Nun wird gerechnet: Du hast den Ohm’schen Widerstand der Glühlampe gemessen, bei mir war er 30,8 Ω, der muss sich jetzt auch rechnerisch ergeben:

Also:

I=

U umstellen nach R: R

R=

U I

Wie? Formelumstellen bereitet Schwierigkeiten?

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Merkhilfe: 4 = 2 , 2 = ? Willst du etwas auf die andere Seite bringen, kommt es von unten nach oben bzw. von oben nach unten. Also: Die 2 soll nach links, kommt von unten nach oben, die 4 kommt nach rechts, also von oben nach unten. Somit haben

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wir: 2 = 4 ! Alles klar?

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Uwes alter Mathelehrer dreht sich gerade im Grabe um! Streng mathematisch, hier, genauer, arithmetisch, werden selbstverständlich beide Seiten der Gleichung erst mit 2 multipliziert, dann beide Seiten mit 4 dividiert! Hört nun endlich dieses Gepoltere auf, Herr Dr. Ömmelmüller?

Beispielsweise hast du als Klemmenspannung 16,57 V, im Betrieb 14,6 V gemessen. Der Unterschied erklärt sich daraus, dass die Spannung im Betrieb, man sagt, „zusammenbricht“. Das ist üblich und gibt keinen Anlass zur Panik. Nun rechnen wir mal den Widerstand aus. Bei z. B. der Spannung U = 14,6 V und dem Strom I = 0,389 A ergibt sich ein Widerstand R = 289,68 Ω. Wie? Verrechnet? Der gemessene Widerstand der Glühlampe war doch 30,8 Ω, das hätte doch dann, rechne es nach, einen Strom I von 0,474 A ergeben müssen. Frage: Wie sah die Lampe beim Messen des Widerstandes aus, und wie sah sie im Betrieb aus? Bei der Widerstandsmessung leuchtete sie nicht, beim Betrieb glühte der kleine Faden im Innern der Lampe. Wenn etwas glüht, ist es sehr heiß. Erklärung: Wenn es in der Disco heiß hergeht, wird getanzt, die Leute bewegen sich schnell hin und her. Jemand sieht auf der anderen Seite der Tanzfläche ein Wesen, das er sehr gerne ansprechen möchte, es geht aber nicht, weil man schlecht durch die raumgreifenden Tanzpaare hindurchkommt. Erst als der DJ den Tonarm von der Scheibe nimmt oder sonst wie die Musik aufhört, geht es auf der Tanzfläche nicht mehr so „heiß“ her, die Paare stehen, der Platz zwischen ihnen wird größer, unser Jemand nutzt die Chance, um über die Tanzfläche zu sausen, um „das Objekt seiner Begierde“ anzusprechen, hoffentlich mit Erfolg.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

21

Etwas Ähnliches passiert auch im elektrischen Leiter, werfen wir mal einen Blick hinein: Kupferdraht

Isolation

Metallatomgitter des Kupfers:

Bild 1-24 Kabel Lupe Cu-Gitter Das ist aber noch nicht alles. Werfen wir einen tieferen Blick ins Metallatomgitter:

Bild 1-25 Cu-Gitter, Elektronen Die kleinen roten Biester zwischen den Atomen (gelb) sind die für Metall typischen freien Elektronen. Sie sind negativ geladen und werden entweder durch ein äußeres Magnetfeld (Induktion) oder durch eine elektrische Spannung (Stromkreis) zum Fließen gebracht. Wenn aber nun der Leiter heiß ist, schwingen die Atome so gewaltig, dass die Kleinen große Mühe haben, durch die Lücken zu huschen. Das ist der temperaturabhängige Widerstand eines Leiters.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Umgekehrt geht es auch. Je kälter der Leiter ist, desto geringer fällt der Widerstand aus. Wenn dann eines Tages der Strom aus der Sahara zu uns kommt, kühlt man die Kabel, damit möglichst viel Energie zu uns kommen kann. Der Widerstand eines Leiters hängt aber nicht nur von seiner Temperatur ab, sondern in erster Linie von seinem Material:

Bild 1-26 Gleise EXPO-Bahnhof Hannover Beispiel für einen guten Leiter, hier können die Ströme (hier Personen~ und Waren~) fließen. Gute Leiter sind z. B. Kupfer, Silber, Aluminium, Stahl.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Schlechte Leiter:

Bild 1-27 Altes Kohlenzuggleis des Heizkraftwerkes Hannover-Linden Schlechte Leiter: nasser Bindfaden, unsaubere Lötstellen, verschmutzte Kontakte. Wie? nasser Bindfaden? Wasser leitet? 1.4.1.1 Hofmann’ scher Zersetzungsapparat Man nehme: – 1 gerades Modellbahngleis – 4 Krokodilklemmenkabeln – 1 Universalmessgerät – dazu passend: flacher Teller oder Schale – 1 starke Batterie (z. B. ein 9-V-Block) – 1 dazu passende Glühlampe 14 V im Sockel mit Anschlusskabeln – destilliertes oder demineralisiertes Wasser (kein Leitungswasser!) – Kochsalz – 1 Esslöffel

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-28 Bedarf Versuch Wasserleitung

Da das Gleis bei diesem Versuch leiden kann, ist es ratsam, ein kaputtes aus der Schrottkiste oder zwei lange Nägel, die auf den Schalenboden mit Klebstreifen befestigt werden, zu nehmen.

Das Modellbahngleis wird in die Schale gelegt, die Schale mit destilliertem Wasser gefüllt, der Stromkreis angeschlossen, wobei das Universalmessgerät in den Stromkreis (Strom!) geschaltet wird. Was passiert? Nichts!

Bild 1-29 Versuch Wasserleitung ohne Stromfluss

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

25

Finster war’s … Wir wollen die Suppe mal salzen: Nun nehmen wir einen Esslöffel voll Kochsalz und streuen es längs des Gleises langsam in das Wasser. Nun fängt die Lampe an zu leuchten, warum? Das Kochsalz (NaCl, Natriumchlorid) löst sich im Wasser und erscheint dort als negative und positive Ionen, die bei der angelegten Spannung für den Stromfluss sorgen. Das Gleiche kann man nun auch in etwa mit strunz normalem Leitungswasser machen.

Bild 1-30 Versuch Wasserleitung: Einstreuen von Salz

Obacht! Wenn der Strom durch das Wasser fließt, blubbert’s. Es entstehen an den jeweiligen Leitern, hier die Schienen des Gleises, kleine Bläschen. Es entstehen die Gase Wasserstoff und Sauerstoff, die zusammen das sogenannte Knallgas bilden, das bei Anwesenheit einer offenen Flamme schlagartig verbrennt. Wenn also Opa Krause beim Experiment anwesend ist, soll er gefälligst seine Zigarre auslassen!

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Bild 1-31 Versuch Wasserleitung Stromfluss

Bild 1-32 Versuch Wasserleitung Lampe leuchtet Sieh‘ an, die Lampe leuchtet!

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Bild 1-33 Versuch Wasserleitung Stromwert Es fließt auch ein Strom … hier: 26 mA (Milliampère)

Bild 1-34 Versuch Wasserleitung Gasblasen

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Selbstverständlich sind es nur kleine Bläschen! Der Versuch ist aus Sicherheitsgründen so klein gehalten worden, um das Prinzip zu zeigen. Würde man eine höhere Spannung und Strom verwenden, der Inhalt der Schale würde kochen, dann aber gegebenenfalls auch etwas anderes.

Im Physikunterricht nennt sich dieser Versuchsaufbau: „Hofmann’scher Zersetzungsapparat“. Wasservorrat H2O

Absperrhahn

Absperrhahn O2

Sauerstoff

2H2

H2-Blasen an der

O2-Blasen an der Anode

Wasserstoff

+

-

Kathode

Gleichstromquelle Bild 1-35 Hofmann‘scher Zersetzungsapparat In den gläsernen Apparat wird nicht nur H2O (reines, also destilliertes oder demineralisiertes Wasser eingefüllt, sondern, wie wir oben gesehen haben, auch etwas Kochsalz, NaCl, um den Stromfluss zu begünstigen, auch Leitungswasser kann genügend Strom fließen lassen. An der Anode (Pluspol) entsteht nun Sauerstoff, an der Kathode (Minuspol) Wasserstoff. Da H2O (H für Hydrogenium, Wasserstoff; O für Oxygenium, Sauerstoff) zerlegt wird, entsteht am Minuspol doppelt so viel Gas wie am Pluspol. Daher am Minuspol mehr, wie man oben sieht. Im Übrigen machen sich Elektroschweißer auf der Baustelle diesen Effekt zu Nutze, wenn sie nicht wissen, wie ihre Schweißstromkabel gepolt sind. Sie halten einfach bei eingeschaltetem Schweißgerät beide Kabel mit den blanken Enden in einen Eimer Wasser. Dort, wo es am meisten blubbert, ist der Minuspol.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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1.4.1.2 Widerstand metallischer Leiter Nun wollen wir uns mal um die tatsächlich eingesetzten Leitermetalle kümmern.

Bild 1-36 Dreh-Potentiometer von der Seite Die Widerstandswicklung eines Drehwiderstands (Potentiometer, auch kurz Poti genannt, wird später behandelt) hat nw = 135 Windungen, eine Windung ist lw = 26 mm lang, der Durchmesser des Drahtes ist d = 0,15 mm. Der Draht besteht aus Konstantan (eine Kupfer-Nickel-Legierung mit 56 % Cu, 44 % Ni. Hoher Widerstand, geringe temperaturabhängige Widerstandveränderung). Aus dem Ohm’schen Gesetz kennen wir, dass die Enge (Kreisfläche A) und die Länge l des Rohres, sprich Leiter, den Widerstand beeinflusst. Das ist aber noch nicht alles. Es gibt, wie wir wissen, schlechte und gute Leiter, das hängt vom Material ab. Bei den guten (auch schlechten!) Leitern wird das mit dem spezifischen Widerstand ρ (griechisch: rho) ausgedrückt. Beispiele: Silber (Argentum): ρAg = 0,0167, Kupfer (Cuprum/Cyprium): ρCu = 0,0178, Aluminium (Al): ρAl = 0,0278, Stahl: ρSt = 0,14…0,18, Konstantan (CuNi 44): ρKs = 0,49. Unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Anwendungen. Bei Wicklungen für Spulen kommt meist Kupfer zur Anwendung, auch Aluminium. Für Widerstandsdrähte eignet sich Konstantan.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

2  Das Formelzeichen mit Einheiten: r  W ⋅ mm  . Den alten Ohm [Ω] (Omega) kennen  m 

wir schon aus dem Ohm’schen Gesetz. [mm2] ist die Querschnittsfläche A des Leiters. Da sie meist kreisförmig ist, gilt dort die Kreisflächenformel: A = p d 2 . Für π 4 setzt man 3,141592 usw., es reicht 3,1416, es ist die Ludolf’sche Zahl, gibt das Verhältnis von Kreisumfang zum Durchmesser des Kreises an, d2 ist das Quadrat des Durchmessers des Leiters. l ist die Länge des Leiters, sie wird in Metern angegeben. Hier die Formel für den Widerstand R des stromdurchflossenen Leiters:

R=

r⋅l A

Wir sollten mal rechnen: a) Wie lang ist der Widerstandsdraht insgesamt lwges? b) Welchen Widerstand RG hat die gesamte Wicklung? c) Warum nimmt man Konstantan und nicht Kupfer für diesen Widerstand?

Erstmal in Ruhe rechnen!

Löser (auch Lösa genannt): a) Anzahl der Windungen mal Länge einer Windung: lwges = nw · lw = 135 · 26 mm = 3510 mm = 3,51 m b) Spezifischer Widerstand mal Gesamtlänge, das Ganze geteilt durch die Querschnittsfläche A des Drahtes. Erstmal die Querschnittsfläche A:

A=

π 4

d2 =

3,1416 ·0,15 2 mm 2 = 0,0177 mm 2 , 4

dann den Gesamtwiderstand RG =

ρ·lwges A

=

0,49·3,510 m = 97,169 Ω 0,0177 mm2

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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c) Kupfer leitet 27,5-mal besser als Konstantan. Die somit höhere Leitfähigkeit, auch ein Siemens genannt, das ist nur der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Um einen Drehwiderstand dieser Art aus Kupfer herzustellen, bräuchten wir also 27,5-mal mehr Drahtlänge, das muss nicht sein! Neben den festen Widerständen gibt es auch veränderliche. Hier das Prinzip am Beispiel eines Drehwiderstands, dazu auch Bild 1-44 Versuchsaufbau Messreihe Poti. Um eine kreisförmige, isolierende Hülse ist ein Widerstandsdraht gewickelt, der oben von einem drehbaren Schleifer bestrichen wird, auch in gerader Form gibt es Potentiometer. Hier eine Übersicht:

Schieberegler, wird/wurde z. B. bei den Mischpulten in Tonstudios verwendet

Drehwiderstände Bild 1-37 Auswahl Potentiometer Veränderbare Widerstände haben drei Anschlüsse, hier am Beispiel des mittleren Drehwiderstandes:

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Die kleinen, bogenförmig angeordneten Striche sind die Draufsichten auf die Widerstandsschleifen, die vom drehbaren Schleifkontakt bestrichen werden.

Bild 1-38 Prinzip Potentiometer Rechts und links angeschlossen, haben wir den gesamten Drahtwiderstand, das nutzt aber nichts, wenn wir den Widerstand ändern wollen. Wir haben die Wahl, ob wir von links oder von rechts her den größten oder kleinsten Widerstand haben wollen. Beispiel: Anschluss Mitte und rechts: Bei Schleiferstellung rechts: geringster Widerstand, ist auch klar, wir haben nur den Anfang der Widerstandswicklung, daher geringer Widerstand. Dreht man nach links: größerer bis größter Widerstand. 1.4.1.2.1 Messreihe Potentiometer Das Ganze probieren wir nun mal aus. Es ist sinnvoll, das Poti (400 Ω) auf eine solide Holzplatte zu montieren und die Betätigungswelle mit einem Drehknopf zu versehen, das erleichtert das Durchführen der Messreihe. Am Poti werden, gleichmäßig verteilt, sechs Markierungen gesetzt (entweder schmale Schnipsel aus weißem Isolierband, oder, wer die Schnippelei nicht mag, z. B. weißer Korrekturlack, silberner Filzstift, notfalls Tante Katias rattenscharfen Nagellack. Falls das Poti keine Grundplatte hat, können die Markierungen auch an der Mantelfläche auf den Widerstandsdrähten gesetzt werden, nicht aber auf der Stirnfläche, da braucht der Schleifer den metallischen Kontakt zum Widerstandsdraht):

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Bild 1-39 Markierungen am Drehwiderstand

Damit es einigermaßen genau wird, ermitteln wir erstmal die Sehnenlänge, die dann in den Zirkel genommen wird, siehe oben, um damit die Orte der Markierungen zu finden.

