2021-05-20 Technik Klasse A: Lektion Widerstand und Grundschaltungen A

Diese Lektion (Lehrkraft: DJ3EI) behandelt Stoff, der von 20 Fragen aus dem BNetzA-Fragenkatalog abgefragt wird.

Hausaufgaben

Hausaufgaben, ehe die Lektion im Kurs drankommt

Den Rest dieser Datei vorbereitend lesen. "Bonusmaterial" ist für Interessierte und kann überschlagen werden.

Einmal die Fragen zur Lektion in afutest durchgehen. Dabei die "Maximale Fragenzahl" auf "alle" einstellen. Während der Prüfung bekommt Ihr Schmierpapier ("Konzeptpapier" im Amsdeutsch) und die Formelsammlung der Klasse A von der BNetzA gestellt und könnt den von Euch mitgebrachten nicht-programmierbaren und textspeicherlosen Taschenrechner benutzen. Also ist es klug, wenn Ihr es gleich so übt.

Sich dabei aufschreiben, welche Fragen man nicht gewusst hat. Diese Liste zum Kurs mitbringen.

Hausaufgaben, nachdem die Lektion im Kurs dran war

Die Fragen zur Lektion in afutest durchgehen. Dabei immer noch auftretende Problem durch Nachlesen, Nachfragen oder andere Mittel lösen. Das Ziel ist die Zuversicht, von diesen Fragen höchstens drei oder vier nicht beantworten zu können.

Die Fragen zum Stoff der Technik Klasse A, der bisher im Kurs dran war, in auftest rekapitulieren. Dabei "Maximale Fragenzahl" auf 51 Fragen stellen und so lange üben, bis maximal sechs falsche Antworten pro Durchgang auftreten.

Info zur Lektion

Erlaubte Hilfsmittel bei der Prüfung

Während der Technikprüfung bekommt man von der BNetzA Konzeptpapier und eine Formelsammlung gestellt, man darf seinen eigenen nicht-programmierbaren Taschenrechner mitbringen und einen Stift (oder mehrere). Hausaufgaben:

• Ein passender Taschenrechner sollte gelegentlich besorgt werden, das würde jetzt gut passen.

• Die Formelsammlung der Klasse A herunterladen und ausdrucken und ab jetzt als legalen Spickzettel immer parat haben, wenn Technikfragen der Klasse A beantwortet werden. Wie gesagt: Ein Exemplar mit identischem Inhalt bekommt man während der Technikprüfung hochoffiziell und amtlich beigestellt.

Beides bitte jetzt besorgen und sich von Anfang an (also ab jetzt) an den Umgang mit beiden gewöhnen.

Nachdenkliche Bemerkungen

Wir sind am Anfang des Kurses, bei den Grundlagen. Wer die schon mitbringt (zum Beispiel aus der Klasse E), wird sich bei Teilen dieser Lektion möglicherweise langweilen. Der strategische Plan ist aber, auch diejenigen zur Lizenz zu führen, die diese Grundlagen noch nicht mitbringen. Aus Rücksicht auf sie bitten wir, eventuelles Langweilen bitte leise, unauffällig und gepflegt zu erledigen.

Wegen dieses strategischen Plans kommt hier auch nur die Hälfte vom Online-Kurs-Kapitel "Widerstand und Grundschaltungen" dran. Die andere Hälfte gibt es beim nächsten Kurstermin.

Der Onlinekurs ist eigentlich so organisiert, dass man erst das gesamte Technik-E-Material lernen soll und dann das Wissen ausbaut zur Technik A. Wir fangen in diesem Kurs aber gleich mit Technik A an. Das läuft auf gelegentliche "Rosinenpickerei" hinaus, besonders jetzt am Anfang bei den Grundlagen: Hier ein paar Abschnitte lesen, da ein paar Abschnitte lesen.

Ohmsches Gesetz und Leistung

Erstmal mag ich mir nicht verkneifen, hier meine Lieblingserklärung zum Einstieg in die Elektrizität zu bringen:

Elektrischen Strom kann man vergleichen mit Wasser, das durch Rohrleitungen fließt. Die elektrische Spannung U entspricht dem Leitungsdruck, sie wird gemessen in "Volt". Die elektrische Stromstärke I (das ist der große Buchstabe I in kursiv) entspricht dem Durchfluss. I wird gemessen in "Ampere", das lässt sich umrechnen in "Anzahl vorbeisausender Elektronen pro Sekunde".

