Kirchhoffsche Regeln
Lehrpläne: AP2, APC, A-level, 2de, Sek II
Ziel¶
Überprüfen Sie die erste und die zweite Kirchhoffsche Regel in einem Stromkreis mit zwei Spannungsquellen.
Aufbau¶
Oben eine Spannungsquelle mit 6 V, ein Amperemeter und ein Widerstand von 100 Ω; unten eine Spannungsquelle mit 3 V, ein Amperemeter, ein Widerstand von 220 Ω und ein dritter Zweig – ein Amperemeter und ein Widerstand von 330 Ω. Die Zweige treffen sich im Knoten A und kehren über den Knoten B (Sammelschienen) zu den Minuspolen der Quellen zurück.
Durchführung¶
- Notieren Sie die Messwerte der drei Amperemeter. Das Amperemeter der unteren Quelle ist so angeschlossen, dass es den Strom anzeigt, der von der Seite des Knotens A in die 3-V-Quelle fließt.
- Überprüfen Sie die erste Regel für den Knoten A: Der von der 6-V-Quelle kommende Strom teilt sich auf die beiden anderen Zweige auf, \(I_1 = I_2 + I_3\).
- Berechnen Sie die Spannungen an den Widerständen, \(U = I \cdot R\), und überprüfen Sie die zweite Regel für jede Masche.
- Stellen Sie an der unteren Quelle 6 V ein und wiederholen Sie die Messungen.
Erwartetes Ergebnis
\(I_1\) ≈ 18,0 mA, \(I_2\) ≈ 5,4 mA, \(I_3\) ≈ 12,7 mA; 5,4 + 12,7 ≈ 18,0 mA. Der Strom \(I_2\) fließt in die 3-V-Quelle, entgegen ihrer Quellenspannung: Die stärkere 6-V-Quelle lädt sie. Die Masche mit der 6-V-Quelle: 1,80 V + 4,18 V ≈ 6 V. Die Masche mit der 3-V-Quelle und dem 330-Ω-Widerstand: 3 V + 1,19 V an 220 Ω ≈ 4,18 V an 330 Ω. Mit 6 V an der unteren Quelle kehrt der Strom in ihrem Zweig seine Richtung um, und das Amperemeter zeigt etwa −4,7 mA; \(I_1\) ≈ 10,3 mA, \(I_3\) ≈ 15,0 mA, und wieder gilt \(I_1 = I_2 + I_3\).
Fragen¶
- Warum fließt der Strom durch die 3-V-Quelle entgegen ihrer Quellenspannung?
- Bei welcher Spannung der unteren Quelle wird die Stromstärke in ihrem Zweig null?
Antworten
- Die 6-V-Quelle hält den Knoten A etwa 4,18 V über dem Knoten B: Das ist die Spannung am 330-Ω-Widerstand. Sie ist höher als die Quellenspannung der unteren Quelle von 3 V, daher treibt die Differenz, etwa 1,2 V am 220-Ω-Widerstand, etwa 5,4 mA von A in den Pluspol der 3-V-Quelle.
- Die Stromstärke ist null, wenn am 220-Ω-Widerstand keine Spannung liegt, also wenn die Spannung der unteren Quelle gleich der Spannung am Knoten A ist. Bei \(I_2 = 0\) treibt die 6-V-Quelle \(I_1 = I_3\) durch 100 Ω und 330 Ω in Reihe, und A liegt auf 6 V · 330 / 430 ≈ 4,6 V, daher muss die untere Quelle auf etwa 4,6 V eingestellt werden.