Leistungsverlust in Widerständen messen: Praktisches Experiment mit Jouleschem Gesetz

TEILE UND MATERIALIEN

• Taschenrechner (oder Bleistift und Papier für Rechenoperationen)
• 6 V Batterie
• Zwei ¼‑Watt-Widerstände: 10 Ω und 330 Ω (±5 % Toleranz)
• Kleines Thermometer (medizinisch oder Infrarot)

Exakte Widerstandswerte sind nicht kritisch; halten Sie sie innerhalb von ±5 % (±0,5 Ω für 10 Ω, ±16,5 Ω für 330 Ω). Die Farbcodes sind Braun-Schwarz-Schwarz-Gold (10 Ω) und Orange-Orange-Braun-Gold (330 Ω).

Es sollte nur eine 6 V Batterie verwendet werden. Das Thermometer muss kompakt sein, um schnelles Erhitzen zu detektieren.

QUERVERWEISE

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 2: Ohm’s Law

LERNZIELE

• Voltmeter, Amperemeter und Ohmmeter nutzen
• Joulesches Gesetz zur Leistungsberechnung anwenden
• Bauteil-Leistungskennwerte verstehen
• Elektrisch gemeinsame Punkte in einem Kreis erkennen

SCHALTPLAN

ILLUSTRATION

ANWEISUNGEN

1. Messen Sie den Widerstand jedes Widerstands mit einem Ohmmeter; notieren Sie die exakten Werte.

2. Verbinden Sie den 330 Ω-Widerstand mit der 6 V-Batterie mittels Jumper-Kabeln, wobei Sie die Kabel zuerst an den Widerstandsanschlüssen anbringen, um das Berühren eines spannungsführenden Bauteils zu vermeiden.

3. Mit dem eingeschalteten Kreis verwenden Sie ein Voltmeter, um die Batteriespannung über dem Widerstand zu bestätigen. Da Widerstand und Batterie dieselben beiden Knoten teilen, entspricht die Spannung über dem Widerstand der Batteriespannung.

4. Messen Sie den Strom mit einem Amperemeter, das in den Kreisweg eingefügt ist. Erzeugen Sie eine Unterbrechung im Draht, platzieren Sie das Amperemeter zwischen den offenen Enden und schließen Sie den Kreis wieder.

5. Notieren Sie Spannung, Strom und Widerstand. Berechnen Sie dann die Leistung mit einer der folgenden Formen des Jouleschen Gesetzes:

Bei einer 6,0 V-Quelle und einem 330 Ω-Widerstand beträgt die erwartete Leistung 0,109 W (109 mW), komfortabel unter der 0,25 W-Nennleistung des Widerstands. Der Widerstand sollte spürbar warm werden, aber nicht überhitzen.

6. Berühren Sie das Thermometer mit der Mitte des Widerstands, um den Temperaturanstieg zu beobachten.

SICHERE PRAXIS

Beim Austauschen der Widerstände trennen Sie den Kreis vor dem Einbau des neuen Widerstands. Ersetzen Sie den 330 Ω durch den 10 Ω-Widerstand und schließen Sie wieder an. Der 10 Ω-Widerstand dissipiert ~3,6 W – über 14‑fach seine 0,25 W-Nennleistung – daher erhitzt er sich rapide. Halten Sie ihn von brennbaren Materialien fern.

Wenn der Widerstand zu rauchen beginnt, unterbrechen Sie sofort den Kreis, lassen Sie ihn abkühlen, messen Sie dann den Widerstand erneut. Ein beschädigter Widerstand zeigt oft einen höheren Widerstand, was Strom und Leistung reduzieren kann und einen selbstschützenden Effekt bietet.

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER

• Energy, Work, and Power Worksheet