Wem die Berechnung zurzeit zu viel ist, geht ans Nähkästchen, holt sich das Maßband und misst damit die Länge des Widerstandskreisbogens aus und teilt den Wert durch 5, trägt dann den gefundenen Wert als Bogenmaß am Umfang des Potentiometers ab.

Für die, die es berechnen wollen: Was ist eine Sehne? Sie schneidet den Kreis an zwei Stellen und ist immer kleiner als der Durchmesser:

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

l

da isse!

d

Bild 1-40 Sehne im Kreis Wie wird das Ding berechnet? Erstmal die Skizze zur Erläuterung:

l

Die Formel für die Sehnenlänge:

g h

l = 2·r·sin

a

α

α 2

wobei: r: Radius, die Hälfte des Durchmessers d α: der Winkel zwischen dem Mittelpunkt des Kreises und den Schnittpunkten der Sehne mit der Kreislinie

d Bild 1-41 Berechnung Sehne

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Winkelfunktionen: Für die, die das noch nicht hatten: Was ist sin? Kurzer Ausflug: Der Sinus (abgekürzt sin) ist eine der Winkelfunktionen und gibt im rechtwinkligen Dreieck (oben fett) das Verhältnis zwischen der dem Winkel gegenüberliegenden Seite (Gegenkathete g) und der längsten Seite des rechtwinkligen Dreiecks (Hypotenuse h, liegt dem rechten Winkel gegenüber) an.

Somit gilt: sin α =

g h

Wenn wir schon mal dabei sind: Cosinus: cos α =

a (a: Ankathete, die Seite, die aaaam Winkel ist) h

Tangens: tan α =

g a

Die Werte werden mit dem wissenschaftlichen Taschenrechner ermittelt. Nun wird gerechnet! Erstmal die Werte: Gegeben/gemessen: Winkel der Widerstandswendel: 300°, Durchmesser der Ww: dw = 68,2 mm, somit der Radius rw = 34,1 mm Anzahl der Messpunkte: 6 Gesucht: a) Sehnenwinkel α b) Sehnenlänge l Lösung: a) Wir haben sechs Messpunkte, also fünf Abstände zwischen den Punkten. Der Sehnenwinkel ist also: α = b) Sehnenlänge l = 2·r·sin

α 2

300° = 60° 5

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Zur Erklärung der Formel:

α 2

ist der halbe Sehnenwinkel, also 30°, über den

Sinus und dem Radius wird, siehe Bild 1-41, die Hälfte der Sehne errechnet, mit 2 multipliziert gibt die Gesamtlänge der Sehne. Nun kommt der Taschenrechner: l = 2 · 34 ,1 mm ·sin 30 ° . Tipp zum Gebrauch: Bei Winkelfunktionen von hinten her abarbeiten! Erst 30 eintippen, dann die Sinustaste, dann die restlichen Werte. Das Ergebnis am Rechner: 34,1 mm ... Wie? 34,1 mm? Hatten wir doch schon! Das ist einfach zu erklären. Wir haben hier den Sonderfall, dass wir eine Teilung von 60° haben. Wer ein Sechseck konstruieren will, zeichnet einen Kreis und trägt den beim Zirkel eingestellten Radius nochmal an der Kreislinie ab, verbindet die gefundenen Punkte und bekommt ein Sechseck, nur mal so am Rande … Also: Bei der Teilung 60° am Kreis ist der Radius genauso lang wie die entsprechende Sehne. Damit auch die Wechselstromfreunde in den Genuss dieser Messungen kommen sollen, hier der Gleichrichter: Obacht! bei dieser Bauform müssen zwei Kontaktlamellen verbunden werden, hier mit weißem Kabel. Sie bilden dann mit der mittleren Lamelle die Gleichstromanschlüsse. Die beiden rechten Anschlüsse sind für Wechselstrom zuständig.

Bild 1-42 Gleichrichter einzeln Es ist hierbei unerheblich, ob wir an die Fahrstromanschlüsse (bei voll eingestellter Spannung) oder den Lichtstromanschluss nutzen. bei Anschlüsse liefern ca. 18,1 V.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Zur Erinnerung: Kleinere und somit preiswertere elektrische Universalmessgeräte können keine Wechselströme messen, daher müssen wir hier einen Gleichrichter einsetzen. Keine Panik, die Biester gibt’s im Elektronikfachhandel oder im Modellbahngeschäft für wenige Euro. Eingang: 14V/1A Wechselstrom, Ausgang ca. 12V/1A Gleichstrom.

Damit es bei der Durchführung der Messreihen keinen Stress gibt, sollten die Anschlüsse mit Querlochsteckern versehen werden. Auch die Messspitzen des Universalmessgerätes sollten per Lüsterklemmen an Kabeln mit Querlochsteckern versehen werden. Das erleichtert den Umbau für die Messungen der verschiedenen Ströme und Spannungen. Also: nur einmal schrauben, dann bequem stecken!

Bild 1-43 Schaltung mit Querlochsteckern

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Hier der Gesamtaufbau am Beispiel für die Messung vom Gesamtstrom IG:

Bild 1-44 Versuchsaufbau Messreihe Poti Damit auch alle durchsteigen, hier der Schaltplan: UW

Schaltbildbereich des Fahrpults mit Gleichrichter: UL

IG +

-

Potentiometer RW = 400 Ω

Lampe als Vorwiderstand

14V~

230V ~

UG

Bild 1-45 Schaltbild Versuchsaufbau Messreihe Poti Erklärung der einzelnen Messwerte: UG: Gesamtspannung, die an der Stromquelle, hier Gleichrichter am Fahrpult, anliegt IG :

Gesamtstrom

UL: Spannung über der Lampe UW: Spannung über dem Widerstand

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Eh‘ aufgebaut wird, erstmal das Ganze genau ansehen und nachvollziehen! Der Schaltplan sollte mit dem Gesamtaufbau verglichen werden, damit dann beim Zusammenstecken keine Fehler passieren. Zur Überprüfung der jeweilig zusammengesteckten Schaltung: das Kabel mit zwei Fingern anfassen, bis zum Ende durchfühlen, mit dem Plan vergleichen und auf Fehler prüfen. Keine Panik, das schaffst du!

In der Excel-Tabelle werden noch folgende Messwerte gebraucht: RLerr:

errechneter Widerstand der stromdurchflossenen Lampe

RWerr:

errechneter Widerstand des Potentiometers

RWgem: gemessener Widerstand des Potentiometers (im kalten Zustand!) Versuchsauswertung mit einem Tabellenkalkulationsprogramm: (hier: Excel). Ziel ist es, aus den gemessenen Spannungen UL und Uw und dem Gesamtstrom IG die Widerstände des Potentiometers und der stromdurchflossenen Lampe in den einzelnen Stellungen zu errechnen. Um sich unnötige Schreibarbeit zu ersparen, ist es sinnvoll, die leere Tabelle auszudrucken, die entsprechenden Felder bei der Versuchsdurchführung mit der Hand auszufüllen und dann in die Tabelle einzutippen. Erstellen der Excel-Tabelle: Spalten und Zeilen werden mit den entsprechenden Bezeichnungen versehen. Mit der linken Maustaste werden die entsprechenden Felder angeklickt, um dann die entsprechenden Bezeichnungen zu erstellen. Soll ein Teil der Bezeichnung tiefgestellt werden, so z. B. bei RLerr wird dieser Teil markiert und mit der rechten Maustaste ein Untermenü aufgerufen, aus dem die Funktion „Zellen formatieren“ ausgewählt wird:

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Eingabezeile

Bild 1-46 Tiefstellen in Excel/1

Haken Hakenbei bei Tiefgestellt Tiefgestellt setzen setzen mit mit OK OKabschließen abschließen

Bild 1-47 Tiefstellen in Excel /2 Um allen klarzumachen, welche Einheiten jeweils angesagt sind, werden sie hinter die Formelzeichen gesetzt. Die eckigen Klammern: [ bzw.:], werden erzeugt, indem die Alt-Taste gedrückt und der entsprechende Zahlenwert im Nummernblock eigegeben wird, hier Alt 91 bzw. Alt 93.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Da wir vorher „tiefgestellt“ haben, liegt diese Funktion noch an. Mit einem Rechtsklick an der Stelle der ersten eckigen Klammer wird das bekannte Untermenü aufgerufen und der Haken dort entfernt, die nachfolgenden Zeichen haben dann wieder die gleiche Höhe und Stelle. Ganz furchtbar Ausgeschlafene füllen alle Spaltenbenennungen erst ohne Tiefstellung aus und holen das nach Fertigstellung einzeln nach.

Das Ω für das Widerstandsomega: großes W, markieren, Rechtsklick in der Markierung, dann die Schriftart „Symbol“ auswählen. Das müsste dann so aussehen:

Bild 1-48 Fertige Spaltenbeschriftung Formelerstellung in Excel: Die Widerstandswerte der stromdurchflossenen Lampe RLerr und des Potentiometers RWerr sollen mit dem Programm errechnet werden: Beispiel: RLerr =

UL IG

In Excel sieht das nun so aus, dass der Inhalt des Feldes D2 durch den Inhalt des Feldes C2 geteilt werden muss.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Vorgehen: E2 anklicken, in die Eingabezeile, rechts neben dem fx, wird ein Gleichheitszeichen gesetzt, dann D2 anklicken, / für „geteilt durch“, dann C2 anklicken. Mit dem Haken wird die Formel übernommen. Übertragen der eingegebenen Formel auf die weiteren Zeilen mit automatischer Angleichung der Bezüge: E2 mit linker Maus anklicken, mit gedrückter linker Maus E2 bis E7markieren, Ausfüllen – unten

Bild 1-49 Eingabe Formel und Übertragung auf weitere Zeilen

Nun fehlt noch RWerr =

UW . Kriegen wir doch hin … IG

Wenn alles gut gelaufen ist, sieht die Tabelle so aus:

Bild 1-50 Vollständig ausgefüllte Formeln Natürlich werden hier noch keine Werte angezeigt, wir haben ja noch nichts gemessen und eingetragen, das holen wir jetzt nach: Versuchsdurchführung: Erstmal wird die leere Excel-Tabelle ausgedruckt, um darin die Messwerte einzutragen.

1.4 Aufbau einfacher Stromkreise

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Da wir das Poti mit Markierungen versehen haben, stellen wir den Schleifer des Poties auf Markierung 1 und klemmen das Messgerät erstmal zwischen einen Ausgang des Gleichrichters und einer Zuleitung zur Lampe (im Schaltplan: IG). Bei einem Gleichstromfahrpult an den Fahrstromausgang, der auf höchste Fahrstellung eingestellt ist. Bei Wechselstromfahrpulten (z. B. Märklin) reicht es, wenn der Gleichrichter an die Lampen/Weichenanschlüsse, siehe Bild 1-44 Versuchsaufbau Messreihe Poti, angeschlossen ist. Das Universalmessgerät wird auf I = 200 mA gestellt und das Fahrpultes eingeschaltet. Der Schleifer des Poties wird nun von Messpunkt zu Messpunkt gedreht und die entsprechenden Messwerte werden in die leere ExcelTabelle handschriftlich eingetragen. Das Gleiche passiert mit den Spannungswerten UG, UL und UW, indem mit Querlochsteckern das Universalmessgerät (bei IG wieder überbrücken, bzw. anschließen!) in die entsprechenden Pole gesteckt und wie oben beschrieben, gemessen wird. Wenn alles brav durchgeführt wurde, kann nach Ausfüllen der Tabelle das so aussehen:

Bild 1-51 Vollständig ausgefüllte Messwerte mit errechneten Werten Das sollten wir erstmal in Ruhe ansehen:

Bei der Sichtung der Messwerte sollten keine Erdbeersamen gezählt werden, will sagen, nicht so pingelig sein. Wenn z. B. die Werte für UG in der zweiten Kommastelle unterschiedlich sind, liegt das am einfachen Aufbau bzw. an den einfachen Messgeräten. Wir haben Übergangswiderstände, wir arbeiten mit Krokodilklemmenkabeln etc.. All‘ das führt zu leichten Wertabweichungen. Es kommt hier auf die Nachvollziehbarkeit und die Zusammenhänge an und das werden wir gleich sehen.

Wir denken mal über Folgendes nach: 1. Die Klemmenspannung am Ausgang des Fahrpultes (Wechselstrom) betrug 18,1 V. Warum liegt am Ausgang des Gleichrichters UG = 16,2 V an?

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

2. IG sinkt, je weiter wir von Messpunkt 1 bis 6 fahren, woran liegt das? 3. Im kalten Zustand wird bei der Lampe ein Widerstand von ca. 36,3 Ω gemessen. Warum finden wir Werte RLerr von 342,89 Ω (Messpunkt 1) bis 218,01 Ω (Messpunkt 6)? Tipp: Wer den Versuch durchgeführt hat, wird festgestellt haben, dass die Glühlampe bei Messpunkt 1 sehr hell leuchtete, und bis zum Erreichen des Messpunktes 6 schwächer leuchtete. 4. Die Widerstandsmesswerte RWerr und RWgem am Poti unterscheiden sich kaum. Woran liegt das? 5. UW am Messpunkt 1 beträgt 0,03 V, woran liegt das? Erstmal denken ... Lösa: 1. Der Gleichrichter wird bei seiner Arbeit warm, hat auch einen Innenwiderstand, daher der Spannungsabfall. 2. Je weiter wir von Messpunkt 1 zu 6 fahren, desto höher wird der Widerstand am Potentiometer, d. h., der Gesamtstrom wird weiter gebremst. Am Messpunkt 1 hatten wir den geringsten Widerstand des Potentiometers, daher konnte dort der größte Strom fließen. 3. Wenn die Lampe hell leuchtet, ist der Glühfaden in der Lampe sehr heiß. Je heißer der Leiter, desto größer sein Widerstand. 4. Die Drähte des Potentiometers bestehen aus Konstantan (nahezu gleichbleibender Widerstand!), sie glühen nicht wie bei der Lampe, sind also nicht heiß, daher keine nennenswerte Änderung des Widerstandes. 5. Der Schleifer des Potentiometers befindet sich am Anfang der Widerstandsspirale, daher kann dort noch kein Spannungsabfall entstehen.