Wenn man etwas mit Wasser antreiben wollte, könnte man das entweder mit hohem Wasserdruck machen, wenn es so richtig spritzt, braucht man keine großen Wasserstrahl. Oder man nimmt eine große Menge Wasser, dann kommt man mit weniger Druck aus (das ist dann mehr "Blub" als "Spritz"). Auf beiden Wegen ergibt sich dieselbe Antriebsleistung. (Man braucht aber eine andere Sorte Wasserrad oder was man da antreiben will.)

Bei der elektrischen Leistung ist es genauso. Welche Leistung P ein Widerstand oder sonstiger Verbraucher schluckt, berechnet sich aus Spannung mal Strom: P = U ∙ I Wenn ich bei halbem Strom die gleiche Leistung zur Verfügung haben will, muss ich nur die Spannung verdoppeln. Und umgekehrt.

Was wäre ein elektrischer Widerstand in der Welt der Wasseranalogie? So etwas wie ein Wasserhahn. Hand weit auf, kommt viel Wasser durch: Kleiner Widerstand. Hahn fast zu, kommt nur ein kleines Rinnsal Wasser raus: Großer Widerstand.

Wenn man den Hahn lässt (nicht verstellt oder ändert), aber der Druck auf der Leitung wird höher, fließt mehr Wasser. Wird der Druck niedriger, fließt weniger Wasser. Mit dieser Überlegung sind wir schon nicht mehr weit weg vom "Ohmschen Gesetz".

Zwei wesentliche Unterschiede gibt es zwischen Wasser und Strom:

• Wenn ich einen Gartenschlauch auf den Boden lege und das Wasser andrehe, kriege ich eine immer größer werdende Pfütze. Wasser hat kein Problem, in die Umwelt zu entkommen. Dagegen fließt elektrischer Strom nur, wenn es nicht nur eine Zuleitung, sondern auch eine Ableitung gibt. Ein Draht, den ich einfach so in die Gegend lege, entspricht einem verstopften Wasserrohr. Ein Stromkreis muss geschlossen sein, sonst fließt da nichts.

• Das gilt sogar für Spannungsmessgeräte. Den Druck auf einer Wasserleitung kann ich einfach so messen. Um eine elektrische Spannung U zu messen, brauche ich neben der Leitung, deren Druck ich messen will, auch eine "Abwasserleitung". Ich messe dann keinen absoluten Druck, sondern den Druckunterschied zwischen den beiden.

Davon abgesehen funktioniert die Wasser-Analogie ganz gut bei den Messgeräten:

• Ein Wasserdruckmesser soll kein Wasser verbrauchen. Genauso kann man ein gutes Spannungsmessgerät (Voltmeter) getrost zwischen Leitungen verschiedener Spannungen anschließen, ohne Angst haben zu müssen, dadurch werde viel Strom verbraucht: Durch ein gutes Spannungsmessgerät fließt praktisch kein Strom.

• Ein Flussmesser hat ein möglichst dickes Rohr. Der Wasserdruck soll nicht gesenkt werden. Genauso verhält sich bei der Elektrizität ein gutes Strommessgerät (Amperemeter) wie eine dicker Draht: Man merkt (fast) nicht, dass da was ist, der elektrische Strom fließt ungehindert durch.

Die Wasseranalogie bricht wieder, wenn wir über Wechselstrom nachdenken. Beim Wasser befindet sich Zuwasser und Abwasser in verschiedenen Rohren und wird säuberlich getrennt. In unserem Stromnetz wechseln die Rollen der beiden Drähte 50 mal in der Sekunde. Mal liefert der braune Draht Elektronen und der blaue führt sie ab, aber nur 10 µs später liefert der blaue Draht Elektronen und der braune führt sie ab. Insgesamt ist es tatsächlich so, dass wir mit unserer Stromrechnung nur bezahlen, dass Elektronen ein Bisschen hin- und her bewegt werden...

