Make: Elektronik: Lernen durch Entdecken

Charles Platt

For my dearest Erico

Vorwort

So macht dieses Buch am meisten Spaß

Jeder benutzt elektronische Geräte, aber die meisten von uns wissen eigentlich gar nicht, was in ihrem Inneren vor sich geht.

Vielleicht bist du auch der Meinung, dass man so etwas gar nicht wissen muss. Man kann ein Auto fahren, ohne zu wissen, wie ein Verbrennungsmotor funktioniert, und man kann vermutlich auch einen iPod bedienen, ohne irgend etwas über integrierte Schaltungen zu wissen. Dennoch gibt es drei Gründe, weshalb es sich lohnen könnte, einige Grundlagen der Elektrizität und Elektronik kennen zu lernen:

Wenn man lernt, wie Technik funktioniert, kann man die eigene Umwelt besser beherrschen, anstatt von ihr beherrscht zu werden. Treten dann Probleme auf, kann man sie lösen, anstatt sich von ihnen frustrieren zu lassen.

Es kann Spaß machen, etwas über Elektronik zu lernen; jedenfalls, wenn man es richtig angeht. Die Werkzeuge sind vergleichsweise billig, man braucht zum Arbeiten nur einen Tisch und nicht allzuviel Zeit (außer man nimmt sie sich).

Fachwissen über Elektronik kann deinen Wert als Angestellter steigern oder dir sogar zu einer ganz neuen Karriere verhelfen.

Lernen durch Entdeckung

Die meisten Einsteigerbücher fangen mit Begriffsbestimmungen und Fakten an und kommen dann schrittweise soweit, dass man mit einer Anleitung eine einfache Schaltung nachbauen kann.

Dieses Buch funktioniert anders. Ich will, dass du gleich damit anfängst, Bauteile zusammenzubauen. Sobald du siehst, was dann geschieht, verstehst du, wie alles zusammenhängt. Ich glaube, dass dieser Prozess des Lernens durch Entdecken einen stärkeren und dauerhafteren Erfolg nach sich zieht.

Lernen durch Entdeckung ist durchaus auch ein wissenschaftlicher Ansatz. Wenn Wissenschaftler ein ungewöhnliches Phänomen bemerken, dass durch bekannte Therorien nicht erklärt werden kann, untersuchen sie es und versuchen, es dann auf dieser Grundlage zu erklären. So kommen sie am Ende möglicherweise zu einem besseren Verständnis der Welt.

Wir werden es genauso machen, aber natürlich auf einem wesentlich weniger ambitioniertem Niveau.

Dabei werden dir Fehler unterlaufen. Das ist auch gut so. Fehler sind die besten Lehrmeister, die es gibt. Ich will, dass dir Teile durchbrennen und dass du Schaltelemente beschädigst, weil du nur dadurch die Grenzen von Bauteilen und Materialien kennenlernst. Da wir mit niedrigen Spannungen arbeiten, besteht keine Gefahr, einen elektrischen Schlag zu erleiden. Solange du die Stromstärke so begrenzt, wie ich es beschreibe, gibt es auch kein Risiko, sich die Finger zu verbrennen oder etwas zu entzünden.

Grenzwerte beachten!

Auch wenn ich davon überzeugt bin, dass alles, was ich in diesem Buch vorschlage, gefahrlos ist, setze ich voraus, dass du die Grenzwerte, die ich vorgebe, nicht überschreitest. Bitte folge immer der Anleitung und achte auf Warnungen, die mit diesem Symbol gekennzeichnet sind. Wenn du Grenzwerte überschreitest, setzt du dich unnötigen Risiken aus.

Abbildung 1 Lernen durch Entdeckung ermöglicht es dir, sofort einfache Schaltungen aufzubauen. Du brauchst nur wenige billige Bauteile, einige Batterien und Krokodilklemmen.

Wie schwierig wird es werden?

Ich gehe davon aus, dass du mit keinerlei Vorwissen über Elektronik anfängst. Daher sind die ersten Experimente total einfach. Man braucht hier nicht einmal Lötzinn oder Experimentierplatinen, um eine Schaltung aufzubauen. Die Drähte werden von Krokodilklemmen zusammengehalten.

Danach wirst du aber sehr bald mit Transistoren experimentieren und am Ende des zweiten Kapitels hast du schon eine funktionierende Schaltung mit sinnvollen Anwendungsmöglichkeiten.

Ich glaube nicht, dass Hobby-Elektronik schwierig zu verstehen sein muss. Wenn man Elektronik eher klassisch lernen will und seine eigenen Schaltungen entwerfen möchte, stellt dies sicher eine Herausforderung dar. In diesem Buch hingegen sind das Werkzeug und die Materialien billig, die Zielsetzungen klar definiert und an mathematischem Wissen wird nur Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division und die Fähigkeit, die Stelle des Kommas zu verschieben, benötigt.

