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Elektrische Spannung - Physik

Fach: Physik | Klasse: 9 | Thema: Elektrische Spannung

Einleitung

Die elektrische Spannung gibt an, wie stark elektrische Ladungen angetrieben werden. Ihr Formelzeichen ist U. Ihre Einheit ist Volt, kurz V.

Eine Spannung besteht immer zwischen zwei Punkten. Eine Batterie hat zum Beispiel einen Pluspol und einen Minuspol. Zwischen diesen Polen liegt eine Spannung.

Im Wassermodell ähnelt die Spannung einem Druckunterschied: Ein großer Druckunterschied kann Wasser stark antreiben. Eine große elektrische Spannung kann Ladungen stark antreiben. Das Modell hilft beim Verstehen, ist aber nicht in allen Punkten mit einem Stromkreis gleichzusetzen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du die elektrische Spannung erklären, ihre Einheit nennen, einfache Spannungen vergleichen und ein Voltmeter richtig anschließen.

Spannung als Energieunterschied

Elektrische Spannung beschreibt, wie viel Energie pro elektrischer Ladung übertragen werden kann.

Formel:

$U = \frac{W}{Q}$

Dabei bedeutet:

U: elektrische Spannung in Volt
W: übertragene Energie in Joule
Q: elektrische Ladung in Coulomb

Beispiel: Werden bei einer Ladung von 2 Coulomb insgesamt 6 Joule Energie übertragen, beträgt die Spannung 3 Volt.

Spannungsquelle und Verbraucher

Eine Spannungsquelle trennt Ladungen. Beispiele sind eine Batterie, ein Akku oder ein Generator.

In einer Spannungsquelle erhalten Ladungen elektrische Energie.

Animation einer elektrischen Spannungsquelle

Ein Verbraucher wandelt elektrische Energie um. Eine Lampe erzeugt zum Beispiel Licht und Wärme.

Animation eines elektrischen Verbrauchers

Die folgende Animation zeigt Quelle und Verbraucher zusammen.

Zusammenspiel von Spannungsquelle und Verbraucher

Spannung messen

Die Spannung wird mit einem Voltmeter oder einem Multimeter gemessen.

Ein Voltmeter wird parallel zu dem Bauteil angeschlossen, an dem die Spannung gemessen werden soll. Seine beiden Messleitungen berühren also die zwei Anschlüsse des Bauteils.

Wichtig: Wähle beim Multimeter zuerst einen passenden Messbereich. Achte außerdem auf Gleichspannung und Wechselspannung.

Spannung und Stromstärke unterscheiden

Elektrische Spannung und Elektrische Stromstärke sind verschiedene Größen.

Die Spannung beschreibt den Antrieb der Ladungen. Die Stromstärke beschreibt, wie viel Ladung pro Zeit durch einen Leiter fließt.

Ein Strom kann nur in einem geschlossenen Stromkreis fließen. Eine Spannung kann auch dann vorhanden sein, wenn der Stromkreis offen ist.

Typische Spannungen

Eine einzelne Haushaltsbatterie besitzt häufig etwa 1,5 Volt. Ein Blockakku kann 9 Volt besitzen. An einer USB-Verbindung liegen meist wenige Volt an. Die Netzspannung einer Steckdose beträgt in Deutschland ungefähr 230 Volt.

Sicherheit: Experimente in der Schule werden nur mit ungefährlicher Kleinspannung durchgeführt. Führe niemals eigene Versuche an Steckdosen oder Netzleitungen durch.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die elektrische Spannung? (Den Antrieb elektrischer Ladungen) (!Die Anzahl aller Batterien) (!Die Länge eines Kabels) (!Die Farbe eines Schalters)

Welches Formelzeichen hat die elektrische Spannung? (U) (!I) (!R) (!P)

In welcher Einheit wird die elektrische Spannung angegeben? (Volt) (!Ampere) (!Ohm) (!Watt)

Mit welchem Gerät misst man eine elektrische Spannung? (Voltmeter) (!Amperemeter) (!Thermometer) (!Kraftmesser)

Wie wird ein Voltmeter an einem Bauteil angeschlossen? (Parallel) (!In Reihe) (!Nur am Pluspol) (!Ohne Messleitungen)

Welche Formel beschreibt die Spannung als Energie pro Ladung? (U gleich W geteilt durch Q) (!U gleich Q geteilt durch W) (!U gleich W mal Q) (!U gleich W plus Q)

Zwischen welchen Stellen einer Batterie liegt eine Spannung? (Zwischen Pluspol und Minuspol) (!Nur innerhalb des Pluspols) (!Nur außerhalb der Batterie) (!Zwischen zwei gleichen Kabelstellen)

Was ist bei einem offenen Stromkreis möglich? (Es liegt Spannung an, aber es fließt kein Strom) (!Es fließt immer ein sehr großer Strom) (!Es gibt niemals eine Spannung) (!Die Batterie besitzt keinen Pluspol)

Was unterscheidet Spannung und Stromstärke? (Spannung beschreibt den Antrieb und Stromstärke den Ladungsfluss) (!Spannung und Stromstärke sind genau dasselbe) (!Spannung wird in Ampere gemessen) (!Stromstärke wird in Volt gemessen)