1.5 Isolatoren Damit die Elektronen auch wirklich dahin fließen, wo sie sollen, braucht man auch Nichtleiter, auch Isolatoren genannt, z. B. im Bild 1-24 Kabel Lupe Cu-Gitter, haben wir schon kleine Isolierungen von Kabeln kennengelernt, die auch im Hausgebrauch üblich sind.

1.5 Isolatoren

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Bild 1-52 Altes Kohlenzuggleis des Heizkraftwerkes Hannover-Linden/2 Hier hemmen der Asphalt und das Tor jeglichen Verkehrs-(Strom-)Fluss! Nichtleiter bzw. Isolatoren sind: Gummi, Kunststoff, Glas, Porzellan, Keramik. Ein Beispiel, wie große Ströme und Spannungen geleitet werden: z. B. 60.000 V und 600 A, hier muss größere Sorgfalt auf die Isolation gelegt werden: Beispiel: ein Freiluft-Expansionsschalter: Schaltarme klappen beim Unterbrechen des Stroms auseinander:

Isolatoren

Schaltmechanik

Bild 1-53 Dreiphasen Hochspannungsschalter auf dem Hof der BBS-ME Hannover

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

1.6 Parallel- und Reihenschaltungen 1.6.1 Parallelschaltungen So, nun aber genug der Theorie. Nun lassen wir es richtig leuchten. Wir nehmen unsere fünf Glühlampen (ca. 50 mA pro Lampe) und schließen sie an den Trafo an. Ist das eigentlich egal, wie die Lampen angeschlossen werden? Probier es aus!

Bild 1-54 Glühlampen in Parallelschaltung Hier die zweipolige Steckerleiste, kann auch mit Querlochsteckern erledigt werden, Anschluss zum Fahrpult alle fünf Lampen angeschlossen Bild 1-55 Glühlampen in Parallelschaltung, Detail

1.6 Parallel- und Reihenschaltungen

47

Der dazu gehörige Schaltplan sieht so aus:

+ -

Bild 1-56 Grafik Parallelschaltung Hier haben wir eine Parallelschaltung! Das ist übrigens genau die Schaltung, die beim Anschluss von Beleuchtungen in Häusern der Modelleisenbahnanlage entsteht.

Bild 1-57 Ausgang Messe-Nord Was hat der Aus(Ein-)gang Nord der Hannover-Messe mit der Parallelschaltung zu tun? Viel! Nehmen wir mal an, ein anstrengender Messetag ist zu Ende, die Messegäste wollen alle nach Hause und es ist nur eine Tür auf! Ein tierisches Gedrängel entsteht (= hohe Spannung). Werden nun alle Türen geöffnet, strömen die Besucher parallel durch die Ausgänge, das Gedrängel wird geringer, die „Spannung“ fällt ab, der Strom (Besucher~) wird dann größer!

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Da kann man auch etwas berechnen:

1

1

1

1

Gesamtwiderstand: R = R1 + R 2 + R 3 … usw.

R1·R 2

für zwei parallele Widerstände gilt auch: R = R1 + R 2 Der Gesamtstrom ist die Summe der Einzelströme: I = I1 = I2 = I3 … usw. Man sollte dabei an die Besucherströme durch den Ausgang denken. Die Gesamtspannung steht natürlich in der gesamten Breite des Eingangs an, sie ist überall gleich: U = U1 = U2 = U3 … usw.

Bild 1-58 Anzeige Unimeß 194,2 So, I = 194,2 mA = 0,1942 A, bei U = 13,6 V

1.6 Parallel- und Reihenschaltungen

49

1.6.2 Reihenschaltungen Man kann die Lampen auch anders zusammen friemeln:

Bild 1-59 Reihenschaltung 5 Lampen Finster was, der Mond schien helle … Ganz im Ernst, es liegen 16,3 V an! Alle Lampen wurden vorher getestet und waren in Ordnung. Woran liegt es? Zur Erinnerung: die Klemmenspannung betrug z. B. 16,57 V. Hier erstmal der Schaltplan:

+ -

Bild 1-60 Grafik Reihenschaltung Vergleiche die aktuelle Spannung mit der der Parallelschaltung, was fällt auf? Die aktuelle Spannung ist wesentlich höher! Hier haben wir eine Reihenschaltung!

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Alle Widerstände, also fünf Widrigkeiten, liegen hintereinander, den Strom kann man sich errechnen (der Widerstand einer Glühlampe wurde bei der Erklärung des Universalmessgerätes ermittelt): Gesamtwiderstand RG = 5 · 30,8 Ω = 154 Ω. Strom I =

U 16,3 V = = 0,105 A . R 154 Ω

Bleibt pro Glühlampe ein Fünftel des errechneten Gesamtstroms:

I1/ 5 =

0,105 A = 0,021 A 5

Also 21 mA. Bei einem Sollstrom von 50 mA denken die Lampen gar nicht daran, zu leuchten.

1.6.3 Knotenregel Es gibt allerdings auch Mischungen aus Reihen- und Parallelschaltungen. Dazu erstmal ein Blick vom ehemaligen Contihochhaus auf den Königswortherplatz in Hannover:

Bild 1-61 Kreuzung Königsworther Platz, Hannover, vom ehem. Contihochhaus aus Betrachten wir den fließenden Verkehr. Alles, was in die Kreuzung hineinfährt, fließt auch wieder heraus. In der Elektrotechnik nennt sich das: Erste Kirchhoff’sche Regel, „Knotenregel“. Keine Panik, wir wagen uns nun an eine gemischte Schaltung:

1.6 Parallel- und Reihenschaltungen

51

Knoten! Bild 1-62 Grafik gemischte Schaltung Aus den drei Parallelschaltungen erzeugen wir mit Hilfe der Formeln über die Parallelschaltung drei Ersatzwiderstände … da waren: drei

zwei

vier Widerstände!

Bild 1-63 Grafik Ersatzschaubild gemischte Schaltung … indem wir erstmal jeweils den Wert der einzelnen Parallelschaltungen errechnen. Dann haben wir nur noch eine strunz normale Reihenschaltung, die auch Tante Lisbeth ausrechnen kann. Möglichkeit zum Vertiefen und Festigen des neuen Wissens: (Aufgaben für Ohm, Kirchhoff, elt. Arbeit und Leistung) Bei den nachfolgenden Versuchen stoßen normale Universalmessgeräte an ihre Grenzen, da sie nur Ströme bis zu 200 mA im abgesicherten Zustand messen können, viele Modellbahnloks aber Ströme von 250 mA und weitaus mehr „ziehen“. Eine Abhilfe ist, die Ströme verschiedener Loks erstmal im ungesicherten, z. B. 10 A Bereich, zu messen (Obacht! Kabel umstecken!), um dann die Loks auszuwählen, die unter 200 mA bleiben. Die nachfolgenden Versuche werden dann im 200-mA-Bereich gefahren. Zur Sicherheit sollte aber im Fachhandel ein 10er Pack 200 mA flink Sicherungen besorgt werden. Es kann bei Belastungsversuchen vorkommen, dass eine Lok, die im Einzelbetrieb unter 200 mA bleibt, im belasteten Zustand über 200 mA kommt. Messungen im 10 A Bereich des Universalmessgerätes sind nicht sinnvoll, da bei kleinen Strömen dort meist nur ungenaue Werte angezeigt werden, die für die Auswertung wenig nützen.

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

1. Statt der Lampen nehmen wir nun unsere Loks als „Verbraucher“. Wir werden ohmsche Widerstände messen, Strom und Spannung beim Fahren der Loks in verschiedenen Betriebszuständen messen und dann mit Berechnungen dem Ohm’schen Gesetz näher kommen. Wer möchte, kann die Werte auch gleich in eine Tabellenkalkulation eintragen, dann können Berechnungen auch mit dem Computer durchgeführt werden. Bei der Gelegenheit werden wir uns dann auch mit der elektrischen Arbeit und Leistung beschäftigen. a) Bevor es aufs Gleis geht, müssen wir erstmal die ohmschen Widerstände der Loks messen und notieren. b) Zwischen Fahrpult und Gleis werden die Messgeräte geschaltet oder das eine so vorbereitet, dass Strom (im Leiter) Spannung (über den Anschlüssen des Fahrpults), dann natürlich nacheinander, gemessen werden kann. c) Unter Klemmenspannung versteht man den Messwert, der sich bei einer unbelasteten Stromquelle ergibt. Um festzustellen, wie weit die Spannung im Betrieb zusammenbricht (kann von Fahrpult zu Fahrpult unterschiedlich sein) sollte nun eine Liste: Fahrpultstellung zu Klemmenspannung angelegt werden. Also: Multimeter an den Fahrstromanschluss schließen, den Regelknopf langsam aufdrehen, die Spannung ablesen und mit der jeweiligen Reglerstellung notieren. d) Nun geht’s aufs Gleis! Schnapp’ dir eine Lok, setz’ sie aufs Gleis und lass’ sie fahren. Dreh’ den Regler langsam auf, bis Lok anfährt. Notiere nun die Werte (erstmal Spannung) und steigere nun schrittweise die Fahrspannung, z. B. nach der Skalenteilung des Fahrpultes. Dann wird das Universalmessgerät als Strommesser geschaltet (in die Leitung!) und dann wieder schrittweise nun die verschiedenen Ströme gemessen. (Hinweis: wenn bei einem Wechselstromsystem das Universalmessgerät keine Wechselströme messen kann, schalte einen Gleichrichter an die Anschlüsse des Fahrpults und schließ‘ daran den Rest an. In den Wechselstromloks sind Universalmotore, sie laufen mit Einschränkungen auch mit Gleichstrom. Wegen des Widerstandes des Gleichrichters kann der zum Umschalten der Wechselstromlok notwendige Impuls von 24 V nicht passieren.) Was stellst du fest?

1.6 Parallel- und Reihenschaltungen

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2. Am hintersten Ende eines großen Schienenovals soll eine Wechselstromlok umschalten, daher wird von Fahrpult der Umschaltimpuls gesendet. Statt umzuschalten, macht die Lok einen „Bocksprung“, d. h. einen Satz in Fahrtrichtung. Die Lok schaltete aber im vorderen Bereiche der Anlage, beim Stromanschluss, einwandfrei durch. a) Wie ist dieses Ereignis zu erklären? b) Welche Maßnahmen können getroffen werden, um die Lok auch hinten gut umschalten zu lassen? 3. Ein Bastler hatte nicht die passenden Glühlampen parat und beleuchtete seine D-Zugwagen mit je zwei 7-V-/33-mA-Lampen, die in Reihe geschaltet wurden. a) Wie groß ist der Spannungsabfall an den beiden Lampen? b) Welcher Gesamtwiderstand ergibt sich pro Waggon? c) Welcher Strom fließt durch einen Waggon? d) Welcher Widerstand und welcher Strom sind vorhanden, wenn: – zwei Wagen – acht Wagen in Betrieb sind? 4. Potentiometer: a) Wenn der Schleifer über die Widerstandsschlaufen abgreift, haben wir dann eine Reihen- oder eine Parallelschaltung? b) Ist das nun eine Stromteilungs- oder eine Spannungsteilungsschaltung?

 Mal eine kleine Erweiterung: 5. Nimm’ eine kräftige Lok, setze sie auf das Gleis und messe erstmal, wie oben, Spannung und Strom bei verschiedenen Fahrstufen. Nun kommt’s: hänge an die Lok den schwersten Zug, den du darstellen kannst: z. B. zig O-Wagen, beladen mit z. B. Aquarienkies, Muttern, Schrauben, Stahlteile, so schwer, dass die Lok den Zug gerade soeben ziehen kann. Nun notiere wieder Strom und Spannung. Vergleiche die Werte mit der Leerfahrt der Lok. Was stellst du fest?

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Experiment 1: Strom, Spannung, Widerstand – die drei Grundelemente der Elektrotechnik

Hinweis zur Aufgabe 5: Es geht hier um: a) elektrische Leistung: P [W] (Power, wird in Watt angegeben) = U [V] · I [A] b) elektrische Arbeit W [meist kWh, Kilowattstunden, auch: Watt mal Sekunde] = P [W] · t [s] So, wir haben es jetzt über viele Widerstände fließen lassen, kennen Strom, Spannung und Widerstand. Aber was passiert um den Leiter, wenn wir einen Strom fließen lassen?

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter zum kreissymmetrischen Magnetfeld: Da tut sich etwas um den Leiter … 2.1 Magnetfeld in Kreisform Der prinzipielle Aufbau:

Stromquelle „Verbraucher“ blanker Draht Kompassnadel

Bild 2-01 Stromdurchflossener Leiter prinzipieller Aufbau Von einem Tisch herunter lässt man ein Kabel/Leiter herunterhängen, dann nähert man sich dem hängenden Leiter mit einem Kompass. Die Nadel muss vor Einschalten des Stroms zum Leiter hinzeigen, also radial, in Richtung des Radius, ausgerichtet sein. Nun schließt man dieses Kabel an eine Gleichstromquelle, z. B. Fahrpult: = , mit einem großen Verbraucher an, und je höher der Strom ist, desto größer ist hier die Wirkung. Für diesen Versuch kann man sogar ein Ladegerät für Autobatterien, eine volle Autobatterie oder einen frischgeladenen Starthilfeblock nehmen. Die Hauptsache ist, dass ein satter Gleichstrom fließt. Warum? Der Kompass richtet sich normalerweise am Erdmagnetfeld aus. Nur, wenn der Strom groß genug ist, kann die Nadel abgelenkt werden.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0_2

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Von der Theorie zur Praxis: Die Leiterschlaufe kann aus Schweißdrähten ∅ 2,0 mm gebogen und mit Lüsterklemmen zusammengefügt werden. Wird das Ganze nur mit Mitteln der Modellbahn gemacht, müsste man z. B. 20- der 50-mA-Lampen parallelschalten. Das sähe dann fast so aus:

Bild 2-02 Gesamtansicht realer Aufbau stromdurchflossener Leiter Wichtig ist, dass die Kompassnadel vor dem Einschalten des Stroms genau radial zum Leiter ausgerichtet ist:

Bild 2-03 Kompassnadel ohne Ausschlag

2.1 Magnetfeld in Kreisform

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Bild 2-04 Unimeß Anzeige 0.00 – noch fließt hier kein Strom ... Hier das Gepfriemel mit 10 Lampen:

Bild 2-05 10 Lampen parallel

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Bild 2-06 Unimeß Anzeige 0,48 – es fließt ein Strom von 0,48 A

Bild 2-07 Kompassnadel 15° Ausschlag Die Kompassnadel zeigt mit 15° Ausschlag nur wenig Respekt vor dem mühsam aufgebauten Magnetfeld, ist ja auch klar, bei schlappen 0,48 A.

