Kurzschluss einer Glühbirne: Was passiert, wenn Sie eine überbrücken?
1 · Vorhersagen
Zwei Lampen (LampeA, LampeB) sind in Reihe geschaltet. Ein parallel zu Lampe B geschalteter Schalter ist zunächst geöffnet. Was passiert mit der Helligkeit von LampeA, wenn Sie es schließen und so einen widerstandsfreien Kurzschluss um Lampe B erzeugen?
- LampA wird gedimmt, wenn der Schalter geschlossen wird.
- Die Helligkeit von LampA ändert sich nicht.
- Durch das Schließen des Schalters wird LampeB umgangen, sodass LampeA nun den vollen Stromkreis erhält – sie wird heller.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset „Lampe kurzgeschlossen“ und drücken Sie Zurücksetzen. Beide Lampen beginnen bei gleichem Widerstand (100 Ω); der Schalter ist zunächst offen.
- Aktivieren Sie die Stromanzeige für beide Lampen.
- Zeichnen Sie den Strom von Lampe A bei geöffnetem Schalter auf, schließen Sie dann den Schalter und zeichnen Sie ihn erneut auf.
3 · Daten sammeln
| Schalterzustand (0 = offen, 1 = geschlossen) | LampA Strom I (A) |
|---|---|
| 0 | |
| 1 |
Erstellen Sie ein Balkendiagramm, in dem der Strom von Lampe A im Fall mit offenem und geschlossenem Schalter verglichen wird.
4 · Auswerten
- Bei geöffnetem Schalter sind beide Lampen in Reihe geschaltet: I = E/(2R) mit E = 9 V, R = 100 Ω. Bei geschlossenem Schalter wird Lampe B (100 Ω) vom Schalter 0 Ω umgangen, so dass nur Lampe A übrig bleibt: I = E/R.
- Erklären Sie, warum ein widerstandsloser Pfad parallel zu LampeB den gesamten Strom führt und nach dem Schließen des Schalters durch LampeB selbst kein Strom mehr fließt.
5 · Vertiefen
- Die Leistung von LampA vervierfacht sich, wenn der Schalter geschlossen wird – der Strom verdoppelt sich, und P = I²R wächst mit dem Quadrat davon (dieselbe Begründung wie bei switched-lamp). Woher kommt diese zusätzliche Leistung – hat der Akku in beiden Fällen gleich stark gearbeitet?
- Ein echter Schalter hat im geschlossenen Zustand einen winzigen Widerstand ungleich Null. Würde sich dadurch das qualitative Ergebnis hier (LampeA-Aufhellung) ändern, oder nur die genauen Zahlen?
Die Physik hinter diesem Experiment
Einen Zweig kurzschließen
Ein widerstandsloser Pfad parallel zu einer Komponente führt den Strom anstelle dieser Komponente (da der Strom dem Pfad des geringsten Widerstands folgt) und entfernt ihn effektiv aus dem Stromkreis – dies wird als „Kurzschluss“ der Komponente bezeichnet.