Wie nutze ich dieses Buch

Im Wesentlichen gibt es zwei Wege, in einem Buch dieser Art Informationen zu vermitteln: In praktischen Übungen und in Referenzabschnitten. Ich werde beide Methoden verwenden. Die Übungen findest du in Abschnitten mit diesen Überschriften:

Einkaufszettel

Werkzeugeinsatz

Experimente

Referenzabschnitte finden sich unter diesen Überschriften:

Grundlagen

Theorie

Hintergrundwissen

Wie du diese Abschnitte benutzt, ist dir selbst überlassen. Du kannst viele Referenzabschnitte überspringen und später lesen. Wenn du aber viele Übungen auslässt, wird das Buch dir nicht viel bringen. Lernen durch Entdeckung bedeutet, dass du auf jeden Fall praktisch mit deinen eigenen Händen arbeiten musst. Das wiederum heißt, dass du einige grundlegende Bauteile kaufen und mit ihnen experimentieren musst. Wenn du alles nur gedanklich durchspielst, wirst du nur sehr wenig von diesem Buch haben.

Kapitel 1. Elektrizität erleben

In diesem Kapitel

„Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5“

„Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack“

„Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie“

„Experiment 3: Dein erster Stromkreis“

„Experiment 4: Die Spannung verändern“

„Experiment 5: Wir bauen uns eine Batterie“

Ich will, dass du beim ersten Experiment in Sachen Elektrizität auf den Geschmack kommst – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Dieses erste Kapitel im Buch zeigt dir:

wie man Elektrizität und Widerstand verstehen und messen kann

wie man Bauteile behandelt und verbindet, ohne sie zu überladen, zu beschädigen oder sie zu zerstören

Auch wenn du schon Vorwissen auf dem Gebiet der Elektronik hast, solltest du diese Experimente ausprobieren, bevor du dich den weiteren Kapiteln des Buches widmest.

Einkaufszettel: Experimente 1 bis 5

Wenn du nicht mehrfach einkaufen oder online bestellen willst, sieh dir auch alle weiteren Einkaufszettel an und kaufe alles, was du brauchst, auf einmal.

Werkzeuge

Kleine Zange

Sieh dich nach diesen Werkzeugen in Baumärkten um. Der Hersteller ist dabei egal. Wenn du die Zange einige Zeit lang benutzt hast, merkst du sicher, ob du damit gut arbeiten kannst. Insbesondere musst du selbst entscheiden, ob du eine Zange mit oder ohne Feder am Griff bevorzugst. Wenn du doch lieber ohne Rückstellfeder arbeitest, brauchst du eine zweite Zange, um die Feder aus der ersten zu entfernen.

Seitenschneider

Benutze den Seitenschneider nur für Kupferdraht, nicht für härtere Metalle (Abbildung 1.4).

Abbildung 1.1 Eine herkömmliche Flachzange ist dein Grundwerkzeug, mit dem du Dinge greifen, biegen und aufheben kannst, wenn sie dir mal heruntergefallen sind.

Abbildung 1.2 Eine Zange mit längeren Backen vereinfacht die Arbeit in Umgebungen, in denen nur sehr wenig Platz zur Verfügung steht.

Multimeter

Strom ist unsichtbar, also brauchen wir ein spezielles Gerät, dass uns Stromdruck und Stromfluss sichtbar macht, und das geht nur mit einem Multimeter. Ein billiges Multimeter reicht für deine ersten Experimente. Wenn du ein solches Gerät im Internet kaufst, lies dir trotzdem die Bewertungen von anderen Käufern durch, da billige Multimeter nicht immer zuverlässig funktionieren. Du kannst aber online durchaus zunächst immer nach dem besten Angebot Ausschau halten. Vergiss nicht, auch bei eBay zu suchen.

Das Multimeter muss digital funktionieren – kaufe dir kein altmodisches Analoggerät, bei dem sich eine Nadel über einer Skala bewegt. In diesem Buch setze ich voraus, dass du auf eine Digitalanzeige schaust.

Ich rate dir auch davon ab, ein Multimeter mit »Autorange«-Funktion zu kaufen, auch wenn das zunächst nützlich klingt: Wenn du zum Beispiel eine 9-Volt-Batterie überprüfst, merkt das Multimeter von selbst, dass du nicht im Bereich von mehreren Hundert Volt oder wenigen Millivolt messen willst. Das Problem dabei besteht darin, dass man leichter Fehler machen kann. Was könnte beispielsweise geschehen, wenn die Batterie fast leer ist? In diesem Fall besteht die Gefahr, dass du einen Wert misst, der nur einen Bruchteil von einem Volt beträgt, du dies aber wegen der »Autorange«-Funktion gar nicht bemerkst. Der einzige Hinweis im Display, den man aber eben leicht übersieht, ist ein kleines »m« neben den deutlich größer dargestellten Zahlen im Display das für »Millivolt« steht.

Bei einem Multimeter mit manueller Einstellung wählst du den Messbereich selbst aus. Falls die zu messende Quelle außerhalb dieses Bereiches liegt, zeigt das Gerät einen Fehler an. Ich finde das besser. Außerdem werde ich immer ungeduldig, wenn Autorange-Multimeter bei jeder Messung erst versuchen, den Messbereich herausfinden. Am Ende ist es aber eine Frage der persönlichen Vorliebe. In Abbildung 1.5 bis Abbildung 1.7 sind einige Multimeter abgebildet.

Abbildung 1.3 Spitzzangen sind bei der Schmuckherstellung beliebt, eignen sich aber auch dazu, winzige Bauteile festzuhalten.

Abbildung 1.4 Ein Drahtscheider oder Seitenschneider ist unverzichtbar.

Material

Batterien

9-Volt-Batterie. Anzahl: 1.