2.2 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder

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2.2 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder Wir können auch anders ... Es muss nur ein größerer Strom her:

Bild 2-08 Unimeß 1,93 1,93 A! Wie kommt das denn? Statt des „Lampenhaufens“ wurde nun ein alter Akkuschrauber angeschlossen:

Bild 2-09 Aufbau mit Akkuschrauber

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Nun kommt auch die Nadel in Wallung:

Bild 2-10 Kompass 40° Wir haben eine Ablenkung von immerhin nun 40°. Nun drehen wir mal den Spieß um, bzw. die Stromrichtung:

Bild 2-11 Unimeß Anzeige –1,96

2.2 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder

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Auch die Nadel reagiert anders:

Bild 2-12 Kompass-Ausschlag –52° Sie schlägt freundlicherweise zur anderen Seite aus: –52°!

Keine Panik, dass die Werte unterschiedlich sind! Wir sind nicht in der Physikalisch-Technischen Versuchsanstalt in Braunschweig und arbeiten daher nicht mit hochpräzisen Messinstrumenten. Auch bei deinen Messungen wird es immer wieder Unterschiede geben. Das macht überhaupt nichts, hier geht es nur um Erkenntnis, nicht um den Nobelpreis in Physik, alles klar?

Um die Nadel nun genau tangential auszurichten, also rechtwinklig zum Radius, gehen wir noch mal in die Vollen. Da das gute Fahrpult beim Belastungsversuch mit dem Akkuschrauber nach einer Weile streikte (schließlich lieferte es 1,93 A statt, wie normal, 1 A!), wird nun eine stärkere Stromquelle eingesetzt:

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Versuchsaufbau mit Powerstation: Nicht zur Nachahmung empfohlen! Wäre ich Auszubildender in einem Elektrofachbetrieb, hätte mir der Meister diese Schaltung um die Ohren gehauen, und zwar mit Recht! So ein Chaos darf nur der handhaben, der vorher alles durchgemessen hat, z. B. die Einzelströme der Verbraucher, hier zusammen 20,15 A, und die Schaltung vor Inbetriebnahme auf Kurzschluss geprüft hat. Es war keiner vorhanden, aber es wurde ein ohmscher Widerstand von 0,4 Ω gemessen. Auch die verwendeten Kabel stammen, wegen der höheren Ströme, aus dem Bereich der Autoelektrik.

Bevor wir nun den Schalter umlegen bzw. „Saft“ auf die Anlage legen, erstmal rechnen: Widerstand R der Anlage: 0,4 Ω Nennspannung U der Powerstation: 12 V:

I =

U 12 V = = 30 A R 0,4 Ω

Der Wert ist zwar theoretisch zu hoch, aber wir wissen ja, dass eine Spannung auch zusammenbrechen kann. Zur Erklärung: die gemessenen Einzelströme betrugen: Akkuschrauber: 1,9 A, die Kompressoren je ca. 6 A, zu wenig, eine vollgeladene Powerstation in die „Knie“ zu zwingen.

2.2 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder

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PowerStation 12 V = 17 Ah Multimeter Imax = 20 A

Akkuschrauber drei 12-VKompressoren

Bild 2-13 Aufbau Maximalstrom Wenn Kompressoren ins Freie arbeiten, ziehen sie kaum Strom, daher wurden sie mit Blindstopfen versehen:

Bild 2-14 Blindstopfen am Kompressor

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Nach dem Einschalten:

Bild 2-15 Unimeß 19,71 19,71 Ampère! Da ist ordentlich „Dampf“ in der Strippe! Das meint auch die Nadel:

Bild 2-16 Kompass klein Vollausschlag Holla, die Waldfee! Wenn eine kleine ausschlägt, dann vielleicht auch größere:

2.2 Erzeugung unterschiedlich starker Ströme und Magnetfelder

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Bild 2-17 Vollausschlag große Kompassnadel, zitternd Sie zittert noch, weil sie gut gelagert ist.

Bild 2-18 Vollausschlag große Kompassnadel, ruhig Die Große ist ruhiger … „tangentialer“ geht’s nicht … Zur Erinnerung: Die Nadel war vorm Einschalten des Stroms genau auf den Draht ausgerichtet, sie stemmt sich immer noch gegen das Erdmagnetfeld!

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Experiment 2: Elektromagnetismus, Entstehung – Vom stromdurchflossenen Leiter …

Nun noch alles in Gesamtansicht zum Vergleich zur Ausgangsabbildung:

Bild 2-19 Gesamtansicht stromdurchflossener Leiter

Bemerkung zu den Grenzen des Systems: Das Multimeter ist ein professionelles Gerät, nur die Kabel waren zu schwach, sie erwärmten sich! Hier muss mal kurz etwas klargestellt werden: Technische Stromrichtung: von Plus (+) nach Minus (–) Physikalische Stromrichtung: von Minus (–) nach Plus (+) Die physikalische Stromrichtung ist die korrekte, der Strom, der Fluss der negativ geladenen Elektronen von der Kathode (–) zur Anode (+). In den folgenden Darstellungen wird hier die physikalische Stromrichtung gezeigt.

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen: Elektromagnet, Relais, Permanentmagnet, Elektromotore, Generator, Trafo I – Vom Strom zur Bewegung 3.1 Elektromagnet Wickelt man nun einen Leiter zu einer Spule, lässt Strom durchfließen, addieren sich die einzelnen Magnetfelder (die kleinen Kringel mit den Pfeilen an den Leitern) zu einem großen Magnetfeld:

Bild 3-01 Stromdurchflossene Spule, ebenes Magnetfeld Da das Magnetfeld nicht nur sich in der Ebene ausbreitet, sondern auch im Raum, sieht das Ganze nun so aus:

Bild 3-02 Stromdurchflossene Spule, räumliches Magnetfeld © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0_3

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Wir fassen mal zusammen: Die Richtungen der Feldlinienkringel entstehen gemäß der Korkenzieher- oder Rechtsschraubenregel, also im Uhrzeigersinn! Das gilt für die technische Stromrichtung, also von + nach –. Bei der physikalischen Stromrichtung, also von – nach +, gilt die Linksgewinderegel, die Feldlinienrichtung ist dort gegen den Uhrzeigersinn! Die Feldlinien laufen in der Spule von Süd nach Nord, somit ist die Feldlinienrichtung außerhalb der Spule von Nord nach Süd.

Eisen und einige andere Metalle können den Magnetismus besser leiten als Luft, daher ist im Innern einer Spule ein Eisenkern zu finden:

Bild 3-03 Stromdurchflossene Spule, räumliches Magnetfeld mit Eisenkern Lagert man den Eisenkern (= Weicheisen, kohlenstoffarmer Stahl) in der Längsachse verschieblich und schaltet den Strom ein, zieht das elektromagnetische Feld den Eisenkern in sich hinein:

3.1 Elektromagnet

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Bild 3-04 Stromdurchflossene Spule, Magnetfeld mit bewegtem Eisenkern Das nennt sich nun Elektromagnet! Bei der Modellbahn treibt er Weichen, Signale, Entkupplungsgleise etc. an. Also überall, wo nur eine kurze, geradlinige Bewegung gebraucht wird. Und überhaupt Spule: Wer glaubt, hier werden einfach blanke Kupferdrähte aufgewickelt, irrt gewaltig. Was würde dann passieren? Der Strom denkt gar nicht daran, brav durch jede Spulenwindung zu latschen, um dann das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen, er wird den Weg des geringsten Widerstands gehen, also direkt von Windung zu Windung fließen. Das nennt sich dann „Windungsschluss“. Es würde ein Strom fließen, der einem Kurzschluss gleichkommt, auch das erwartete Magnetfeld kann man vergessen. Bei Spulen werden Kupferlackdrähte verwendet, also Kupferdraht, der mit einer feinen isolierenden Schicht überzogen ist. Der arme Strom muss nun durch jede Windung fließen, dafür macht er nun auch brav seinen Job, er erzeugt das gewünschte Magnetfeld.

Anwendungsbeispiele:

Bild 3-05 Doppelspulenantrieb einer H0-Schnellfahrweiche

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Funktionsprinzip: Im Innern der Spulen ist ein verschiebbarer Weicheisenkern, hier nicht sichtbar. Wird eine Spule mit Strom versorgt, zieht das so erzeugte Magnetfeld das Weicheisen zu sich herein. Durch die angeschlossene Mechanik wird diese Bewegung auf die Weichenzungen übertragen. So kann die Weiche per Tastendruck geschaltet werden. Ein altes Formsignal von Märklin, das es in sich hat:

Bild 3-06 Doppelspulenantrieb und Mechanik eines Formsignals

3.1 Elektromagnet

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Der weißbeige Haken, hier durch den Elektromagneten voll ausgefahren, betätigt über einen Hebel und ein Gestänge die oben im Bild 3-06 Doppelspulenantrieb und Mechanik eines Formsignals, sichtbaren Signalkellen.

Bild 3-07 Doppelspulenantrieb und Mechanik eines Formsignals Das ist aber noch nicht alles. Der Doppelspulenantrieb arbeitet auch als Schalter, auch Relais genannt:

Die seitlich angebrachten Kontaktlamellen versorgen das Gleis, auf dem der Zug steht, für den das Signal bestimmt ist. In dieser Stellung ist der obere Kontakt mit dem unteren mit einer Kupferplatte verbunden, leitet somit den Strom zum Gleis, die Lok kann fahren. Macht auch Sinn, das Signal steht auf Hp2, Langsamfahrt. Bild 3-08 Doppelspulenantrieb und Kontakte eines Formsignals Wird der Haken durch den Elektromagneten eingezogen, betätigt die Mechanik die Signalkellen:

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Bild 3-09 Formsignal auf Hp0 Die Kellen, oben waagerecht, unten senkrecht nach oben, zeigen „Halt“, also Hp0. Entsprechendes ist bei den Kontakten passiert: Die untere Kontaktlamelle, die den Strom zum Gleis führen könnte, steht dummerweise auf dem schönen hellen Plastik und das leitet nun mal nicht! Da kann man am Fahrpult drehen, wie man will, der Strom ist unterbrochen!

Bild 3-10 Formsignal auf Hp0 gesperrter Kontakt

3.1 Elektromagnet

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Das ist auch der Grund, warum an diesem Signal so viele Strippen sind: Betätigung der Doppelspule, Beleuchtung der Signallampen, Versorgung der angeschlossenen Gleise. Warum fahren Wechselstromloks vorwärts und rückwärts? Umpolen is‘ nich... Baut man den Eisenkern fest in die Spule ein, wirkt ihr Magnetfeld auf einen beweglichen Anker, der z. B. Kontakte schalten kann.

Bild 3-11 Umschaltrelais einer Wechselstromlok

3.1.1 Relais Geduld, erst mal die Relais: Relais braucht man, um mit einem Impuls mehrere Kontakte gleichzeitig zu schalten. In der Technik sehen Relais so aus:

Bild 3-12 Auswahl Industrierelais

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Ein Relais ist so aufgebaut:

Eine Spule, wenn sie vom Strom durchflossen ist, erzeugt ein Magnetfeld, das den Anker anzieht. Durch eine Wippe werden die Kontakte betätigt, hier werden sie dadurch geschlossen.

Bild 3-13 Großes Industrierelais einzeln Warum kommen Industrierelais mit einer Spule aus? Der Hit ist die Selbsthaltung:

+ 24 V S2 AUS

S1 EIN

K1 0V

Funktion: Der Taster S1 (Schließer) wird betätigt, der Kontakt also geschlossen, die Spule vom Relais K1 bekommt Strom, der Anker wird angezogen und schließt bzw. öffnet die angekoppelten Kontaktlamellen. Somit ist der untere Kontakt geschlossen. Wird S1 losgelassen, fließt nun der Strom über den unteren Kontakt, das Relais bleibt im angezogenen Zustand, geht also in Selbsthaltung. Bild 3-14 Relais mit Selbsthalteschaltung unerregt

3.1 Elektromagnet

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Hier das Relais im angezogenen, erregten Zustand:

+ 24 V Der Anker wurde vom Magnetfeld der Spule angezogen, die Wippe drückt nun die einzelnen Kontaktlamellen nach oben. Die Schließer sind geschlossen, der Öffner geöffnet, wie sich das gehört.

S2 AUS

S1 EIN

K1

0V Bild 3-15 Relais mit Selbsthalteschaltung erregt

Wird nun S2/AUS (Öffner) betätigt, kann der Strom selbst nicht mehr durch die untere Kontaktlamelle fließen, die Spule von K1 bekommt keinen Strom mehr, der Anker springt in die Ruhestellung zurück, dann ist alles wieder wie in Bild 3-14 Relais mit Selbsthalteschaltung unerregt.

Funktionen des Relais in der Zusammenfassung: –

Fernbedienung: z. B. die Treppenhausbeleuchtung kann von mehreren Stellen aus eingeschaltet werden

–

Signalverstärkung: 24 V schalten z. B. 400 V

–

Vervielfachung: ein Impuls steuert mehrere Kontakte gleichzeitig

–

Signalumkehr: aus EIN wird AUS und umgekehrt

–

Logische Verknüpfungen: UND- und ODER-Schaltungen

–

Signalspeicherung: wie oben, Selbsthaltung.

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

3.2 Permanentmagnete 3.2.1 Aufbau und Materialien Neben Elektromagneten gibt es auch Permanentmagnete: Hier sind die sogenannten „Elementarmagnete“ noch ungeordnet, nach außen kann somit noch kein Gesamtmagnetfeld aufgebaut werden.