Welche Regel gilt bei Experimenten mit Netzspannung? (Niemals ohne Fachkraft und geeignete Schutzmaßnahmen experimentieren) (!Die Steckdose ist für jeden Schulversuch geeignet) (!Feuchte Hände verbessern die Messung) (!Blankes Metall darf immer berührt werden)

Memory

Spannung	Energie pro Ladung
Volt	Einheit der Spannung
U	Formelzeichen
Voltmeter	Messgerät
Parallelschaltung	Anschlussart des Voltmeters
Batterie	Spannungsquelle

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Aufgabe im Stromkreis
Voltmeter	misst die Spannung
Amperemeter	misst die Stromstärke
Batterie	liefert elektrische Energie
Lampe	wandelt elektrische Energie um
Schalter	öffnet oder schließt den Stromkreis

Kreuzworträtsel

Volt	Wie heißt die Einheit der elektrischen Spannung?
Batterie	Welche Spannungsquelle besitzt meist einen Pluspol und einen Minuspol?
Voltmeter	Welches Messgerät misst die elektrische Spannung?
Parallel	Wie wird ein Spannungsmesser zu einem Bauteil angeschlossen?
Ladung	Welche elektrische Größe wird mit Q bezeichnet?
Potential	Welcher Begriff beschreibt den elektrischen Energiezustand an einem Punkt?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

Leicht

Spannungssymbole: Gestalte eine Lernkarte mit dem Formelzeichen U, der Einheit Volt und dem Zeichen V.
Batterien im Alltag: Suche auf sicheren Batterien oder Akkus nach Spannungsangaben und fotografiere oder notiere drei Beispiele.
Wassermodell: Erkläre in vier einfachen Sätzen, wie ein Druckunterschied beim Wasser die elektrische Spannung veranschaulicht.
Schaltbild: Zeichne eine Batterie, eine Lampe und einen Schalter als einfachen Stromkreis.

Standard

Spannungsmessung: Miss unter Anleitung einer Lehrkraft die Spannung einer Batterie und dokumentiere Messbereich, Polung und Messwert.
Batterievergleich: Vergleiche zwei verschiedene Batterien. Erkläre, was ihre Spannungswerte über den möglichen Energieumsatz pro Ladung aussagen.
Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video zur Frage: Warum wird ein Voltmeter parallel angeschlossen?
Reihenschaltung: Untersuche mit Kleinspannung, wie sich die Teilspannungen an zwei Bauteilen zur Gesamtspannung verhalten.

Schwer

Modellkritik: Erkläre zwei Stärken und zwei Grenzen des Wassermodells für elektrische Spannung.
Messfehler: Entwickle eine Fehlerliste für Spannungsmessungen und formuliere zu jedem Fehler eine passende Verbesserung.
Animation: Gestalte eine kurze Animation, in der Ladungen in einer Spannungsquelle Energie erhalten und in einer Lampe Energie abgeben.
Energie und Ladung: Erfinde drei Rechenaufgaben zur Formel U gleich W geteilt durch Q und gib vollständige Lösungen an.

Lernkontrolle

Modell und Wirklichkeit: Ein Wasserkreislauf besitzt eine Pumpe und ein Wasserrad. Ordne Pumpe, Druckunterschied und Wasserrad passenden Teilen eines Stromkreises zu. Erkläre anschließend eine Grenze dieses Vergleichs.
Fehlersuche: Eine Schülerin schließt ein Voltmeter in Reihe mit einer Lampe an. Erkläre den Fehler und zeichne die richtige Schaltung.
Spannungsanpassung: Ein Gerät ist für 6 Volt gebaut, die vorhandene Quelle liefert 9 Volt. Beurteile die Situation und begründe, warum die Spannungsangabe beachtet werden muss.
Energieübertragung: Eine Ladung von 3 Coulomb gibt in einem Bauteil 12 Joule Energie ab. Berechne die Spannung und erkläre die Bedeutung des Ergebnisses.
Offener Stromkreis: Eine Batterie ist mit einem offenen Schalter verbunden. Begründe, warum zwischen den Polen Spannung messbar ist, obwohl kein Strom durch die Lampe fließt.
Messplanung: Plane eine sichere Untersuchung, mit der Du die Spannungen an zwei Lampen in einer Reihenschaltung vergleichst. Nenne Aufbau, Messstellen und Sicherheitsregeln.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

die elektrische Spannung in eigenen Worten erklären,
Formelzeichen und Einheit sicher nennen,
Spannung und Stromstärke unterscheiden,
ein Voltmeter in einem Schaltbild richtig parallel anschließen,
einfache Aufgaben mit $U = \frac{W}{Q}$ lösen,
Messergebnisse deuten und wichtige Sicherheitsregeln beachten.

OERs zum Thema

Lernbereiche

Elektrizitätslehre: Grundbegriffe zu Spannung, Stromstärke und Widerstand
Stromkreis: Aufbau und Funktion einfacher elektrischer Schaltungen
Elektrische Energie: Übertragung und Umwandlung elektrischer Energie
Messtechnik: Sicherer Umgang mit Voltmeter und Multimeter
Ohmsches Gesetz: Zusammenhang von Spannung, Stromstärke und Widerstand

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