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==Leere Seite==
 
 
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==Magnetfelder um Ströme (Ampèrsches Gesetz)==
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==Aufgaben zu elektrischen Schaltungen==
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'''1)''' Zeichne zu den aufgebauten Stromkreisen einen Schaltplan.
  
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=====Magnetfeld von Kabel und Spule=====
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Zeichnen Sie jeweils einige Feldlinien und Flächen ein.
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|[[Bild:Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A1a.png|350px]]
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|[[Bild:Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A1b.png|350px]]
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|}
  
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<gallery widths=320px heights=240px  perrow=2>
+
'''2)''' Welche der Schaltkreise gehören zusammen? Male dazu Gebiete aus Kabeln und Schaltern in den gleichen Farben wie bei a) an! Ein Gebiet wird immer von der Batterie, den Lampen oder einem Schalter begrenzt.
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  Bild:Magnetfeld Kabel rein ohneFeld.png|a) Ein stromdurchflossenes Kabel.
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Bild:Spule weit 4Windungen nur Kabel.png|b) Eine stromdurchflossene Spule.
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</gallery>
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=====Magnetische Feldstärke=====
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[[Bild:Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A2.png|650px]]
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:a) Wie wurde die schwere, elektrische und magnetische Feldstärke bereits mit Hilfe einer Probeladung definiert?
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:b) Warum ist diese Festlegung im elektrischen und schweren Fall praktikabel, aber im magnetischen Fall nicht?
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:c) Wie wird daher die magnetische Feldstärke definiert?
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=====Feldstärken berechnen=====
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'''3)''' a) Zeichne einen übersichtlichen Schaltplan.
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:a) Eine Spule ist 60cm lang, hat einen Durchmesser von 15cm und 2000 Windungen. Es fließt ein Strom der Stärke 300mA durch das Kabel.
+
:b) Trage in die Tabelle alle Schalterpositionen ein und schreibe dazu welche Lämpchen brennen.
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:Berechnen Sie die magnetische Feldstärke innerhalb der Spule.
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:b) Ist es egal, ob die Spule einen Durchmesser von 15cm oder von 30cm hat?
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:c) Durch ein Kabel fließt ein Strom mit der Stärke von 20 Ampère.
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:Berechnen Sie die magnetische Feldstärke in einem Abstand von 1cm, 2cm und 3cm vom Kabel.
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=====Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes=====
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[[Image:Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A3.png|350px]]
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[[Datei:Erdmagnetfeld_Feldlinien.png|thumb|100px]]
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[[Datei:Inklinationsbussole_Komponentenpfeile.png|thumb|100px|Ein Inklinationskompass mit eingezeichneten Komponenten des Erdmagnetfeldes.]]
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Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes verlaufen nur am Äquator parallel zur Erdoberfläche und in geographischer Süd-Nord-Richtung. In Deutschland bilden die Feldlinien mit dem Erdboden einen sogenannten [https://de.wikipedia.org/wiki/Inklination_(Magnetismus) Inklinationswinkel] von ungefähr 64°. Die horizontale Komponente ist also in Deutschland kleiner als die senkrecht in den Boden weisende, vertikale Komponente.
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Mit Hilfe einer Spule und eines Kompasses kann man relativ einfach die horizontale Komponente des Erdmagnetfeldes messen. Dazu legt man die Spule in West-Ost-Richtung auf einen Tisch und stellt einen Kompass in die Spule, der sich dann nach Norden ausrichtet. Jetzt läßt man genau soviel Strom durch die Spule fließen, bis die Kompassnadel entweder nach Nord-Ost oder nach Nord-West zeigt. (Wovon hängt das ab?)
+
{| style="border-spacing:0;margin:auto;width:17.595cm;"
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:a) Die Spule ist 30cm lang und hat 100 Windungen. Bei einer Stromstärke von 48mA zeigt die Nadel genau nach Nord-Ost. Berechnen Sie daraus die Horizontalkomponente.
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| align=center style="border-top:0.05pt solid #000000;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | '''S1'''
−
:b) Berechnen Sie mit Hilfe des Inklinationswinkels von 64° auch die vertikale Komponente und die gesamte Feldstärke des Erdmagnetfeldes.
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| align=center style="border-top:0.05pt solid #000000;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | '''S2'''
−
 