Bild 3-16 Elementarmagnete ungeordnet

Nachdem von außen ein starkes Magnetfeld wirkte, richten sich die einzelnen Elemente brav aus, nun ziehen alle am gleichen Strang, bzw. bilden zusammen ein starkes, permanentes Magnetfeld:

Bild 3-17 Elementarmagnete geordnet

Macht man diese Sache mit Weicheisen, dauert der Spaß nicht lange. Schnell baut sich das Magnetfeld ab. Für einen Permanentmagnet braucht man spezielle Materialien, die den Magnetismus auf Dauer halten, der Fachbegriff für das Halten des Magnetismus’ heißt übrigens Remanenz. Etwas besser ist kohlenstoffreicher Stahl. Noch besser wird es mit Ferriten, die zwar kaum bzw. nicht leiten, weil es Eisenoxyde sind: hauptsächlich Fe2O3 (Hämatit), seltener: Fe3O4 (Magnetit).

3.2 Permanentmagnete

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Das Zeug befindet sich übrigens im Eisenerz, aus dem im Hochofen und dann im LD-Konverter Stahl wird. Weitere Materialien sind u. a. AlNiCo (Aluminium, Nickel, Kobalt), Nife (Neodyn, Eisen, Bor). Die Materialien werden als Pulver mit hohen Temperaturen gepresst und sind hart und spröde. Das Verfahren nennt sich Sintern.

3.2.2 Bauformen und Feldlinien Wozu braucht man Permanentmagnete? Es gibt Kompassnadeln (haben wir beim Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters gesehen), Hufeisenmagnete, Stabmagnete, Rundmagnete, aber: bei einigen Elektromotoren spielen sie eine große Rolle. Fangen wir mal gaanz langsam an: erstmal zu den Feldlinien von Stab- und Hufeisenmagneten: Die nachfolgenden Versuche sind so zusammengestellt, dass fast jeder sie mit haushaltsüblichen Mitteln durchführen kann. Die Magnete, ggf. auch die Eisenfeilspäne, sollten beim Physiklehrer oder sonst wo ausgeliehen werden. Wer über eine dünne, passende Glasplatte verfügt, ist fein raus. Für alle anderen sei gesagt: Es kommt auf die Erkenntnis an, nicht auf die Perfektion! Es ist wichtig, die Permanentmagnete von den Eisenfeilspänen zu trennen, da es sehr mühselig ist, das Gekrösel anschließend von den Magneten zu trennen. Im Folgenden werden drei Möglichkeiten gezeigt, wie diese Versuche durchgeführt werden können.

Versuchsaufbau: Frau/Mann nehme: – 1 Stabmagneten – 1 Hufeisenmagneten – eventuell 1 kleinen Lautsprecher aus einem alten PC-Gehäuse – Eisenfeilspäne – 1 klare Prospekthülle – 1 Overheadfolie – diverse Klötze und Pappen zum Ausgleich der Höhenunterschiede – 2 Löthalter – Krepppapierklebestreifen

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Versuchsaufbau:

Holzklötze und entsprechende Magnete werden so angeglichen und unterfüttert, dass ihre Oberflächen nach oben auf einer Ebene liegen. Darauf wird eine durchsichtige, klare Folie, hier: Overheadfolie, gelegt:

Bild 3-18 Versuchsanordnung Feldlinienbild Stabmagnet

Damit der Stabmagnet genau unter der Folie liegt, wird er mit kleinen Pappen so lange unterfüttert, bis er genau unter der Folie liegt:

Bild 3-19 Versuchsanordnung unterfütterter Stabmagnet

Die Eisenfeilspäne wird nun vorsichtig, als ob man ein Brot salzen wollte, von oben von Pol zu Pol aufgestreut:

3.2 Permanentmagnete

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Bild 3-20 Aufstreuen von Eisenfeilspäne

Das Ganze kann dann so aussehen:

Bild 3-21 Feldlinienbild Stabmagnet

Wo ist beim Permanentmagneten der Nord-, wo der Südpol? Man hat festgelegt, warum auch immer, dass der magnetische Nordpol rot und der magnetische Südpol grün gefärbt sein soll.

80

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Die Nadel eines Kompasses ist nichts anderes als ein kleiner Stabmagnet, der drehbar gelagert ist. Bei höherwertigen Geräten, wie hier gleich gezeigt, verbirgt sich der Magnet in einer Scheibe. Der Pfeil, die gefärbte Seite oder N zeigen nach Norden. Wir nehmen einen professionellen Kompass, der Pfeil auf der Scheibe zeigt nach Norden:

Bild 3-22 Stabmagnet Kompass links

Bild 3-23 Stabmagnet Kompass fast unten Mitte

Der Kompass richtet sich brav nach den Feldlinien des Stabmagneten, wie bei den Eisenfeilspänen, aus. Die äußere Feldlinienrichtung geht von Nord nach Süd, wie das sein soll. Wie? Im Norden ist doch der Nordpol!

3.2 Permanentmagnete

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Der Hit ist, dass der Magnetkompass in früheren Zeiten nicht nur in der Seeschifffahrt, sondern z. B. auch im Berg- und Tunnelbau zur Orientierung sehr nützlich war. Wie sonst war es möglich, einen Tunnel von beiden Seiten zugleich anzufangen, um sich dann erfolgreich in der Mitte des Berges zu treffen? Die Aufgabe des Kompasses war und ist es, den geographischen Nordpol anzuzeigen. Das kann er, weil er zum magnetischen Südpol zeigt, der um ca. 9° vom Nordpol bzw. von der Erdachse entfernt liegt. Also, für den Dorfältesten zum Mitmeißeln: In der Arktis, in der Nähe des geographischen Nordpols, liegt der magnetische Südpol der Erde, somit in der Antarktis, der magnetische Nordpol. Im Übrigen waren es die Chinesen, die ab dem 12. Jahrhundert n. Chr. unter anderem kleine Figürchen auf ihre Wagendeichseln montierten, die durch den eingebauten Magneten eine Orientierungshilfe boten. Auf Schiffen benutzte man damals im Wasserbad schwimmende Magnete, somit war das Problem der Lagerung auf dem sich bewegenden Schiff erledigt. Weiterer Versuch: Damit man auch sieht, dass sich gleichnamige Pole abstoßen, sollte der Nordpol des Kompasses zum Nordpol des Stabmagneten gebracht werden. Schlagartig dreht sich die Anzeige und gibt erst Ruhe, wenn der Südpol der Kompassscheibe zum Nordpol des Stabmagneten zeigt. (So schnell kann man gar nicht fotografieren, um das auf die Platte zu bannen ...) Nun biegen wir in Gedanken unseren Magneten zu einem Kreis, so z. B. für einen Lautsprecher von einem alten PC. Hier der Versuchsaufbau mit einer klaren Prospekthülle. Da sie sehr biegeschlaff ist, wird sie mit Reißzwecken auf Holzklötzen gepinnt und die Klötze vorsichtig auseinandergezogen, damit die Plastikhülle einigermaßen straff ist:

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Bild 3-24 Feldlinienbild Rundmagnet

Damit auch die Ursache für das Feldlinienbild sichtbar wird, wurden die Späne nur zur Hälfte draufgestreut, sonst hätten sie den Lautsprecher verdeckt. Aus unserem Stabmagneten biegen wir nun in Gedanken eine Art Hufeisen, somit sind die Feldlinien zwischen den beiden Polen. Hier eine weitere Möglichkeit die Folie zu spannen: die kurzen Enden der Folie werden an den Ecken mit Kreppklebestreifen versehen. Somit können die Krokodilklemmen von zwei Löthaltern besser greifen und die Folie glatt ziehen:

Bild 3-25 Feldlinienbild Hufeisenmagnet

3.3 Elektromotore

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3.3 Elektromotore 3.3.1 Elektromotorisches Prinzip Wir hängen nun zwischen die Pole des Hufeisenmagnets eine Leiterschaukel und lassen den Strom fließen:

Bild 3-26 Leiterschleife I

Diese Nummer kennt so mancher aus dem Physikunterricht, ich auch. Nur habe ich damals meinem Physiklehrer nicht abnehmen wollen, das er daraus einen Elektromotor zimmern wollte. Beim Einschalten des Stroms schoss der Leiter aus dem Magneten heraus, für mich damals unverständlich. Dann bringen wir Klarheit: Magnetfeld des stromdurchflossen Leiters (physikalische Stromrichtung!)

N

Anziehung

Bewegung

S

Abstoßung

Magnetfeld des Permanentmagneten

Bild 3-27 Emotprinz Skizze

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Wie wir wissen, stoßen sich gleichnamige Pole ab, entgegengesetzte stoßen sich ab, so hier auch. Den stromdurchflossenen Leiter bleibt nichts Anderes übrig, als aus dem Hufeisenmagneten heraus zu schwingen. Machen wir es doch mal anders: Wir biegen den Draht so, dass ein Teil parallel zur Längsachse des Permanentmagnetes läuft. Nun bewegt sich der Leiter schon mal quer zur Längsachse:

Bild 3-28 Leiterschleife II

Nun geht‘s in die Praxis! Versuche mit normalen Modellbahnfahrpulten haben gezeigt, dass I = 1 A, die diese Geräte liefern, nicht ausreicht. Mindestens braucht frau/man dazu 10 A. Der Grund: wir haben hier nur einen einzigen Leiter, der sich im Feld des Hufeisenmagneten bewegt. Im richtigen Elektromotor sind es zig Wicklungen, unterstützt von Blechkernen, daher muss hier wieder „Dampf“ auf die Strippe!

Frau/Mann nehme: – 2 Gehrungszwingen – 2 runde Holzstäbe Länge ca. 0,5 m, Durchmesser: 2 cm – 1 vollgeladene Starthilfeeinheit (Powerstation) oder eine fitte Starterbatterie – 1 starken Hufeisenmagneten – 2 Adern z. B. aus einer alten Bügeleisenschnur – Kreppklebeband

3.3 Elektromotore

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– 1 Holzbrett – 1 zweipolige, 6 einpolige Lüsterklemmen – 1 zur zweipoligen Lüsterklemme passende Holzschraube – 2 Krokodilklemmen – 2 dicke Kupferdrähte – 1 dreiadriges Verlängerungskabel Länge: ca. 10 m, Adernquerschnitt 1–1,5 mm² – 2 Metallstäbe nach folgender Zeichnung:

100

5

Ø2,5

90

100

R2 ,

R2 ,5

Ø2,5 Oberfläche

Zul. Abw.

100

Maßstab

gestreckte Länge des Biegeteils: 302

Bearb. 25.12.XX Gepr. 25.12.XX Norm 25.12.XX Firma

(Urspr.)

Name

S235 JR Benennung

Geröllheimer Düsentrieb Pingelfürst

Maschinenfabrik Entenhausen

Gewicht

Halbzeug/Rohstoff

ISO 2768-m ISO 1302 Datum

1:1

Leiterschwingen Blatt

Zeichnungs-Nr.

(Ers. f.:)

(Ers. d.:)

Bild 3-29 Zeichnung Leiterschwingen

Der als Werkstoff/Halbzeug empfohlene S 235 JR kann ein Gasschweißstab für Stahl sein, der einfach zu besorgen ist. Der Nachteil liegt darin, dass Stahl magnetisch ist und deshalb gerne mit dem Hufeisenmagnet „knutschen“ will. Besser: ein dicker Kupferdraht oder ein Aluminiumschweißstab. Dann gibt’s keinen Stretsch mit der ungewollten Anziehung …

86

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Der Versuchsaufbau im Ganzen: „Galgen“ Leiterschaukel: Adern aus einem 230-V-Kabel, z. B. Bügeleisenschnur Powerstation mit roter und schwarzer Polklemme (Obacht! vor Abnahme des Stroms auf „ON“ schalten! oder: vollgeladene Starterbatterie Hufeisenmagnet Leiterschwinge Vorwiderstand/hier: Spule/Kabelwickel

improvisierter Hochstromschalter

Bild 3-30 Gesamtaufbau elektromotorisches Prinzip

Warum das Geeiere mit dem Verlängerungskabel/Vorwiderstand? Würden wir die Powerstation etc. direkt an die Leiterschaukel anschließen, hätten wir einen theoretischen Strom von 365 A. Damit kann Frau/Mann hervorragend schweißen oder sogar Lkws anlassen, für unseren Versuch ist es einfach zu viel. Was fließt denn da überhaupt? Den Widerstand eines stromdurchflossenen Leiters haben wir schon berechnet. Also: Durchmesser des Leiters einer Ader: 1,3 mm, Material: Kupfer, Gesamtadernlänge: die drei Adern sind hintereinandergeschaltet: 29,1 m, macht nach Adam Riese und seiner Lebensgefährtin Eva Zwerg: den Widerstand R = 0,39 Ω. Gemessen wurde allerdings 0,5 Ω. Bei U = 12 V ergibt sich somit ein Strom I = 24 A.

3.3 Elektromotore

87

Von der roten Klemme auf Blau, dann auf Gelb/Grün, dann auf Grün und dann raus, zum rechten Tampen des „Galgens“

Bild 3-31 Detail Kabelwickel/Spule Reihenschluss

Wieso Spule? Neulich im Physikunterricht: Der Lehrer: “Wenn wir das Kabel aufwickeln, was haben wir dann? Müller?! Müller: „Einä Schpulä! Und wenn da fiahnzwanzich Ampeah durchlatschen, gibt’s `n fättes Magnätfellt!“ Der Lehrer: „Sehr gut, Müller, nur an der Wortwahl und der Aussprache müssen wir noch arbeiten!“

Dem ist auch so! Wir haben ca. 30 m aufgewickeltes Kabel, durchflossen von einem kräftigen Strom. Mach’ den Versuch, und halt bei Stromfluss durch diese Spule einen Kompass in die Nähe! Du wirst sehen, dass er deutlich reagiert. Daher: Wenn die Leiterschaukel gut funktionieren soll, den Wickel auflösen und als langes, nicht aufgewickeltes Kabel vom Tisch herunterhängen lassen. So wird die Erzeugung dieses Magnetfeldes vermieden und der Versuch wird nicht beeinträchtigt. Beispiel: Wenn Elektroschweißer ihre Kabel vor dem Schweißen um einen dicken Stahlrundstab wickeln, kann es sein, dass der Meister, der dann per Zufall vorbeikommt, ein Loch in der Hose hat, weil der Schlüsselbund, der sich darin befunden hat, ein wenig stark von dem so erzeugten Elektromagneten angezogen wurde …

88

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Wie schalten wir den Strom nun ein? Aufgrund des hohen Stroms ist es nicht ratsam, Taster oder Schalter zu verwenden, die für die Modelleisenbahn ausgelegt sind. Sie halten nur ca. 1–2 Ampère aus, aber keine ca. 24 A, sie würden gnadenlos durchschmoren. Daher nehmen wir zwei blanke, dicke Kupferdrähte ca. 5 cm lang. Der eine wird in die Lüsterklemme geschraubt, diese ist befestigt am Holzbrett mit einer Schraube, der andere Draht wird in der schwarzen Polklemme befestigt:

Bild 3-32 Improvisierter Hochstromschalter

Nun geht’s los: Die Leiterschaukel ist so eingestellt, dass sie die Querdrähte/Leiterschwingen genau zwischen den beiden Armen des Hufeisenmagneten hält, dazu sind die Gehrungszwingen zuständig, mit denen die Feineinstellung möglich ist:

3.3 Elektromotore

89

Bild 3-33 Gerader Stab ohne Strom

Nun schließen wir mit der schwarzen Polklemme den Stromkreis:

Bild 3-34 Gerader Stab mit Ausschlag

Uupps, da haut doch einer ab ...

