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Aufgabe

Beleuchtung einer Modelleisenbahn

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Flexon möchte bei seiner Modelleisenbahn zwei Glühlampen (Betriebsdaten für eine Glühlampe 1,5V / 10mA) installieren. Sie sollen gleich hell leuchten. Zum Betreiben der Glühlampen hat er aber nur eine 4,5V-Batterie zur Verfügung.

a)Was muss er tun, damit er mit der 4,5V-Batterie die Glühlampen betreiben kann? In seiner Bastelkiste hat er nur noch 100Ω-Widerstände zur Verfügung. Kann er hiermit den Stromkreis so abändern, dass auch genau jeweils 10mA durch jede Glühlampe fließen? Zeichne einen Schaltplan und führe die für die Begründung notwendigen Rechnungen durch.

b)Diskutiere das Ergebnis von Teilaufgabe a) auch energetisch.

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Für die Aufgabe gibt es mehrere Lösungsmöglichkeiten, da die beiden Glühlampen in Serie oder parallel geschaltet werden können. In jedem Fall muss man mit Vorwiderständen arbeiten, damit die Glühlampen beim Anschluss an die 4,5V-Batterie nicht zerstört werden. Im Weiteren werden drei Lösungsmöglichkeiten vorgestellt.

Serienschaltung Parallelschaltung
a) Berechnung der Vorwiderstände

Durch den Vorwiderstand fließt - wie durch die Glühlampen - der Strom von 10mA. Aufgrund der Spannungsteilung muss an dem Vorwiderstand die Spannung 1,5V abfallen. Somit gilt: \[R_{v,1}= \frac{1,5}{10 \cdot 10^-3} \frac{\rm{V}}{\rm{A}} = 1,5 \cdot 10^2 \rm{\Omega} \]Der Widerstandswert von 150Ω lässt sich aus 100Ω-Widerständen wie folgt herstellen:

Durch den Vorwiderstand muss der Strom 20mA fließen. Aufgrund der Spannungsteilung muss am Vorwiderstand die Spannung 3,0V abfallen. Somit gilt \[R_{v,2}= \frac{3}{20 \cdot 10^-3} \frac{\rm{V}}{\rm{A}} = 1,5 \cdot 10^2 \rm{\Omega} \]Der Widerstandswert von 150Ω lässt sich aus 100Ω-Widerständen wie folgt herstellen:

Durch jeden der Vorwiderstände muss der Strom 10mA fließen. Aufgrund der Spannungsteilung muss an jedem der beiden Vorwiderstände die Spannung 3,0V abfallen. Somit gilt \[R_{v,3}= \frac{3,0}{10 \cdot 10^-3} \frac{\rm{V}}{\rm{A}} = 3,0 \cdot 10^2 \rm{\Omega} \]Der Widerstandswert von 300Ω lässt sich aus 100Ω-Widerständen durch Serienschaltung von drei Einzelwiderständen herstellen:

b) Berechnung der Leistung, welche der Batterie entnommen wird

\[P_{batt,1}=4,5 \cdot 10 \cdot 10^{-3} \rm{V \cdot A} = 45 \rm{mW} \] \[P_{batt,2}=4,5 \cdot 20 \cdot 10^{-3} \rm{V \cdot A} = 90 \rm{mW} \] \[P_{batt,3}=2 \cdot 4,5 \cdot 10 \cdot 10^{-3} \rm{V \cdot A} = 90 \rm{mW} \]
In allen drei Fällen leuchten die Glühlampen gleichartig, d.h. es wird in allen drei Fällen die gleiche elektrische Leistung in Licht- und Wärmeleistung umgesetzt. Die der Batterie entnommene elektrische Leistung ist dabei im 1. Fall nur halb so groß wie in den Fällen 2 und 3. Somit ist die 1. Schaltung energetisch am günstigsten.

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Elektrische Arbeit und Leistung