Mignon-Batterien (AA), 1,5 Volt. Anzahl: 6.

Bei den Batterien sollte es sich um normale Alkaline-Batterien handeln. Nimm die billigsten, weil wir vielleicht einige davon zerstören werden. Du solltest auf keinen Fall wiederaufladbare Batterien (Akkus) in den Experimenten 1 und 2 benutzen.

Batteriehalter und -anschlüsse

Batterieclip für 9-Volt-Batterie (Abbildung 1.8). Anzahl: 1. Jeder Batterie-clip mit Drähten reicht aus.

Batteriehalter für eine einzelne Mignon-Batterie, mit Anschlussdrähten. (Abbildung 1.9). Anzahl: 1. Jeder Batteriehalter mit Drähten reicht aus.

Batteriehalter für vier Mignon-Batterien, mit Anschlussdrähten (Abbildung 1.10). Anzahl: 1.

Krokodilklemmen

Gummiisoliert. Anzahl: mindestens 6.

Abbildung 1.5 Wie du am Grad der Abnutzung erkennen kannst, ist dies mein bevorzugtes Multimeter. Es hat alle benötigten Grundfunktionen und kann auch Kapazität messen (der F-Bereich steht für Farad). Es ist außerdem zum Testen von Transistoren geignet. Der Messbereich muss manuell eingestellt werden.

Abbildung 1.6 Ein mittelpreisiges Multimeter

Abbildung 1.7 Ein Multimeter mit einem zusätzlichen Temperaturfühler

Abbildung 1.8 Anschlussclip für eine 9-Volt-Batterie

Abbildung 1.9 Batteriehalter für eine einzelne Mignonbatterie mit Anschlussdrähten.

Abbildung 1.10 Batteriehalter für vier Mignonzellen in Reihe, liefert 6 Volt Spannung.

Abbildung 1.11 Krokodilklemmen in Vinylhüllen, die versehentliche Kurzschlüsse verhindern.

Abbildung 1.12 Eine 3-Ampere-Sicherung, wie sie in Autos gebraucht wird, hier größer abgebildet, als sie tatsächlich ist.

Abbildung 1.13 Potentiometer gibt es in verschienenen Formen und Größen, mit verschiedenen Schaftlängen für verschiedene Drehknöpfe. Für unsere Zwecke ist die Bauart egal, aber die größeren Modelle sind einfacher zu handhaben.

Bauteile

Womöglich weißt du nicht, was einige dieser Artikel genau sind oder wozu sie gut sind. Schau einfach die Beschreibungen durch und achte auf die abgebildeten Fotos. Sehr bald wirst du alles durch »Lernen durch Entdecken« verstehen.

Sicherungen

KFZ-Flachsicherung, 3 Ampere. Anzahl: 3.

Oder ein ähnliches Modell. Eine Flachsicherung lässt sich einfacher mit Krokodilklemmen fixieren als eine Rundsicherung.

Potentiometer

Einfache Umdrehung, 2 KΩ linear, Minimal 0,1 Watt. Anzahl: 2.

Die »Watt«-Angabe gibt an, wieviel Leistung das Bauteil aushält. Du brauchst keinen Wert über 0,5 Watt.

Widerstände

Widerstandssortiment mit mindestens 1/4 Watt mit verschiedenen Werten, sollte aber 470 Ohm, 1 Kiloohm und 2 oder 2,2 Kiloohm enthalten. Anzahl: mindestens 100.

Oder suche bei eBay nach »Widerstandssortiment«.

Leuchtdioden (LEDs)

Egal welche Größe oder Farbe (Abbildung 1.14 und Abbildung 1.15). Anzahl: 10.

Für die ersten Experimente reicht so ziemlich jede LED.

Abbildung 1.14 Typische Leuchtdiode (LED) mit 5 mm Durchmesser.

Abbildung 1.15 Eine extragroße LED (1 cm Durchmesser) ist nicht unbedingt heller oder teurer. Für die meisten Experimente im Buch kannst du beliebige LEDs kaufen.

Experiment 1: Ein kleiner Vorgeschmack

Kann man Elektrizität schmecken? Möglicherweise nicht, aber es fühlt sich an, als ob es ginge.

Du brauchst:

9-Volt-Batterie

Anschlussclip für die Batteriekontakte

Multimeter

Nie mehr als 9 Volt

Eine 9-Volt-Batterie wird dir nicht wehtun. Versuche dieses Experiment aber nie mit einer Batterie mit mehr Spannung oder einer größeren Batterie, die mehr Strom abgeben kann. Falls du eine Zahnspange trägst, achte darauf, dass die Metallbügel nicht die Batterie berühren.

Ablauf

Befeuchte deine Zunge und berühre mit der Spitze die Metallkontakte einer 9-Volt-Batterie. Du wirst sofort ein deutliches Prickeln spüren, das dadurch erzeugt wird, dass Elektrizität von einem Anschluss der Batterie durch die Feuchtigkeit in und auf deiner Zunge zum anderen Anschluss fließt (Abbildung 1.16). Da die Haut auf deiner Zunge sehr dünn ist (es ist ja eine Schleimhaut) und die Nerven sehr dicht unter der Oberfläche liegen, kann man so die Elektrizität sehr einfach spüren.