90

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Das kann man sich an der „Rechte-Hand-Regel“ merken: Die Feldlinien gehen von Nord (rot) nach Süd (grün) und treffen auf die Handinnenfläche, die Finger zeigen in die physikalische Stromrichtung, der Daumen zeigt die Seite des Ausschlages:

Bild 3-35 Rechte-Hand-Regel

Das Ganze geht auch in Querrichtung: Erstmal das Ganze ohne Strom:

Bild 3-36 Gewinkelter Stab ohne Ausschlag

3.3 Elektromotore

91

Nun kommt „Saft“ auf die Strippe:

Bild 3-37 Gewinkelter Stab mit Ausschlag

Wie? Nicht nur eine Querbewegung, sondern auch eine Bewegung aus dem Hufeisenmagneten hinaus, also in Längsrichtung, wie kommt das? Der Längsstab erfährt aus der Ruhestellung, siehe Bild 3-33 Gerader Stab ohne Strom, erstmal eine Kraft nach rechts, wandert somit weit aus der Wirksamkeit des

Magnetfeldes hinaus. Nun kommt der vordere Teil des Leiters voll in die Wirksamkeit des Magnetfeldes, somit wird, wie in Bild 3-34 Gerader Stab mit Ausschlag, der Leiter auch nach vorne geschoben.

3.3.2 Gleichstrommotor Nun fummeln wir das Ganze auf eine Welle, wickeln aus den Leitern richtige Spulen und sorgen für eine zuverlässige Stromversorgung:

92

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Zur Erklärung erstmal in zweipoliger, auseinandergezogener Form:

Isolator, trägt die Kollektorkontakte

„Kohle“ – Bürsten, führen den Strom zum Kollektor

Stator mit Permanentmagnet, liefert ein dauerndes Magnetfeld, an dem sich die elektromagnetischen Felder abstützen, die durch:

– Ankerkern mit Motorwelle und – Ankerspule mit Kollektor gebildet werden. Bild 3-38 E-Motor zweipolig auseinandergezogen

Hier im zusammengebauten Zustand:

Bild 3-39 E-Motor zweipolig zusammen

Schließt man nun diesen E-Motor an, passiert Folgendes: Durch den Kollektor bekommen entsprechend die Spulen des Ankers Strom, erzeugen kurz ein Magnetfeld, das durch den Ankerkern (Blechpakete) an den Statormagneten geleitet wird, sich

3.3 Elektromotore

93

dann von dem Feld des Stators abstößt bzw. sich anziehen lässt. Da der Kollektor sich aber auf der Welle mit dreht, verändert sich somit auch die Versorgung der jeweiligen Spulen, die erzeugten Magnetfelder in den Spulen ändern ihre Polung, somit entsteht eine dauernde Drehbewegung.

Bild 3-40 E-Motor zweipolig Anker- und Statorpole

Diese zweipolige Form dient nur zum Zeigen der Grundfunktion, ist aber in der Praxis nicht zuverlässig. Man verwendet deshalb z. B. drei- oder fünfpolige Bauarten:

Bild 3-41 Gleichstrommotor in dreipoliger Ausführung

94

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Anwendungsbeispiel: Permanentmagnet

dreipoliger Anker

Kollektor mit Kohlebürsten

Bild 3-42 H0-Gleichstromlok, innen (BR89 von Trix)

3.3.3 Universalmotore können mit Gleich-, aber auch mit Wechselstrom betrieben werden:

Bild 3-43 Universalmotor von vorn

3.3 Elektromotore

95

Statt des Permanentmagneten erzeugt nun eine Spule das notwendige Magnetfeld am Stator. Sie wird, weil sie um den festen Teil des Motors gewickelt ist, Statorspule genannt.

Bild 3-44 Universalmotor von hinten 3.3.3.1 Hauptschlussmotor

Hier der Hauptschluss bzw. Reihenschlussmotor, der Schaltplan und

die Kennlinie:

IE IA

M

Drehmoment M [Nm]

L+ L-

Drehzahl n [1/min]

Bild 3-45 Hauptschlussmotor: Schaltplan und Kennlinie

Hauptschluss bedeutet, dass Anker und Spule in Reihe geschaltet sind. Zieht der Anker infolge großer Belastung wie beim Anlaufen, einen hohen Strom, fließt dieser auch durch die Statorspule, die dann ein entsprechend hohes Magnetfeld erzeugt.

Bedeutet: Das Drehmoment des Motors, vereinfacht, der „Kawumm“ auf der Welle, ist bei niedriger Drehzahl (links) extrem hoch.

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Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Anwendung: z. B. Fahrmotore (u. a. bei Straßenbahnen), Staubsaugergebläse, Handbohrmaschinen. Hohes Anzugsmoment, dreht im unbelasteten Zustand (Leerlauf) durch. Eine Sonderkonstruktion für Modelleisenbahnen, die mit Wechselstrom betrieben werden, z. B. Märklin (dazu: Bild 3-11 Umschaltrelais einer Wechselstromlok und Bild 3-48 Hauptschlussmotor mit Bifilarwicklung einer Wechselstromlok). Der Stator trägt zwei entgegengesetzte Wicklungen (Bifilarwicklung). Je nachdem, welche Spule vom Strom durchflossen wird, richtet sich das elektromagnetische Feld aus bzw. kehrt sich in der Polarität um. Auf diese Weise ist es möglich, die Drehrichtung des Ankers umzukehren und somit die Lok sowohl vorwärts als auch rückwärtsfahren zu lassen.

Bild 3-46 Hauptschlussmotor mit Bifilarwicklung von rechts unten

Bild 3-47 Hauptschlussmotor mit Bifilarwicklung von links unten

3.3 Elektromotore

97

Der Umschalter wird entweder mit einem elektronischen Schaltmodul oder einem zusätzlichen Elektromagneten, wie schon beschrieben, betätigt:

Hauptschlussmotor mit Kollektor Bifilarwicklung

Bild 3-48 Hauptschlussmotor mit Bifilarwicklung einer Wechselstromlok

Moment, wie geht das? Also: die Fahrspannung beträgt bis zu 14 V. Das Überspannungsrelais ist so ausgelegt, dass es bei der normalen Fahrspannung noch nicht anspricht. Wird ein Überspannungsimpuls von 24 V (nach NEM 640) auf die Gleise gegeben, spricht das Relais an, somit werden die Kontakte zur Bifilarwicklung geöffnet. In diesem Moment wird also in der Bifilarwicklung kein Magnetfeld erzeugt, also im Motor auch keine Drehbewegung. Das Relais arbeitet wie die Mechanik eines Kugelschreibers: Draufdrücken: Mine raus, nochmal drücken: Mine rein. Beim Relais: Kontakt der Bifi-Wicklung für Vorwärtsfahrt bzw. Kontakt der Bifi-Wicklung für Rückwärtsfahrt.

98

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

3.3.3.2 Nebenschlussmotor

Eine andere Bauform des Wechselstrommotors: Nebenschlussmotor:

IE IA

M

Drehmoment M [Nm]

L+ L-

Drehzahl n [1/min]

Bild 3-49 Nebenschlussmotor, Schaltplan, Kennlinie

Der Anker, bzw. seine Spulen, sind parallel zur Statorspule geschaltet. Ein hoher Ankerstrom kann daher den Statorstrom nicht beeinflussen. Anwendung: z. B. Antriebe von Werkzeugmaschinen, wie Bohr-, Dreh- und Fräsmaschinen, in der Holztechnik z. B. fest aufgebaute Kreissägen. Kein Durchdrehen im Leerlauf, fast konstante Drehzahl über den gesamten Belastungsbereich.

3.4 Generator oder Dynamo 3.4.1 Generatorprinzip Wir haben gesehen, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Ist er frei beweglich, ändert er dadurch seine Lage. Andersrum geht’s auch. Wird ein Leiter quer zu den Feldlinien eines Magnetfeldes bewegt, werden die Elektronen im Leiter „angeschubst“. Je schneller sich der Leiter im Magnetfeld bewegt, also wie viele Feldlinien pro Zeiteinheit geschnitten werden, desto mehr Spannung wird induziert. Man nennt das „Lorentz-Kraft“.

3.4 Generator oder Dynamo

99

Bild 3-50 Generatorprinzip, Grundlagen

Den Aufbau kennen wir vom elektromotorischen Prinzip. Nur wird hier der Hufeisenmagnet ein wenig weiter nach hinten gestellt. Der Grund: die Leiterschaukel soll mit „ordentlich Schmackes“, sprich: möglichst hoher Geschwindigkeit, durch die Feldlinien des Hufeisenmagneten rauschen. Weiterhin wird der Querstab und das Universalmessgerät mit Lüsterklemmen an besagte Bügeleisenkabeladern angeschlossen. Der Grund: Die Kabel müssen so verlustfrei wie möglich, sprich niederohmig sein, damit das Bisschen Spannung, was hier erzeugt/induziert wird, überhaupt mit dem Universalmessgerät anzeigbar ist. Krokodilklemmen könnten zu hohe Übergangswiderstände erzeugen. Wir wollen hier Folgendes erfahren: 1. Wie hängt die Leitergeschwindigkeit mit der Höhe der induzierten Spannung zusammen? 2. Wie hängt die Bewegungsrichtung mit der Polung der induzierten Spannung zusammen? 3. Welche „Hand“-Regel kann daraus abgeleitet werden?

100

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Der Aufbau:

Bild 3-51 Generatorprinzip, Versuchsaufbau Leiterschaukel

Das Universalmessgerät wird auf die kleinste, zur Verfügung stehenden Messbereich für die Spannung eingestellt, hier 200 mV (Millivolt!):

Bild 3-52 Einstellung Unimeß 200 mV

Wenn das alleinige Ausschwingen der Leiterschaukel nicht ausreicht, schiebt man mit der Hand den Leiter in den Hufeisenmagneten hinein und zieht dann mit einem schnellen Ruck heraus, oder umgekehrt.

3.4 Generator oder Dynamo

101

Hier der Lohn der Mühe:

Bild 3-53 Anzeige –0,8 mV

Zugegeben, eine schwache Anzeige … Der Wahlschalter steht auf 200 mV (Millivolt!), somit haben wir eine induzierte Spannung von –0,8 mV! Bei allem Gefummel, das war der höchste Wert, der erzeugt und fotografiert werden konnte.

3.4.2 Generator, Aufbau und Funktion Um den Strom dauerhaft fließen zu lassen, baut man den Leiter zur Spule um und lässt diese im Magnetfeld drehen. Aus der geradlinigen, begrenzten Bewegung entsteht nun durch die Bewegung auf der Kreisbahn ein theoretisch unendlicher Weg. Vereinfacht sieht ein Generator so aus: Der Ankerkern (dient zur Übertragung des Magnetfeldes des Stators auf die Ankerspule) wurde der Übersicht halber weggelassen:

102

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Bild 3-54 Generatorprinzip, Grundlagen, prinzipieller Aufbau

Die Schleifringe sind an die jeweiligen Enden der Ankerspulen angeschlossen.

Bild 3-55 Generatorprinzip, prinzipieller Aufbau Detail Schleifringe

Betrachten wir nun die sich drehende Leiterschleife im Magnetfeld im Bild 3-56 Drehende Leiterschleife im Magnetfeld, Sinuskurve. Zur Erklärung: die verbundenen

Kringel zeigen die geschnittene Leiterschleife. Der Punkt bedeutet, der Strom kommt auf einen zu, das Kreuz: der Strom fließt von einem weg. Zu vergleichen mit einem Dartpfeil: Die Spitze (Punkt) fliegt in Richtung Scheibe, auf die Flügel (das Kreuz) sieht man, wenn der Pfeil in Richtung Scheibe fliegt. Die senkrechten Striche/Pfeile sind die Feldlinien des Permanentmagneten. Über den zeitlichen Verlauf ergibt sich mal eine positive, mal eine negative Spannung, graphisch sieht das dann so aus: Fangen wir von links, 0°, her an:

3.4 Generator oder Dynamo

103

In der ersten Drehung aus der Waagerechten werden wenig Feldlinien geschnitten, es wird nur eine kleine Spannung erzeugt. Je weiter sich die die Leiterschlaufe dreht, umso mehr Feldlinien werden geschnitten, die induzierte Spannung wird größer. Nach 90° geht das wieder runter. Bei 180° hat sich die Leiterschleife einmal umgedreht. N

N

N

N

N

N

N

N

N

S

S

S

S

S

S

S

S

S

U [V]

t [s]

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

360°

Bild 3-56 Drehende Leiterschleife im Magnetfeld, Sinuskurve

Es erfolgt der Nulldurchgang und die Umkehrung der Spannungs/Stromrichtung. Im weiteren Verlauf passiert in der unteren Halbwelle umgekehrt das, was wir vorher oben gesehen haben. In der Zeichnung unterhalb der sich drehenden Leiterschlaufen haben wir nun eine Sinuskurve, die den zeitlichen Verlauf des Wechselstroms bildlich darstellen soll. So, nun haben wir also unseren Wechselstrom, kommt aus jeder Steckdose und soll 230 V ~ betragen. In der Steckdose gibt es normalerweise drei Pole:

Nullleiter, Phase und Schutzkontakten

 Spitzenspannung: ca. 340 V! Bild 3-57 Steckdose

104

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Mit dem Haben ist das so eine Sache. Anfassen sollte man ihn auf keinen Fall, speziell die Phase, sie ist sehr gefährlich, bei Strömen durch das Herz, so wenn die eine Hand die Phase und die andere Hand die Masse berührt, sogar tödlich. Für die Zwecke der Modelleisenbahn brauchen wir nun eine ungefährliche Spannung.