+
| align=center style="border-top:0.05pt solid #000000;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | '''S3'''
−
==Kraftwirkung auf elektrische Stöme im Magnetfeld==
+
| align=center style="border-top:0.05pt solid #000000;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | '''L1'''
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===Lorentzkraft auf Probeströme im Feld===
+
| align=center style="border-top:0.05pt solid #000000;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | '''L2'''
−
=====Richtung der Lorentzkraft=====
+
| align=center style="border:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" | '''L3'''
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Ein stromdurchflossenes Kabel befindet sich in einem homogenen Magnetfeld. Die (technische) Stromrichtung ist mit einem gelben Pfeil gekennzeichnet, die Feldlinienrichtung mit einem roten und die Richtung der Kraft mit einem blauen Pfeil.
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|-
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*Ergänzen Sie in den Zeichnungen die fehlende Kraft-, Strom oder Feldlinienrichtung in der entsprechenden Farbe.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
 
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
<gallery widths=180px heights=180px  perrow=4 >
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_a.png
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | an
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_b.png
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | an
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_c.png
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" | an
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_d.png
+
|-
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_e.png
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
Bild:Aufgabe_Drei-Finger-Regel_f.png
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
</gallery>
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 0
−
 
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
=====Kraft zwischen (anti-)parallelen Strömen II=====
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
[[Datei:Magnetfeld_zwei_Kabel_rein.png|thumb|right|320px]]
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
−
Dargestellt ist der senkrechte Schnitt durch zwei parallele Kabel und die Stromrichtungen.  
+
|-
−
Die Kabel sind 3cm voneinander entfernt und einen halben Meter lang. (Die Dicke der Kabel wird vernachlässigt.) Durch das linke Kabel fließt ein Strom der Stärke von 20 Ampère, durch das rechte ein Strom der Stärke von 3 Ampère.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 1
−
<br/>Um die Kraftwirkung auf das rechte Kabel zu berechnen, betrachtet man den rechten Strom als Probestrom im Feld des linken Kabels.  
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | 0
−
:a) Zeichen Sie einige Feldlinien des Magnetfeldes des ''linken'' Kabels ein.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
:b) Bestimmen Sie mit der Drei-Finger-Regel die Richtung der Lorentzkraft auf den rechten Strom und zeichnen Sie die Kraftrichtung ein.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
:c) Berechnen Sie die Feldstärke des linken Magnetfeldes an der Stelle, an der sich das rechte Kabel befindet.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
:d) Berechnen Sie nun die Lorentzkraft auf den rechten Leiter.
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
−
:e) Berechnen Sie nach der gleichen Methode die Lorentzkraft auf den linken Leiter. Überrascht Sie das Ergebnis?
+
|-
−
<br style="clear: both" />
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | .
−
 
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
=====Definition des Ampères=====
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
Die Einheit der elektrischen Stromstärke, das Ampère, ist eine der sieben Basiseinheiten des [https://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem internationalen Einheitensystems (SI)]. Alle weiteren Einheiten lassen sich auf diese sieben Basiseinheiten zurückführen. Mit Hilfe von sieben mehr oder weniger praktikablen Messvorschriften wird jeweils eine Einheit festgelegt. Die [https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt2/fb-26/ag-261/diestromstrkeeinheitampere.html Definition des Ampères] lautet (noch bis ca. 2018):
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
[[Datei:Definition_Ampere.png|thumb]]
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
−
:{|
+
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
−
Das Ampere ist die Stärke eines konstanten elektrischen Stromes, der, durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je einem Meter Leiterlänge die Kraft <math>2 \!\cdot\! 10^{–7}</math> Newton hervorrufen würde.
+
|-
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | .
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |  
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |  
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | .
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
 +
|-
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | .
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
 +
|-
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" | .
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |  
 +
| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |  
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:none;padding:0.097cm;" |
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| align=center style="border-top:none;border-bottom:0.05pt solid #000000;border-left:0.05pt solid #000000;border-right:0.05pt solid #000000;padding:0.097cm;" |
 +
|-
 
|}
 
|}
−
Die Festlegung des Ampères gehört offensichtlich zu den nicht praktikablen Festlegungen. Aber wieso diese scheinbar willkürliche Kraft von <math>2 \!\cdot\! 10^{–7}</math> Newton pro Meter?
 