Strecke deine Zunge heraus und trockne die Zungenspitze gut mit einem Tuch ab. Wiederhole das Experiment, ohne dass deine Zunge wieder feucht wird. Jetzt solltest du ein schwächeres Prickeln wahrnehmen.

Was passiert hier? Wir brauchen ein Messgerät, um das herauszufinden.

Werkzeuge

Richte dein Multimeter ein

Sieh in der mitgelieferten Anleitung nach, ob du erst eine Batterie einsetzen musst oder ob schon eine Batterie vorhanden ist.

Abbildung 1.16 Schritt Eins beim Lernen durch Entdeckung: Der 9-Volt-Zungentest.

Abbildung 1.17 Das schwarze Kabel gehört in die Common-Buchse (COM) und das rote Kabel gehört in die rote Buchse, die fast immer auf der rechten Seite des Multimeters liegt.

Die meisten Multimeter haben abnehmbare Prüfkabel, auch Messleitungen genannt. Die meisten Geräte haben außerdem drei Buchsen an der Vorderseite. Die Buchse ganz links ist in der Regel für die Messung hoher Stromstärken (Strom ist der Fluss von elektrischer Ladung) vorgesehen. Zunächst werden wir diese nicht brauchen.

Die Kabel werden vermutlich schwarz und rot sein. Der schwarze Stecker gehört in die Buchse, die mit »COM« oder »Common« beschriftet ist. Der rote Stecker kommt in die Buchse mit der Bezeichnung »VΩ« oder »Volt Ω«. Siehe Abbildung 1.17 bis 1-20.

An den anderen Enden der Prüfkabel befinden sich Metallspitzen, auch Prüfspitzen genannt. Mit diesen berührt man die Bauteile bei elektrischen Messungen. Die Spitzen messen Elektrizität, sie geben aber keine großen Mengen davon ab. Das bedeutet, dass man sich nicht daran verletzten kann, außer natürlich man piekst sich an den spitzen Enden.

Wenn dein Messgerät keine Autorange-Funktion hat, befindet sich an jeder Schaltstellung noch eine Zahl. Diese Zahl bedeutet »nicht über«. Wenn zum Beispiel eine Stellung auf der Volt-Skala mit 2 (»nicht über 2 Volt«) und die nächste mit 20 (»nicht über 20 Volt«) beschriftet ist und du eine 6-Volt-Batterie messen willst, musst du folglich die Einstellung auswählen.

Falls du einen Fehler machst und versuchst etwas zu messen, das nicht passt, zeigt das Multimeter eine Fehlermeldung wie »E« oder »L«. Stell dann einfach den Drehregler richtig ein und versuche es noch einmal.

Abbildung 1.18

Abbildung 1.19

Abbildung 1.20 Um Widerstand und Spannung zu messen, steckt man das schwarze Kabel in die »COM«-Buchse und das rote Kabel in die Volt-Buchse. Fast alle Messgeräte verfügen über eine Extrabuchse für das rote Kabel für die Messung von hohen Stromstärken in Ampere, aber darum kümmern wir uns später.

Grundlagen: Ohm

Man misst Entfernungen in Kilometern, Gewicht (korrekt: Masse) in Kilogramm, Temperatur in Grad Celsius – und den elektrischen Widerstand in Ohm. Das Ohm ist eine internationale Einheit.

Das griechische Schriftzeichen Omega (Ω) ist das Einheitenzeichen für Werte in Ohm, siehe die Abbildung 1.21 und Abbildung 1.22. Der Buchstabe K (oder kΩ) bedeutet Kiloohm (entspricht 1.000 Ohm). Der Buchstabe M (oder MΩ) bedeutet Megaohm (entspricht 1.000.000 Ohm).

Wert in Ohm

Gängige Schreibweise

Abkürzung

1.000 Ohm

1 Kiloohm

1kΩ oder 1K

10.000 Ohm

10 Kiloohm

10kΩ oder 10K

100.000 Ohm

100 Kiloohm

100kΩ oder 100K

1.000.000 Ohm

1 Megaohm

1MΩ oder 1M

10.000.000 Ohm

10 Megaohm

10MΩ oder 10M

Ein Material, das eine sehr hohen elektrischen Widerstandhat, nennt man Nichtleiter oder Isolator. Die meisten Kunststoffe, auch die farbigen Ummantelungen von Drähten, sind Nichtleiter.

Ein Material mit sehr niedrigem Widerstand bezeichnet man als Leiter. Metalle, z.B. Kupfer, Aluminium, Silber und Gold, sind exzellente Leiter.

Abbildung 1.21 Der Buchstabe Omega wird weltweit benutzt, um den Widerstand in Ohm anzugeben.

Abbildung 1.22 Er wird in unterschiedlichen Varianten geschrieben oder gedruckt.

Ablauf

Wir benutzen das Multimeter nun, um den elektrischen Widerstand deiner Zunge zu messen. Stell zunächst das Gerät auf Widerstandsmessung ein. Wenn das Multimeter eine Autorange-Funktion hat, sieh nach, ob es ein K für Kiloohm oder ein M für Megaohm anzeigt. Wenn du den Messbereich manuell einstellen musst, beginne nicht mit einem Wert unter 100.000 Ohm (100 kΩ). Siehe die Abbildung 1.23 bis Abbildung 1.25.