Nach diesen einleitenden Gedanken könnte man im Onlinekurs im Klasse A Widerstands-Kapitel beim Abschnitt Ohmsches Gesetz starten. Das lassen wir, weil der Onlinekurs da das Ohmsche Gesetz nicht mehr erklärt: Das war schon in der Klasse E dran. Wir weichen also aus auf den E-Teil des Onlinekurses und lesen die dortige Kapitel "Spannung und Strom, Wechselspannung" und "Ohmsches Gesetz, Leistung, Arbeit".

Nachdem man diese Kapitel gelesen hat, sollte man in der Lage sein, aus zwei der drei Größen "Spannung U", "Widerstand R" und "Stromstärke I" die fehlende dritte zu berechnen.

Und weiter aus zwei der drei Größen "Leistung P", "Spannung U" und "Stromstärke I" wieder die fehlende dritte.

Und schließlich aus der Frequenz einer Wechselspannung ihre Periodendauer und umgekehrt. (Faustregeln: 1000 / MHz = ns und 1000 / ns = MHz)

Nun noch einige Bemerkungen zu den simpelsten Verbrauchern, den Widerständen. Die schlucken elektrische Energie und werden warm - das ist alles, was sie tun.

Drahtwiderstände führen naturgemäß zu langen Drähten, wenn der Draht dick genug sein soll, dass er viel Strom aushält. Und das kriegt man durchaus hin, dass Drahtwiderstände eine Menge Strom aushalten. Aber diesen ganzen Draht wickelt man naturgemäß auf, und das führt dann zu einer Spule. Wir lernen erst später, wie eine Spule elektrisch funktioniert, aber soviel jetzt schon: Spulen lassen hochfrequente Ströme nicht gut durch. Deshalb sind Drahtwiderstände für Hochfrequenz nicht geeignet.

Aus dem Onlinekurs der Technik Klasse A lesen wir uns nun den Abschnitt zum Aufbau von Widerständen durch. Für manchen wird die dort gegebene kurze Zusammenfassung genügen, andere folgen dem Link zum Kapitel 4 der Klasse E.

Zum Schluss lesen wir uns noch den kurzen Abschnitt zum Skin-Effekt durch.

Leider hat Eckart hier einen Formulierungsfehler. Er schreibt:

Durch das Magnetfeld werden besonders bei hohen Frequenzen die Elektronen aus der Mitte des Leiters zusammengedrängt.

Das sollte heißen:

Durch das Magnetfeld werden besonders bei hohen Frequenzen die Elektronen aus der Mitte des Leiters herausgedrängt.

Beim Ohmschen Gesetz hören wir wieder auf zu lesen. Das hatten wir ja gerade aus dem Klasse-E-Onlinekurs. Eine Menge Material? Genug für diesmal. Wer jetzt aufhört zu lesen, verpasst nichts Wesentliches.

Bonusmaterial

Für die Nerds: Ja, ich habe etwas gelogen. Richtig (aber für die Kurszwecke mehr verwirrend als hilfreich) ist:

• Man kann (hohe) Spannungen (zum Beispiel statischer Elektrizität) auch an sich messen, ohne "Abwasserleitung", ohne geschlossenen Stromkreis.

• Wenn ich einen Draht einseitig an eine Spannungsquelle anschließe, ohne den Stromkreis zu schließen, fließt ein kurzer, sehr kleiner Stromimpuls, bis im Draht entsprechend mehr oder weniger Elektronen sind als "ausgeglichen". (Ausgeglichen durch die Protonen der im Drahtmetall vorhandenen Metall-Atomkerne.) So, wie es der angelegten Spannung entspricht.

• Und ich tue oben so, als wenn Strom die Bewegung von Elektronen bedeutet. Das stimmt meistens, aber nicht unbedingt. Es können sich auch andere Ladungsträger bewegen, zum Beispiel Protonen oder Ionen. Das ist dann auch Strom.

(Liebe Mitnerds: Bitte helft mir dabei, diejenigen vor unnötiger Verwirrung zu schützen, die mit dem hier vorgesehen Material schon genug zu verarbeiten haben, weil es neu für sie ist. Dann war das ziemlich viel auf einmal! Bitte stellt keine Fragen zu Hölzchen und Stöcksken in der Kurs-Signalgruppe oder während des normalen, laufenden Kursabends. Versteht mich nicht falsch: Ich "nerde" selbst liebend gerne rum. Aber manchmal ist das einfach rücksichtslos und dann muss Nerd es auch lassen können.)