Temperaturabhängigkeit und Reihenschaltung (Folie 10)

EINSATZ DER FOLIE

Die Folie kann eingesetzt werden, wenn die Elektrizitätslehre durchgängig behandelt wird. In den Curricula für die Sekundarstufe I ist die Elektrizitätslehre in den Klassen 7 bis 10 vorgesehen und wird meist in zwei Teilen (E-Lehre I und E-Lehre II) unterrichtet. Eine Wiederholungsphase ist vor der Elektrizitätslehre II in der Regel nicht zu vermeiden. Das auf Folie 10 angesprochene Thema eignet sich auch gut, um zu diesem Zeitpunkt einfache Schaltungen der jetzt neuen Reihenschaltung kennenzulernen. Ferner wird der Begriff „elektrischer Widerstand“ so ausführlich präsentiert, dass sich die Folie auch gut zur Wiederholung und Vertiefung eignet.

INHALT DER FOLIE

Die Folie erklärt eine Tankanzeige. Bei dieser wird die Anzeige des noch vorhandenen Kraftstoffs durch einen in Reihe mit dem Anzeigeinstrument geschalteten veränderbaren Widerstand bewirkt. Je nach elektrischem Widerstandswert dieses Vorwiderstands fließt ein verschieden großer Strom durch das Instrument. Die Skala des Messwerks ist in eine Mengenangabe umgeeicht, sodass nicht Stromstärken, sondern Kraftstoffmengen angezeigt werden.

Anmerkung: Um das Verständnis nicht unnötig zu erschweren, wurde auf den in der Praxis zusätzlich eingesetzten „Spannungskonstanthalter“ verzichtet. Dieser gewährleistet auch bei schwankenden Spannungen im Bordnetz eine korrekte Anzeige.

Oben links:
Die Abbildung zeigt, wie der Widerstandswert geändert wird. An dem vereinfacht dargestellten Kraftstofftank ist oben ein Einsatz mit einer Isolierstoffplatte angebracht. Auf dieser befindet sich eine Drahtwicklung in Form eines Kreisbahnstückes, der ein Schleifer folgen kann. Dieser Schleifer ist über einen Hebelarm mit einem Schwimmer verbunden. Das Ganze ist quasi ein überdimensionales Draht-Potentiometer, dessen Widerstandswert durch Verdrehung der Achse verändert wird. Je nach Tankinhalt schwimmt der Schwimmer verschieden hoch auf und verdreht die Achse.

Oben rechts:
Bei vollem Tank dreht sich daher der Hebelarm mit dem Schwimmer ( = Achse des Potentiometers) im Uhrzeigersinn nach rechts. Jetzt wird eine geringere Länge des Widerstandsdrahtes tatsächlich vom Strom durchflossen. Dies bedeutet einen kleinen elektrischen Widerstand des Potentiometers; entsprechend fließt durch die Reihenschaltung von Potentiometer und Anzeige-Messwerk ein größerer Strom. Der Zeiger schlägt also weiter aus, die Anzeige signalisiert „Tank voll“. Nimmt die Kraftstoffmenge im Tank ab, sinkt der Schwimmer in Analogie dazu nach unten. Dabei dreht sich der Schwimmerarm entgegen dem Uhrzeigersinn nach links. Die tatsächlich vom Strom durchflossene Drahtlänge nimmt kontinuierlich zu. Der Widerstandswert des Potentiometers wächst und die Stromstärke durch die Reihenschaltung nimmt ab. Infolgedessen geht die Anzeige des Messwerks nach und nach zurück.

Rechts Mitte:
Bei nahezu leerem Tank wird die maximale Drahtlänge vom Strom durchflossen. Der Zeiger der Tankanzeige steht dann im Linksanschlag auf „Reserve“ oder „0“, je nach Beschriftung der Skala.

Unten links:
Die Farben des zu der Schaltung gehörenden Schaltbilds entsprechen der Farbgebung der anderen Bildern dieser Folie.

Unten rechts:
Das Foto einer originalen Tankanzeige dient als Impuls für das Thema. Wenn bei Werkstattkontakten Teile einer noch funktionierenden Tankanzeige (sowohl die Gebereinheit aus dem Tank als auch das zugehörige Anzeigewerk) aus Altfahrzeugen zu bekommen sind, lassen sich diese im Unterricht gut zu Demonstrationsversuchen einsetzen.

Anmerkung:
Heute wird statt des drehbaren Schwimmers meistens ein Schwimmerrohr eingesetzt, dessen Schwimmer-Höhenstand einen elektrischen Widerstand verändert.

KOPIERVORLAGE

Die Kopiervorlage bringt zunächst zwei Beispiele für Reihenschaltkreise mit veränderbaren Widerständen. Dabei werden den Schülern der NTC-Widerstand und der PTC-Widerstand in ihrem Einsatz am Kraftfahrzeug vorgestellt. Das erste Beispiel bringt neben einer allgemeinen Information über veränderbare Widerstände als Messwertgeber einen NTC-Fühler für den Kraftfahrzeugeinsatz (Schaltbild vgl. Folie 8). Eine zugehörige leichte Aufgabe vertieft das Verständnis: Die Schüler sollen die Widerstandskennlinie eines NTC-Widerstands aufgrund der angegebenen Daten aufzeichnen. Das zweite Beispiel zeigt den Schülern die Verwendung eines PTC-Widerstands beim Dieselmotor. Das dritte Beispiel bringt zusätzlich einen verzweigten Schaltkreis ins Spiel. Als veränderbarer Widerstand wird hier ein vom Fahrer einstellbares Potentiometer benutzt, mit dem der Fahrer die Helligkeit der Instrumentenbeleuchtung wunschgemäß wählen kann (siehe Schaltbild auf der Kopiervorlage).