Abbildung 1.23

Abbildung 1.24

Abbildung 1.25 Um Ohm zu messen, stelle die Drehscheibe auf das Omega-Zeichen. Auf einem Multimeter mit Autorange-Funktion kannst du die »Range«-Taste wiederholt drücken, um verschiedene Widerstandsbereiche anzuzeigen, oder du hältst einfach die Messspitzen an einen Widerstand und wartest darauf, dass das Gerät automatisch einen Bereich wählt. Bei einem manuellen Multimeter musst du erst den Bereich mit dem Drehregler wählen. (Um den Hautwiderstand zu messen, solltest du es auf 100 kΩ oder höher stellen). Wenn du keinen sinnvollen Wert erhältst, versuche einen anderen Messbereich.

Abbildung 1.26 Stelle dir die Zellen in einer Batterie wie zwei Zylinder vor: Einer ist voll mit Wasser, der andere leer. Wenn man eine Verbindung zwischen den Zylindern herstellt, fließt das Wasser solange, bis der Wasserpegel auf beiden Seiten gleich hoch ist. Je weniger Widerstand die Verbindung besitzt, desto schneller fließt das Wasser.

Berühre mit beiden Messspitzen deine Zunge. Die Messspitzen sollten einen Abstand von zwei bis drei Zentimetern aufweisen. Notier dir das Messergebnis, das bei ungefähr 50 kΩ liegen sollte. Lege die Prüfspitzen beiseite, strecke die Zunge heraus und trockne sie sorgfältig mit einem Tuch ab. Wiederhole den Versuch, ohne dass deine Zunge wieder feucht wird. Der gemessene Wert sollte höher sein. Drücke zum Abschluss die Spitzen an die Haut auf deiner Hand oder deinem Arm: Dabei bekommst du vermutlich gar keinen Wert angezeigt oder nur, wenn du deine Haut anfeuchtest.

Anmerkung

Wenn deine Haut feucht ist (z.B. weil du schwitzt), nimmt ihr elektischer Widerstand ab. Dieses Prinzip wird bei Lügendetektoren angewandt, da jemand, der bewusst lügt, unter Belastung zum Schwitzen neigt.

Eine 9-Volt-Batterie enthält Chemikalien, die Elektronen (elektrische Teilchen) freisetzen, die aufgrund einer chemischen Reaktion in der Batterie vom einen Anschluss zum anderen fließen wollen. Du kannst dir die Zellen in der Batterie wie zwei Wassertanks vorstellen – einer davon ist voll und der andere leer. Wenn diese Tanks mit einem Rohr verbunden werden, fließt das Wasser solange, bis beide gleich voll sind. Abbildung 1.26 zeigt dir, wie das gemeint ist. In gleicher Weise fließen Elektronen zwischen den beiden Enden einer Batterie, wenn man eine elektrische Verbindung zwischen ihnen herstellt, auch wenn diese Verbindung die Feuchtigkeit auf deiner Zunge ist.

Elektronen fließen in einigen Stoffen (wie einer feuchten Zunge) leichter als in anderen (wie einer trockenen Zunge).

Hintergrundwissen: Der Mann, der den Widerstand entdeckte

Georg Simon Ohm, Abbildung 1.27, wurde im Jahre 1787 in Erlangen, Bayern, geboren und arbeitete den größten Teil seines Lebens ohne nennenswerten öffentlichen Bekanntheitsgrad. Er erforschte die Eigenschaften von Elektrizität mit Metalldrähten, die er dafür selbst hergestellt hatte. (Anfang des 19. Jahrhunderts konnte man nicht einfach zum Elektrogroßhandel fahren und eine Rolle Draht kaufen.)

Trotz seiner begrenzten Ressourcen und ungenügenden mathematischen Fähigkeiten konnte Ohm im Jahre 1827 zeigen, dass sich der elektrische Widerstand in einem Leiter wie Kupfer umgekehrtproportional zum Querschnitt veränderte, und dass der darin fließende Strom proportional zur angelegten Spannung ist, wenn die Temperatur konstant bleibt. Erst 14 Jahre später erkannte die Royal Society in London die Bedeutung seiner Erkenntnis und verlieh ihm die Copley-Medaille. Heute kennen wir seine Entdeckung als das Ohmsche Gesetz.

Abbildung 1.27 Georg Simon Ohm nach der Auszeichnung für seine wegweisende Forschung, die er zu weiten Teilen alleine, ohne wissenschaftliche Kontakte leistete.

Weitere Untersuchungen

Stecke den Anschlussclip (siehe Abbildung 1.8) auf die 9-Volt-Batterie. Halte die beiden Kabel so, dass die offenen Enden nur einige Millimeter von einander entfernt sind und berühre damit deine Zunge. Dann halte die Kabelenden einige Zentimeter voneinander entfernt und berühre noch einmal deine Zunge. (Siehe Abbildung 1.28). Spürst du einen Unterschied?

Benutze dein Multimeter, um den elektrischen Widerstand deiner Zunge zu messen. Verändere dieses Mal den Abstand zwischen den zwei Spitzen. Wenn Strom eine kürzere Strecke fließt, stellt sich ihm insgesamt ein geringerer Widerstand entgegen. Das führt dazu, dass die Stromstärke (der Fluss der Ladungen pro Sekunde) ansteigt. Ein ähnliches Experiment kannst du auch an deinem Arm ausprobieren, wie Abbildung 1.29 zeigt.