−
:Berechnen Sie dazu die Kraft, die auf ein ein Meter langes Teilstück dieser "unendlich" langen Leiter ausgeübt wird. (Vergleiche dazu die Aufgabe "Kraft zwischen (anti-)parallelen Strömen II"!)
 
−
 
−
=====Feldstärkemessung mit Probestrom=====
 
−
[[Datei:Elektro_Magnet_mit_Polen_Linien_Flächen.jpg|thumb||Ein schon älteres Modell eines Elektromagneten mit eingezeichneten Polen, Feldlinien und Flächen.]]
 
−
Um die magnetische Feldstärke eines Elektromagneten zu messen, hängt man ein 2cm langes Leiterstück senkrecht zu den Feldlinien in das Magnetfeld und misst die darauf wirkende Lorentzkraft. Bei einer Stromstärke von 20A bestimmt man die Kraftwirkung zu 35mN.
 
−
:Berechnen Sie die Feldstärke des Magnetfeldes.
 
−
<br style="clear: both" />
 
−
 
−
=====Kabel im Erdmagnetfeld=====
 
−
Das Erdmagnetfeld hat in Deutschland eine Stärke von ca. 40A/m. (Das entspricht ca. 50 mikroTesla.)
 
−
:a) Welche Kraft erfährt ein Stromkabel, dass von 20A durchflossen wird und 1m lang ist maximal?
 
−
:b) Wie muss man das Kabel ausrichten, um die wirkende Kraft möglichst groß oder möglichst klein zu haben?
 
−
 
−
===Lorentzkraft auf bewegte Ladungen im Magnetfeld===
 
−
=====Flugbahnen=====
 
−
Die geladenen Teilchen bewegen sich auf ein begrenztes und homogenes Magnetfeld zu.
 
−
:a) in welche Richtung wirkt beim Eintauchen in das Magnetfeld die Lorentzkraft?
 
−
:b) Beschreiben Sie die Bahnkurve der Teilchen nach dem Eintauchen und skizzieren Sie eine mögliche in der Zeichnung.
 
−
 
−
=====Sonnenwind trifft auf das Erdmagnetfeld=====
 
−
[[Datei:Erdmagnetfeld_mit_Sonnenwind.jpg|thumb|Eine künstlerische Darstellung des Erdmagnetfeldes und des Sonnenwindes.]]
 
−
Der sogenannte "Sonnenwind" besteht aus schnellen, elektrisch positiv oder negativ geladenen Teilchen, die von der Sonne ausgesendet werden. In der Zeichnung sind vier Teilchen und deren Bewegungsrichtung eingezeichnet.
 
−
:Kennzeichnen Sie die Kraftrichtung auf die Teilchen mit einem Pfeil.
 
−
:Erklären Sie wie sich die Bahn der Teilchen durch das Erdmagnetfeld ändert.
 
  
−
=====Hall-Sonde=====
+
'''4)''' a) Zeichne einen übersichtlichen Schaltplan.
−
*Erklären Sie die prinzipielle Funktionsweise einer Hall-Sonde.
+
:b) Erstelle eine Tabelle aller Schalterpositionen und Lämpchen wie in Aufgabe 3).
  
−
==[[Aufgaben zum Elektro-Magnetismus (Lösungen)|Lösungen]]==
+
[[Image:Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A4.png|350px]]

Aktuelle Version vom 8. Mai 2026, 21:29 Uhr

Aufgaben zu elektrischen Schaltungen

1) Zeichne zu den aufgebauten Stromkreisen einen Schaltplan.

Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A1a.png Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A1b.png

2) Welche der Schaltkreise gehören zusammen? Male dazu Gebiete aus Kabeln und Schaltern in den gleichen Farben wie bei a) an! Ein Gebiet wird immer von der Batterie, den Lampen oder einem Schalter begrenzt.

Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A2.png

3) a) Zeichne einen übersichtlichen Schaltplan.

b) Trage in die Tabelle alle Schalterpositionen ein und schreibe dazu welche Lämpchen brennen.

Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A3.png

S1 S2 S3 L1 L2 L3
1 1 1 an an an
1 1 0
1 0
.
.
.
.
.

4) a) Zeichne einen übersichtlichen Schaltplan.

b) Erstelle eine Tabelle aller Schalterpositionen und Lämpchen wie in Aufgabe 3).

Arbeitsblatt Schaltpläne zeichnen A4.png

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