3.5 Transformator I 3.5.1 Grundfunktionen des Transformators Dafür ist das allseits bekannte Fahrpult, auch fälschlicherweise Trafo genannt, zuständig. Zum Unterschied: Der Transformator ist nur der Hauptbestandteil des Fahrpults. Werfen wir doch mal ein Blick hinein …

~

~

Bild 3-58 Trafoprinzip Rohr Membrane

Wie? Das soll ein Trafo sein? Aber immer! Natürlich nur erstmal symbolisch. Wir stellen uns ein Rohr, gefüllt mit einer Flüssigkeit vor. In der Mitte des Rohres ist eine Membrane, die sich somit zu beiden Seiten hin dehnen kann. Kommt nun der Wechselstrom/der Flüssigkeitsdruck von links, wölbt er bei der ersten Halbwelle die Membran nach rechts. Bei der zweiten, entgegengesetzten, nach links. Somit kann die Energie von links nach rechts übertragen werden.

Das ist der Grund, warum ein Trafo nicht mit reinem Gleichstrom (z. B. aus der Batterie) betrieben werden kann. Dieser Strom würde beim Einschalten die Membran nur einmal nach rechts wölben. Da er sich in der Zeit nicht ändert, bleibt es dabei. Das Einzige, was passieren kann, ist, dass die Spulen durchbrennen.

3.5 Transformator I

105

3.5.2 Aufbau des Transformators Das ist erstmal der richtige Transformator, ein Teil des Fahrpultes! Er „transformiert“ erstmal aus der Netzspannung (230 V~) meist 14 V ~. Wie passiert das?

Bild 3-59 Trafo, primär und sekundär

Die Netzspannung (230 V ~) ist an die Primärspule (Primus, der Erste) angeschlossen. In der Spule entsteht, wie oben beschrieben, ein Magnetfeld. Durch das Blechpaket kann nun der Magnetismus besser fließen als durch die Luft, man nennt das deswegen magnetischer Fluss und hat das Formelzeichen Φ [griechisch: phi, daher in Fachkreisen auch „Flussvieh“ genannt]. Kommt der magnetische Fluss bei der Sekundärspule (Sekundus, der Zweite) an, schiebt er, wie beim Generator, die Elektronen an, es entsteht wieder eine Spannung und, wenn etwas angeschlossen ist, ein Strom. Trafos lassen sich auch berechnen: (1 steht für Primär, 2 für Sekundär, N steht für die Anzahl der Windungen, zur Wiederholung: U [V] steht für Spannung, I [A] steht für Strom): U 1 N1 I N bzw.: 1 = 2 = U2 N2 I 2 N1

106

Experiment 3: Elektromagnetismus und Permanentmagnete – Anwendungen

Ein Berechnungsbeispiel: Die Sekundärspule eines Trafos hat N2 = 30 Windungen. An der Sekundärseite soll U2 = 14 V mit I2 = 1 A anstehen, die Spannung an der Primärseite beträgt U1 = 230 V. a) Wie viele Windungen N1 sind nötig? b) Welcher Strom I1 fließt in die Primärspule? Lösung: a)

N1 =

U1 ⋅ N 2 230 V ⋅ 30 = = 492,86 U2 14 V

also aufgerundet: 493 Windungen.

b)

I1 =

N 2 ⋅ I 2 30 ⋅1 A = = 0,06 A N1 493

107

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen: Diode, Kondensator, Spule, Trafo II, Fahrpult 4.1 Diode Nun scheiden sich die Geister, weil es unterschiedliche Systeme gibt. Viele Modelleisenbahnen werden mit Wechselstrom (z. B. Märklin), andere mit Gleichstrom (Trix, Fleischmann, Roco, Liliput, Jouef, Piko, Hruska, Gützold etc.) betrieben. Für den Betrieb von Gleichstrombahnen brauchen wir beim Fahrpult noch ein weiteres Element. Dazu erstmal zurück zu den Leitern. Wir kennen gute Leiter und Isolatoren. Dazwischen gibt es die Halbleiter. Was macht hier das Blitzventil eines Fahrrades? Es soll zeigen, dass es Elemente gibt, die den, hier Luftstrom, nur in einer Richtung durchlassen.

Bild 4-01 Blitzventil am Fahrrad

In der Elektrotechnik sieht das Teil anders aus.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0_4

108

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Ein Blick in eine „Taigatrommel“ (V 200 der DR):

Gehäuse

Fahrgestell mit Gewicht

Beleuchtungsgruppe

Bild 4-02 Taigatrommel geöffnet

Das kleine weiße Ding vor der Glühlampe nennt sich Diode! Sie lässt den Strom nur in einer Richtung durch und sorgt so bei Gleichstromloks dafür, dass die Beleuchtung mit der Fahrtrichtung wechselt.

Bild 4-03 Diode der Taigatrommel

Dioden entstehen, wenn z. B. Silizium metallurgisch behandelt wird. Das Schaltzeichen sieht so aus:

- +

Merkhilfe: (physikalische Stromrichtung): der Pfeil bohrt sich durch die Platte = Durchlassrichtung, kommt der Strom von rechts, knallt er gegen die Platte = Sperrrichtung!

Bild 4-04 Schaltzeichen Diode

4.2 Kondensator und Spule

109

Kommen nun z. B. 14 V ~ aus dem Trafo, lassen die Dioden immer nur eine Halbwelle der Sinuskurve durch: U [V]

t [s]

Bild 4-05 Halbwelle nach Diode

Damit ist aber leistungstechnisch kein Staat zu machen …

4.1.1 Gleichrichter Ein Physiker namens Leo Graetz ordnete 1897 die Dioden in einer Brückenschaltung an: Er erreichte damit, dass die obere Halbwelle der Sinuskurve „nach unten“ geklappt wurde:

~

U [V]

t [s]

Bild 4-07 Halbwelle nach Graetz

-

das nennt sich nun „pulsierender Gleichstrom“!

+

Bild 4-06 Graetz-Schaltung

4.2 Kondensator und Spule

Für den Betrieb einer Modellbahn ist dieser Gleichstrom völlig ausreichend. Sollte damit aber z. B. ein Audiogerät betrieben werden, hört man ein „Netzbrummen“. Man verhindert das mit einem Kondensator, z. B. 16 μF. Ein Kondensator lädt sich kurzfristig beim Senken der Halbwelle auf und entlädt sich beim Steigen. Dadurch wird der Strom weitestgehend „geglättet“.

110

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Weitere Anwendung des Kondensators und der Spule:

Nochmal der Blick in Wechselstromlok: das kleine Schwarze ist eine Spule, die roten Knubbel sind Kondensatoren. Die beim Betrieb des Motors entstehenden Spannungsspitzen werden durch diese Bauteile „aufgesogen“.

Bild 4-08 Funkentstörung BR 89 Mä

Würden diese Bauteile fehlen, die Lok würde im Betrieb starke Stromimpulse auf die Schienen senden, diese würden wie Antennen wirken, und z. B. den Radioempfang beeinflussen. Man nennt deshalb diese Maßnahme „Entstörung“. Der Kondensator ist mit einem Luftballon zu vergleichen, der, aufgeblasen, schnell Energie speichern und wieder abgeben kann:

Bild 4-09 Kondensatorprinzip

In der Elektrotechnik sind es zwei Metallflächen, die zwar dicht beieinanderliegen, sich aber nicht berühren. Der Zwischenraum wird Dielektrikum genannt. Wird ein Kondensator geladen, entsteht zwischen den Platten ein elektrisches Feld, das die

4.2 Kondensator und Spule

111

Ladungsmenge hält. Einheit: Farad, Benennung: Kapazität, Beispiel, wie oben bei der Glättung: 16 μF. Schaltzeichen:

Bild 4-10 Schaltzeichen Kondensator

So ist zu verstehen, dass ein Kondensator einen pulsierenden Gleichstrom glätten kann, siehe Bild 4-07 Halbwelle nach Graetz. Geht die Halbwelle nach oben, lädt sich der Kondensator auf, zieht also Ladungsmenge ab, geht die Halbwelle nach unten, entlädt sich der Kondensator, gibt also Ladung ab.

4.2.1 Spule Die Spule erzeugt, wie wir wissen, beim sich verändernden Stromdurchfluss ein Magnetfeld. Magnetfelder, die sich in der Zeit ändern, induzieren ihrerseits wieder eine Spannung, die der angelegten entgegengesetzt ist. Dadurch wird der ursprüngliche Stromfluss gehemmt. In etwa lässt sich eine Spule folgendermaßen erklären:

Bild 4-11 Wickeltrommel mit zwei parallel gewickelten Schläuchen

112

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Auf einer Wickeltrommel sind zwei elastische, mit Wasser gefüllte Schläuche nebeneinander aufgewickelt.

Die Zu- bzw. Abflüsse sind mit Rückschlagventilen, vgl. Blitzventile, siehe oben, versehen, so dass der Fluss des Wassers in jeweils einer Richtung gehemmt ist.

 Die kleinen Pfeile neben den Rückschlagventilen zeigen die jeweilige Durchlassrichtung an.

Bild 4-12 Zulauf mit Rückschlagventilen

Drückt man nun Wasser in einen Schlauch, dehnt er sich aus und drückt auf den benachbarten. Das Wasser im Nachbarschlauch wird somit herausgedrückt, und zwar nur solange, wie sich der erste Schlauch ausdehnt:

Bild 4-13 Ausschnitt gedehnte und gedrückte Schläuche

4.2 Kondensator und Spule

113

Die Flüssigkeit strömt durch das Rückschlagventil der roten Leitung und bremst somit den Gesamtstrom. In der Elektrotechnik nennt sich das „Gegeninduktion“. Bei großen Spulen, wie z. B. bei kräftigen Motoren oder Schweißtransformatoren, fließt im ersten Moment ein sehr hoher Strom, der so genannte „Anlaufstrom“. Er ist dadurch zu erklären, dass im ersten Moment nur der rein ohm’sche, somit geringe Widerstand der Kupferleitung vorhanden ist. Durch Zusatzeinrichtungen wie Stern/Dreieckschaltung oder Anlaufstrombegrenzer verhindert man, dass die Anschlusssicherungen „herausfliegen“. Der Stromfluss wird hier also solange gebremst, bis eine Gegeninduktion aufgebaut ist, die dann den Gebrauchsstrom in erträglichen Grenzen hält.

Ist die Dehnungsgrenze des grünen Schlauches erreicht, wird der steigende Druck auf die Nachbarleitung beendet, somit kann kein weiteres Wasser herausgedrückt werden. Umkehrung: der Wasserdruck im ersten (grünen) Schlauch nimmt ab, er zieht sich wieder zusammen, der benachbarte Schlauch (rot) kann sich in seine Ursprungsform zurückdehnen, somit wird sein inneres Volumen wieder größer und saugt entsprechend Wasser an. Wird dieser Vorgang wiederholt, haben wir eine hin- und hergehende Strömung, in der Elektrotechnik nennt man das Wechselstrom. Zusammenfassung: eine Spannung und infolge, ein Strom, wird nur dann induziert, wenn sich die Einwirkung mit der Zeit ändert, vergleiche: drehende Leiterschleife im Magnetfeld. Einheit der Spule: Induktivität: 1 Henry Schaltzeichen:

Bild 4-14 Schaltzeichen Spule

114

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung Nun haben wir genug Wissen, um das Innere eines Gleichstromfahrpultes zu kapieren: Im Prinzip brauchen wir vier Elemente:

Transformator

Potentiometer/ Drehwiderstand

Polwender Gleichrichter

Bild 4-15 Elemente des Gleichstromfahrpultes

4.3.1 Transformator II Der Transformator wandelt die gefährliche Netzspannung von 230 V auf harmlose 14 V herunter, der Gleichrichter erzeugt aus dem Wechselstrom pulsierenden Gleichstrom, das Potentiometer steuert die Fahrspannung, somit die Geschwindigkeit des Zuges, der Polwender sorgt für die Umkehrung der Stromrichtung, somit für die Änderung der Fahrtrichtung.

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung

115

Hier am Beispiel des Trix Express 599: Es wurde in den 1950er Jahren entwickelt und versieht noch auf sehr vielen Anlagen seinen Dienst.

Bild 4-16 599 total

Bild 4-17 Trix 599 Bleche Sekundärspule Nocken

116

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Warum einzelne Bleche? Der Trafokern soll die gewünschten Spannungen dort induzieren, wo sie gebraucht werden, also an der Sekundärspule und nicht irgendwo anders. Baut man nun aber den Trafokern aus massivem Stahl, werden darin ganz finstere Wirbelströme erzeugt, die sogar dazu führen können, dass sich der Trafokern überhitzt und die Kupferlackdrähte so heiß werden, dass der Lack schmilzt und durch die dann fehlende Isolation der Strom statt brav durch die Drähte (Spule um Spule …) zu rauschen, quer von Windung zu Windung hüpft. Das nennt man dann Windungsschluss. Von Induktion ist dann keine Rede mehr, die ganze Sache ist im Eimer. Statt der gewünschten Funktion ist nur noch ein Kurzschluss vorhanden, aus! Daher werden Trafokerne aus einzelnen, voneinander isolierten Blechen aufgebaut. Wie kommt die Spule in den Trafokern? Die einzelnen Trafobleche werden E-förmig ausgestanzt, gelocht, beschichtet und wechselweise übereinander angeordnet. Das Ganze sieht dann so aus: (Der Übersicht halber wurde nur eine Spule gezeigt, in der Realität sind es mehrere!)

Bild 4-18 E-Bleche/Spule

Die Trafobleche werden nun wechselseitig von links und rechts in die Spule gesteckt und somit übereinandergestapelt. Die Löcher dienen dazu, den erzeugten Blechblock zusammenzuschrauben. Das Ergebnis ist in Bild 4-17 Trix 599 Bleche Sekundärspule Nocken sichtbar.