Abbildung 1.28 Wir können den Zungentest abwandeln, um zu zeigen, dass eine kürzere Distanz mit niedrigerem Widerstand einen größeren Stromfluss ermöglicht und damit stärker prickelt.

Abbildung 1.29 Feuchte deine Haut an, bevor du versuchst, ihren Widerstand zu messen. Der Wert sollte höher liegen, je weiter die Messspitzen von einander entfernt sind. Der Widerstand ist proportional zum Abstand.

Benutze dein Multimeter, um den elektrischen Widerstand von Wasser zu messen. Löse dann etwas Salz im Wasser auf und untersuche es noch einmal. Versuche auch, den Widerstand von destilliertem Wasser (in einem sauberen Glas) zu messen.

Die Welt um uns herum ist reich an Stoffen, die Strom leiten und dabei unterschiedliche Widerstandswerte haben.

Aufräumen und Weiterverwendung

Deine Batterie sollte bei diesem Experiment nicht beschädigt worden sein oder deutlich an Ladung verloren haben. Du kannst sie weiterhin benutzen.

Vergiss nicht, dein Multimeter auszuschalten, bevor du es wegräumst.

Experiment 2: Wir missbrauchen eine Batterie

Um ein besseres Gefühl für elektrischen Strom zu bekommen, wirst du jetzt das machen, wovor in den meisten Büchern gewarnt wird: Du wirst eine Batterie kurzschließen. Ein Kurzschluss ist eine direkte Verbindung zwischen beiden Enden einer Stromquelle.

Kurzschlüsse

Kurzschlüsse können gefährlich sein. Schließe niemals eine Steckdose bei dir zuhause kurz: Es wird einen lauten Knall und einen hellen Blitz geben. Der Draht oder das Werkzeug in deiner Hand werden möglicherweise zum Teil geschmolzen werden. Herumfliegende Teile von geschmolzenem Metall können dich verbrennen oder sogar erblinden lassen.

Wenn du eine Autobatterie kurzschließt, ist die Stromstärke so hoch, dass die Batterie explodieren kann und du die Säure abbekommst (Abbildung 1.30).

Lithiumbatterien sind ebenfalls gefährlich. Schließe niemals eine Lithiumbatterie kurz: Sie kann Feuer fangen und dir Verbrennungen zufügen (Abbildung 1.31).

Benutze für dieses Experiment nur eine Alkaline-Batterie und nur eine einzige Mignonzelle. (Abbildung 1.32). Du solltest auch eine Schutzbrille tragen, falls deine Batterie zufälligerweise defekt ist.

Dafür brauchst du:

1,5-Volt-Mignonbatterie (AA)

Batteriehalter für eine Batterie

Krokodilklemmen. Anzahl: 2

Sicherung mit 3 Ampere

Schutzbrille (eine normale Brille oder Sonnenbrille reicht auch)

Abbildung 1.30 Jeder, dem schon mal ein Schraubenschlüssel auf die ungeschützten Pole einer Autobatterie gefallen ist, kann dir sagen, dass ein Kurzschluss auch bei »nur« 12 Volt dramatisch sein kann, wenn die Batterie stark genug ist.

Abbildung 1.31 Der niedrige Innenwiderstand von Lithiumbatterien (die oft in Laptops verwendet werden) ermöglicht, dass eine hohe Stromstärke fließt. Dies kann gefährlich werden. Spiele daher nie mit Lithiumbatterien herum!

Abbildung 1.32 Das Kurzschließen einer Alkaline-Batterie ist ungefährlich, wenn du dich genau an die Anleitung hältst. Auch dann wird die Batterie aber so heiß, dass man sie nicht mehr anfassen kann. Versuche das nie mit einem Akku.

Ablauf

Nimm eine Alkaline-Batterie. Benutze auf keinen Fall eine aufladbare Batterie (Akku).

Stecke die Batterie in einen Batteriehalter, der für eine einzelne Batterie geeignet ist und der zwei dünne, isolierte Drähte aufweist, wie in Abbildung 1.32 zu sehen ist. Benutze keinen anderen Batteriehalter.

Verbinde mit einer Krokodilklemme die blanken Enden der Kabel, wie in Abbildung 1.32 gezeigt. Es wird keine Funken geben, da wir nur 1,5 Volt benutzen. Warte eine Minute ab, dann wirst du bemerken, dass die Drähte heiß werden. Warte noch eine Minute, dann wird auch die Batterie heiß sein.

Abbildung 1.33 Stell dir die Spannung als den Druck und die Stromstärke als Fluss vor.

Abbildung 1.34 Ein größerer Widerstand ergibt einen reduzierten Stromfluss, aber wenn du den Druck erhöhst, kann er den Widerstand überwinden und den Fluss vergrößern.

Die Hitze wird durch den Strom erzeugt, der durch die Kabel und das Elek-trolyt (die leitfähige Flüssigkeit) in der Batterie fließt. Wenn du schon einmal mit einer Handpumpe Luft in einen Fahrradschlauch gepumpt hast, weißt du, dass die Pumpe warm wird. Strom verhält sich sehr ähnlich. Man kann sich dies so vorstellen, dass Strom aus kleinen Teilen (Elektronen) besteht, die den Draht erhitzen, während sie hindurchgedrückt werden. Das ist keine perfekte Analogie, aber für unsere Zwecke ausreichend.

