Spannung in Reihen- und Parallelschaltungen Leitfaden

PhysikAnfängerLesezeit: 3 Min

Übersicht

Spannung ist die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis. Die Beziehung zwischen Einzelspannungen und der Gesamtspannung unterscheidet sich je nach Verbindungsmethode erheblich. Dieses Experiment verwendet Echtzeit-Voltmeter, um Ihnen zu helfen, den Spannungsteilereffekt in Reihenschaltungen und die Eigenschaft der gleichen Spannung in Parallelschaltungen zu erforschen.

Hintergrund

Im Jahr 1845 formulierte der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff im Alter von 21 Jahren die berühmte Kirchhoffsche Maschenregel (KVL): Die algebraische Summe der Spannungsänderungen in jedem geschlossenen Stromkreis ist Null. Dieses Gesetz legte die theoretische Grundlage für die Spannungsteilung in Reihenschaltungen und die Spannungsgleichheit in Parallelschaltungen. Im Zeitalter der Telegrafie nutzten Ingenieure das Prinzip des Spannungsteilers in Reihe für die Signalübertragung über lange Strecken und die Eigenschaft der parallelen Spannungsgleichheit, um eine stabile Spannung für jeden Knotenpunkt zu gewährleisten. Heute bleiben diese Gesetze der Grundstein des elektronischen Schaltungsdesigns.

Schlüsselkonzepte

Klemmenspannung

U

Die Spannung über einer Stromquelle oder einem Schaltungskomponente. In der Simulation wird die Gesamtspannung direkt durch den Schieberegler für die Versorgungsspannung gesteuert.

Spannungsteilung

U_n \propto R_n

In einer Reihenschaltung wird die Gesamtspannung auf die Widerstände verteilt. Je größer der Widerstand, desto größer ist der Anteil der Spannung, den er erhält.

Gleiche Spannung

U_1 = U_2 = U

In einer Parallelschaltung ist die Spannung über jedem Zweig gleich und entspricht auch der Gesamtspannung.

Formeln & Herleitung

Spannungsgesetz für Reihenschaltung

U = U_1 + U_2

In einer Reihenschaltung ist die Gesamtspannung gleich der Summe der Einzelspannungen. Die Energie nimmt schrittweise ab, wenn sie jeden Widerstand passiert.

Spannungsgesetz für Parallelschaltung

U = U_1 = U_2

In einer Parallelschaltung ist die Spannung über jedem Zweig gleich und entspricht der Versorgungsspannung.

Experimentier-Schritte

1
Reihenschaltung einrichten
Wählen Sie 'Reihenschaltung' auf dem Panel. Anfänglich betragen beide Widerstände $10\Omega$ . Sie können $R_2$ auf $20\Omega$ oder einen anderen Wert einstellen. Schließen Sie den Schalter und beobachten Sie die Anzeigen der drei Voltmeter $U$ , $U_1$ und $U_2$ . Ergeben $U_1$ und $U_2$ zusammen $U$ ?
2
Widerstandseffekt erforschen
Versuchen Sie im Reihenmodus, den Widerstand von $R_1$ oder $R_2$ zu ändern. Sie werden feststellen: Der Teil mit dem größeren Widerstand hat eine ____ Voltmeteranzeige? Dies zeigt, dass Reihenschaltungen die Spannung proportional zum Widerstand verteilen.
3
Umschalten auf Parallelschaltung
Schalten Sie den Stromkreis auf 'Parallelschaltung' um. Beobachten Sie die Voltmeteranzeigen über $R_1$ und $R_2$ . Bleiben ihre Spannungen konsistent, auch wenn die Widerstandswerte der beiden Zweige unterschiedlich eingestellt sind?
4
Gesamtspannung ändern
Stellen Sie den Schieberegler für die Versorgungsspannung ein. Beobachten Sie, wie sich die Spannung über jedem Zweig in der Parallelschaltung mit der Gesamtspannung ändert. Denken Sie nach: Welche Beziehung besteht zwischen den Zweigspannungen und der Versorgungsspannung?

Lernergebnisse

Verstehen der additiven Beziehung von Gesamtspannung und Komponentenspannungen in Reihenschaltungen
Beherrschen der physikalischen Eigenschaft, dass die Spannung über parallele Zweige gleich ist
Fähigkeit, serielle Spannungswerte basierend auf Widerstandsverhältnissen vorherzusagen
Lernen, virtuelle Voltmeter zur Messung der Potentialdifferenz in Stromkreisen zu verwenden

Praxisanwendungen

Spannungsteilerschaltungen: Elektronische Geräte verwenden oft zwei Widerstände in Reihe, um eine niedrigere Referenzspannung zu erhalten
Haushaltssteckdosen: Alle Geräte sind parallel an eine 220V (oder 110V) Stromquelle angeschlossen, um sicherzustellen, dass jedes seine Nennspannung erhält
Voltmeter-Bereichserweiterung: Ein großer Widerstand wird in Reihe mit dem Messkopf geschaltet, um höhere Spannungen messen zu können

Häufige Irrtümer

Irrtum

In einer Reihenschaltung sollte die Spannung über allen Widerständen gleich sein

Richtig

Falsch. Die Spannung wird nur dann gleichmäßig aufgeteilt, wenn die Reihenwiderstände gleich sind. Unterschiedliche Widerstände führen zu unterschiedlichen Spannungsverteilungen.

Irrtum

In einer Parallelschaltung hat der Zweig mit dem größeren Widerstand eine größere Spannung

Richtig

Falsch. Die Spannung über parallelen Zweigen ist genau gleich, unabhängig vom Widerstand. Der Widerstand beeinflusst nur den Strom in diesem Zweig.

Weiterführende Literatur

Bereit zum Start?

Da du nun die Grundlagen verstehst, starte das interaktive Experiment!

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