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung

117

Wer nun glaubt, die Trafobleche bestehen aus reinem Dosenblech, irrt. Findige Leute haben dafür weichmagnetische Stahlbleche, legiert mit Silizium, gefunden. Hier der Vergleich zu den Permanentmagneten: die Permamagnete sollen den Magnetismus halten, die Trafobleche ihn nur übertragen, aber nicht halten!

4.3.2 Gleichrichter Wenn es denn transformiert ist, muss es auch gleichgerichtet werden:

Bild 4-19 Gleichrichter in 599

Gleichrichter erkennt man an den meist vier großen Kühlblechen, damit die Wärme, die bei seiner Arbeit entsteht, gut abgeführt wird. Wenn das nicht passiert, könnte es qualmen: in Fachkreisen: „Gleich riecht er“.

118

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Bild 4-20 Schleifer 0°

Das Fahrpult in Nullstellung. Wozu die beiden Schleifer? Das 599 von Trix Express ist das erste Fahrpult seiner Art, das mit Einknopfbedienung funktioniert. Dafür muss Einiges getan werden:

Bild 4-21 Schleifer rechts

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung

119

Dreht man den Knauf nach rechts, streift der linke Schleifer über die Wicklungen.

Bild 4-22 0° Kontakt hinten

Dreht man wieder auf Null und

die Kontaktfahne ist am hinteren

dann nach links, kommt die Schaltnocke

Kontakt, der vordere somit offen

zum Einsatz.

Bild 4-23 Geöffnete Kontakte vorn

120

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

Hier nochmal aus anderer Sicht. Wir drehen weiter nach links:

Bild 4-24 Schleifer links geschlossene

Kontakte vorn

Da haben wir es: Die Schaltnocke drückt den Stößel nach vorne, die gegenüberliegenden Kontakte werden geschlossen.

Blick auf die Anschlüsse der Schaltergruppe, jedes Fähnchen hat einen eigenen Kontakt, unter der Scheibe sind sie versteckt.

Bild 4-25 Anschlüsse Schaltergruppe

Herta! Wo ist der Schaltplan?

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung

121

4.3.3 Polwender Wozu der Aufwand? Die Schaltergruppe sorgt nicht nur dafür, dass der Gleichstrom umgepolt wird, somit die Fahrtrichtung der Loks gewechselt werden kann. Sie arbeitet also erstmal als Polwender.

Was ist das? Vom Gleichrichter kommt erstmal der alte Gleichstrom. Der Polwender sorgt nun dafür, dass der Strom in zwei verschiedenen Richtungen durch das Gleis geschickt wird. Das passiert so:

Bild 4.27 Julie vorwärts

Bild 4.26 Polwender

Bild 4.28 Julie rückwärts

Die Sekundärspule wird auch jeweils anders geschaltet. Dreht der Knauf nach rechts, liegt die niedrigste Spannung links an, da beginnt der Schleifer seine Reise. Drehen wir nach links, liegt die niedrigste Spannung rechts an. Je nach Höhe der Spannung ändert sich auch die Geschwindigkeit der Lok.

122

Experiment 4: Elektrotechnische Bauelemente – Wundersame Wandlungen

4.3.4 Bimetallschalter

Bild 4-29 Warnlampen

Wozu die Glühlampen? Der magnetische Fluss Φ (das Flussvieh) findet doch seinen Weg auch im Dunkeln … Die Lampen haben die Aufgabe, Überlastungen anzuzeigen. Ausgelöst wird das über Bimetallschalter. Bimetall? Alle Materialien, auch Metalle, dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich aus. Angegeben wird der Wert dieser Eigenschaft durch den Längenausdehnungskoeffizienten α (grch. Alpha) [1/°C]. Beispiele: Aluminium: 0,0000238, Stahl: 0,0000115, Kupfer: 0,000017. Die Dehnung von Aluminium ist also doppelt so groß wie die von Stahl. Eine Eisenlegierung mit 36 % Nickel, Invar (Invarianz, Unveränderlichkeit) genannt, hat ein α von bis zu 0,0000017. Invar hat also nur ein Zehntel der Dehnung von Kupfer. Verbindet man nun ein Invarblech mit einem anderen Metall, etwa durch Kaltverschweißung oder Nieten, entsteht ein Bimetall.

4.3 Fahrpult, Zusammenfassung

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Hier ein Bimetallschalter:

zur Warnlampe

erwärmtes Bimetall (Invar ist oben!)

zum Verbraucher

von der Stromquelle

Bild 4-30 Bimetallschalter

Wenn der Verbraucher bei zu hoher Belastung zu viel Strom zieht, oder sogar ein Kurzschluss vorliegt, fließt ein sehr hoher Strom. Das hat zur Folge, dass sich das Bimetall erwärmt und aus der ehemaligen geraden Form verbiegt. Da das Invarmetall oben ist, sich also kaum ausdehnt, das untere Metall mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich mehr ausdehnt, biegt sich der Bimetallstreifen nach oben. Der Kontakt zum Verbraucher wird geöffnet und dann der Strom zur Warnlampe geschickt, weil nun das gebogene Bimetall gegen den oberen Kontakt drückt. Also: Ursache abstellen, abwarten, bis sich das Bimetall abkühlt, dann klackt es wieder zurück und der Kontakt zum Verbraucher ist wiederhergestellt. Zusammenfassung: Schnapp’ dir einen Bogen Papier, einen Bleistift, auch ein Radiergummi kann dabei sein, und skizziere den Schaltplan eines einfachen Gleichstromfahrpultes. Wer ganz toll sein will, entwirft den Plan des Trix Express 599, muss aber nicht sein …

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Experiment 5: Elektronik, Grundfunktionen – Vom schwachen Strom und Wellensalat fast bis zum Verstärker und Radio: Transistor, Schwingkreis 5.1 Transistor Ein elektronisches Bauteil, das in der Lage ist, kräftige Ströme zu steuern, ist der Transistor. Hier eine Auswahl verschiedener Bauarten:

Bild 5-01 Transistoren

Das große Teil mit dem Metallgehäuse und den Bohrungen in den Laschen ist ein Leistungstransistor. Er sorgt in den Endstufen von Verstärkern dafür, dass auch alle Nachbarn laut und deutlich mitbekommen, welche Musik man bevorzugt … Das Metallgehäuse, somit die große metallene Fläche ist notwendig, um die hohe Betriebswärme an den Kühlkörper abzuleiten. Hier das Schaltzeichen:

Bild 5-02 Schaltzeichen Transistor © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0_5

5.1 Transistor

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Vereinfacht kommt der Strom beim Emitter [lat.: emittere, ausgeben] rein, wird bei der Basis geregelt und beim Kollektor [lat.: collectere, sammeln, vgl. Kollekte in der Kirche] wieder aufgenommen. Der Hit am Transistor ist, dass es nur einer kleinen Spannung an der Basis bedarf, um den Fluss vom Emitter zum Kollektor zu bremsen oder zu öffnen. Er kann als elektronischer, stufenlos regelbarer Wasserhahn angesehen werden. Bildlich kann das so aussehen: Aus einem Wasserkasten (Stromquelle) strömt es zu einem elastischen Rohr, Emitterseite.

Bild 5-03 Funktionsmodell Transistor

Von z. B. einer Antenne oder Plattenspieler kommt eine schwache Schwingung zur Basis. Die Schwingung drückt in ihrem Takt auf die Wäscheklammer, die ein elastisches Rohr zusammendrückt oder öffnet. Dadurch wird der glatte Strom durchgelassen oder gesperrt. Aus der Kollektorseite fließt nun der gesteuerte kräftige Strom zur Lausprecherbox.

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Experiment 5: Elektronik, Grundfunktionen – Vom schwachen Strom und Wellensalat

5.2 Schwingkreis Das ist im Prinzip ein Radio … Dumm ist nur, dass aus der Antenne ein riesen Wellensalat kommt, der als Rauschen hörbar wäre. Damit auch nur der Sender gehört wird, der gewünscht ist, schaltet man nun Spule und Kondensator parallel, sieht das so aus: Wenn Kondensator und Spule richtig abgestimmt sind, kommt es durch Lade/ Entladevorgänge im Kondensator, Induktion und Gegeninduktion in der Spule, zu einer Schwingung einer ganz bestimmten Frequenz, die dann an den Transistor zur Verstärkung abgegeben wird. Der Pfeil im Kondensator bedeutet, dass er regelbar ist. Somit kann in begrenztem Umfang eine Senderauswahl stattfinden. Bild 5-04 Schaltplan Schwingkreis

Das Ding nennt sich Schwingkreis. Was da durchgelassen wird, ist erstmal die Trägerfrequenz. Sie hat z. B. die Aufgabe Musik, Nachrichten etc. vom ausgewählten Sender zu transportieren. Was hat das mit der Modelleisenbahn zu tun? Viel, zumindest, was die Digitale Steuerung anbetrifft. Loks und Zusatzfunktionen, Weichen und Signale werden dort über sogenannte Adressen gesteuert. Jede Adresse steht für eine bestimmte Frequenz. So ist es möglich, dass mehrere Loks ihren Strom zwar aus ein und demselben Gleis beziehen, aber unabhängig voneinander gefahren werden können, so wie aus dem Wellensalat des Radioempfangs der richtige Sender gewählt werden kann.

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Sachwortverzeichnis A Abisolieren 11 Abisolierzange 11 Akkuschrauber 61 Aluminium 9, 122 Anker 92, 96 Anode 28 Anschlussgleis 2 Antenne 126 Anzugsmoment 96 Arbeitsfähigkeit, abrufbare 1 Atom 21 B Basis 125 Bewegungsenergie 1 Biegeradius 10 Bifilarwicklung 96 f. Bimetallschalter 122 f. Blechpaket 92, 105 Bocksprung 53 D destilliertes Wasser 23 f. digitale Steuerung 126 Diode 107 Doppelspulenantrieb 71 Drahtdurchmesser 10 Drehbewegung 93 Drehwiderstand 29, 31 Drehzahl 4 Dynamo 6 E Einknopfbedienung 118 Eisen 68 Eisenfeilspäne 77 Eisenkern 68

elektrische Arbeit 54 elektrische Energie 5, 13 elektrische Leistung 54 elektrischer Leiter 21 Elektromagnet 67 Elektromotor 83 Elektron 21 Elektroniklot 15 Elektroschweißer 28 Emitter 125 Erdmagnetfeld 65 F Fahrpult 8, 17 Feldlinie 77, 90 Feldlinienbild 82 Flussmitte 15 Formelerstellung 41 Formel umstellen 19 G Generator 98 Getriebe 4 Glas 45 Gleichrichter 36, 38, 114, 117, 121 Gleichstrom 8 Glühlampe 20, 46 Graetz-Schaltung 109 Gummi 9, 45 H Halbwelle 103, 109 Hartlöten 15 Hauptschlussmotor 95 Hofmann’scher Zersetzungsapparat 28 Hufeisenmagnet 77 Hufeisenmagnet 84, 88, 91, 99

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018 U. Grellmann, Physik und Mathe – Leichter geht’s mit der Modelleisenbahn, https://doi.org/10.1007/978-3-658-23399-0

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Sachwortverzeichnis

I Induktivität 113 Invar 122 Isolation 9, 116 Isolator 44 K Kabel 4, 9, 44 Kaltverfestigung 10 Kaltverschweißung 122 Kathode 28 Keramik 45 kinetische Energie 1 Kirchhoff’sche Regel 50 Klemmenspannung 43, 49, 52 Knotenregel 50 Kochsalz 25 Kohlebürste 94 kohlenstoffarmer Stahl 68 Kollektor 92, 94, 125 Kolophonium 15 Kompass 55, 80 Kompassnadel 77 Kondensator 110, 126 Konstantan 29 Kontakt 73 Kontaktfahne 119 Kontaktlamelle 75 Krokodilklemme 82, 85 Kühlblech 117 Kühlkörper 124 Kunststoff 9, 45 Kupfer 9, 122 Kupferlackdraht 116 Kurzschluss 116, 123 L Längenausdehnungskoeffizient 122 Leiterschaukel 86, 88 Leiterschleife 102 Löten 15 Löthalter 14, 77 Lötkolben 13 Lötstation 13

Lötzinn 14 Ludolf’sche Zahl 30 Lüsterklemme 37, 56 M Magnetfeld 55, 58 magnetischer Fluss 105 magnetischer Nordpol 79 magnetischer Südpol 79 Magnetismus 105 mechanische Spannung 11 Metallatomgitter 21 Minuspol 28 Motor 4 Multimeter 7 N Natriumchlorid 25 Nebenschlussmotor 98 Netzspannung 114 O Ohm’sches Gesetz 7, 29, 52 P Parallelschaltung 47, 51 Permanentmagnet 76, 84, 94 physikalische Stromrichtung 66, 90 Pluspol 28 Polwender 114, 121 Porzellan 45 potentielle Energie 1 Potentiometer 29, 114 Powerstation 62, 84 Primärspule 105 Q Querlochstecker 37 R Radio 126 Radius 55 Rechte-Hand-Regel 90 Reihenschaltung 49, 51

Sachwortverzeichnis

Reihenschlussmotor 95 Relais 71, 73 Remanenz 76 Rückschlagventil 113 S Sauerstoff 28 Schalter 71 Schaltung, gemischte 50 Schleifer 119 Schweißstromkabel 28 Schwingkreis 126 Sehnenlänge 33 Sekundärspule 105 Selbsthaltung 74 Sender 126 Sinuskurve 103 Spannung 1, 5, 47 Spannungsteilungsschaltung 53 Sperrklinke 1 Spule 67, 111, 126 Stabmagnet 77 Stahl 122 Starterbatterie 84 Stator 93 Steckdose 103 Strom 1, 5 Stromkreis, einfacher 17 T Tabellenkalkulationsprogramm 39 Taschenrechner, wissenschaftlicher 35

technische Stromrichtung 66 temperaturabhängiger Widerstand 21 Trafoblech 116 Trafokern 116 Transformator 104, 114 Transistor 124 U Uhrwerk 1 Universalmessgerät 7, 18, 24, 37, 43, 52 Universalmotor 52 V Verformung, bleibende 10 Verstärker 124 W Wasserstoff 28 Wechselstrom 103 Wechselstromlok 73 Weicheisen 68 Weichlöten 15 Wellensalat 126 Widerstand 1, 29, 50 Windungsschluss 116 Winkelfunktion 35 Wirbelstrom 116 Z Zellen formatieren 39 Zirkel 33

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