Im Inneren der Batterie erzeugen chemische Reaktionen den elektrischen Druck. Der korrekte Name für diesen Druck ist Spannung, die in Volt gemessen wird, benannt nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität.

Kommen wir noch einmal auf die Analogie vom Wasser zurück: Die Höhe der Wassersäule in einem Tank steht in einem Verhältnis zum Wasserdruck und lässt sich mit der elektrischen Spannung vergleichen. Abbildung 1.33 hilft dabei, sich das vorzustellen.

Hintergrundwissen: Warum wurde deine Zunge nicht heiß?

Als du die 9-Volt-Batterie an deine Zunge gehalten hast, konntest du ein Prickeln spüren, aber keine spürbare Hitze. Als du eine Batterie kurzgeschlossen hast, wurde dabei eine deutlich wahrnehmbare Hitze erzeugt, obwohl du sogar mit geringerer Spannung gearbeitet hast. Wie lässt sich das erklären?

Der elektrische Widerstand deiner Zunge ist sehr hoch, was den Fluss der Elektronen reduziert. Der Widerstand eines Drahtes ist sehr niedrig. Wenn also nur ein Draht beide Pole einer Batterie verbindet, fließt ein Strom von höherer Stromstärke hindurch und erzeugt dabei mehr Hitze. Wenn alle anderen Faktoren gleich bleiben, gilt Folgendes:

Ein kleinerer Widerstand ermöglicht, dass ein größerer Strom fließt. (Abbildung 1.34).

Die durch den Strom erzeugte Hitze ist proportional zur Menge des fließenden Stroms (die Stromstärke).

Hier sind noch einige weitere Grundbegriffe:

Der Stromfluss pro Sekunde wird in Ampere gemessen.

Der elektrische Druck, der diesen Fluss verursacht, wird in Volt gemessen.

Der Widerstand gegen diesen Fluss wird in Ohm gemessen.

Ein größerer Widerstand verringert die Stromstärke.

Eine größere Spannung überwindet den Widerstand und erhöht die Stromstärke.

Doch auch die Voltzahl ist nur ein Teilaspekt. Wenn Elektronen durch einen Draht fließen, nennt man diesen Fluss Stromstärke. Die Einheit hierzu ist Ampere, benannt nach einem weiteren Elektrizitätsforscher, André-Marie Ampère. Diese Stromstärke erzeugt die Hitze.

Falls du dich fragst, wie viel Strom genau zwischen den Polen einer Batterie fließt, wenn diese kurzgeschlossen wird, gibt es darauf keine einfache Antwort. Wenn du dein Multimeter benutzt, um nachzumessen, könnte die Sicherung im Messgerät durchbrennen. Du könntest aber deine eigene 3-Ampere-Sicherung benutzen, die wir für dieses Experiment opfern können, weil sie nicht sehr teuer war.

Sieh dir die Sicherung erst einmal ganz genau an. Benutze eine Lupe, falls vorhanden. Im durchsichtigen Fenster in der Mitte solltest du ein ein kleines Sförmiges Teil sehen. Dieses S ist ein dünnes Metallteil, das leicht schmilzt.

Abbildung 1.35 Sobald du beide Drähte anschließt, schmilzt das kleine S-förmige Teil fast sofort.

Abbildung 1.36 Eine 3-Ampere-Sicherung, bevor der Sicherungsdraht durch eine einzelne 1,5-Volt-Batterie geschmolzen wurde.

Abbildung 1.37 Dieselbe Sicherung, nachdem sie durch den elektrische Strom geschmolzen ist.

Nimm die kurzgeschlossene Batterie aus dem Halter. Sie kann nicht mehr verwendet werden und du solltest sie daher zum Recycling abgeben. Setze eine unbenutzte Batterie in den Halter ein und verbinde die Sicherung so, wie in Abbildung 1.35 gezeigt. Sieh sie dir dann noch einmal an. Du müsstest eine Unterbrechung in der Mitte der S-Form sehen, wo das Metall sofort geschmolzen ist. Abbildung 1.36 zeigt die Sicherung, bevor sie angeschlossen wurde und in Abbildung 1.37 siehst du eine durchgebrannte Sicherung. So funktioniert eine Sicherung: Sie schmilzt, um den restlichen Stromkreis zu schützen. Die winzige Unterbrechung in der Sicherung verhindert, dass der Strom fließen kann.

Grundlagen: Spannung

Der elektrische Druck wird in Volt gemessen. Das Volt ist eine internationale Einheit. Ein Millivolt ist 1/1000 eines Volts.

Spannung

Schreibweise

Abkürzung

0,001 Volt

1 Millivolt

1 mV

0,01 Volt

10 Millivolt

10 mV

0,1 Volt

100 Millivolt

100 mV

1 Volt

1000 Millivolt

1 V

Stromstärke

Den elektrischen Fluss messen wir in Ampere. Das Ampere ist eine internationale Einheit, in englischen Texten oft auch nur »amp« genannt. Ein Milliampere ist ein 1/1000 eines Amperes.

Stromstärke

Schreibweise

Abkürzung

0,001 Ampere

1 Milliampere

1 mA

0,01 Ampere

10 Milliampere

10 mA

0,1 Ampere

100 Milliampere

100 mA

1 Ampere

1000 Milliampere

1 A

Hintergrundwissen: Der Erfinder der Batterie

Alessandro Volta (Abbildung 1.38) wurde im Jahre 1745 in Italien geboren, lange bevor die Naturwissenschaften in Fachgebiete aufgeteilt wurden. Nachdem er Chemie studiert (und 1776 Methan entdeckt) hatte, wurde er Professor für Physik und begann, sich für die sogenannte galvanische Reaktion zu interessieren. Ein Beispiel hierfür ist das Zucken eines Froschschenkels, wenn er einem Impuls von statischer Elektrizität ausgesetzt wird.

Mit einem Weinglas voller Salzwasser zeigte Volta, dass die chemische Reaktion zwischen zwei Elektroden, davon eine aus Kupfer, die andere aus Zink, einen gleichmäßigen elektrischen Strom erzeugt. Im Jahre 1800 verbesserte er seine Vorrichtung, indem er Kupfer- und Zinkplatten stapelte und dazwischen in Salzwasser getränkte Pappstücke steckte. Diese »voltasche Säule« war die erste Batterie.

Abbildung 1.38 Alessandro Volta entdeckte, dass chemische Reaktionen Elektrizität erzeugen können.

Grundlagen: Gleichstrom und Wechselstrom

Der Strom, der z.B. von einer Batterie erzeugt wird, wird als Gleichstrom bezeichnet (engl. direct current, DC). Wie beim Wasser aus dem Wasserhahn ist es ein durchgehend fließender Strom in gleichbleibender Richtung.

Der Strom aus einer Steckdose bei dir zuhause unterscheidet sich diesbezüglich. Die so genannte Phase wechselt 50 mal in der Sekunde von positiv zu negativ. (In den USA und einigen anderen Ländern auch 60 mal in der Sekunde.) Dies wird als Wechselstrom bezeichnet (engl. alternating current, AC) und ähnelt eher dem pulsierenden Wasserfluss eines Hochdruckreinigers.

Für einige Zwecke ist Wechselstrom unentbehrlich, z.B. um die Hochspannung über lange Strecken zu führen. Wechselstrom ist auch für Elektromotoren und viele Haushaltsgeräte sinnvoll. Die Bestandteile einer in (West-)Europa üblichen Steckdose sind in Abbildung 1.39 zu sehen. Weltweit sind verschiedene Arten von Steckern und Steckdosen in Gebrauch.

In diesem Buch gehe ich meistens von Gleichstrom aus, und zwar aus zwei Gründen: Erstens werden die meisten einfachen elektronischen Schaltungen mit Gleichstrom betrieben. Zweitens ist das Verhalten von Gleichstrom viel einfacher zu verstehen.

Ich werde nicht immer wieder darauf hinweisen, dass wir mit Gleichstrom arbeiten. Du kannst also davon ausgehen, dass immer Gleichstrom gemeint ist, außer es wird explizit auf etwas anderes hingewiesen.

Abbildung 1.39 In den meisten europäischen Ländern sehen die Steckdosen so aus. Weltweit werden verschiedene Arten von Steckdosen benutzt, aber das Prinzip ist überall dasselbe. Eine der beiden Buchsen (A) führt die »Phase« und liefert einen Strom, der zwischen positiv und negativ wechselt, relativ gesehen zur anderen Buchse (B), die als »neutral« bezeichnet wird. Wenn ein angeschlossenes Gerät einen Defekt hat, z.B. einen losen Anschluss im Inneren, sollte die Spannung über die Erdung (C) abgeleitet werden, so dass der Benutzer immer geschützt ist. In Deutschland werden Steckdosen verwendet, bei denen die Erdung durch einen Schutzleiter erfolgt.

Aufräumen und Weiterverwendung

Die erste Mignon-Batterie, die du kurzgeschlossen hast, wurde vermutlich irreparabel beschädigt. Du solltest sie entsorgen. Batterien gehören nicht in den Hausmüll, weil sie Schwermetalle enthalten, die nicht in die Umwelt gelangen sollten. Du kannst verbrauchte Batterien bei vielen öffentlichen Sammelstellen abgeben, z.B. in vielen Supermärkten.

Die durchgebrannte Sicherung ist nicht mehr verwendbar und kann weggeworfen werden.

Die zweite Batterie, die durch die Sicherung geschützt wurde, müsste in Ordnung sein. Der Batteriehalter wird ebenfalls später noch benutzt.

Experiment 3: Dein erster Stromkreis

Jetzt geht es darum, etwas mit Strom zu tun, dass immerhin ein wenig brauchbar ist. Dafür wirst du jetzt Bauteile einsetzten, die man Widerstände nennt, außerdem eine Lumineszenz-Diode, auch als Leuchtdiode oder LED bezeichnet.

Du brauchst dafür:

1,5-Volt-Mignonbatterien (»AA«). Anzahl: 4

Vierer-Batteriehalter. Anzahl: 1

Widerstände: 470 Ω, 1 kΩ und entweder 2 kΩ oder 2,2 kΩ (der Wert 2,2 kΩ ist viel verbreiteter als 2 kΩ, aber für dieses Experiment ist es egal). Anzahl: Je 1

Eine LED, egal was für eine. Anzahl: 1

Krokodilklemmen. Anzahl: 3

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