Blackbox #6

raus-
geschraubt
ABCD
nichts☀︎☀︎☀︎☀︎
A☀︎
B☀︎
C☀︎
D☀︎
AB
AC☀︎☀︎
AD☀︎☀︎
BC☀︎☀︎
BD☀︎☀︎
CD
☀︎ leuchtet hell
☽ leuchtet schwach
☼ leuchtet nicht
✘ rausgeschraubt
  • Es muss entweder Lampe A oder Lampe B eingeschraubt sein, damit etwas leuchtet.
  • Ebenso: Es muss entweder Lampe C oder Lampe B eingeschraubt sein, damit etwas leuchtet.
  • Wird Lampe A rausgeschraubt, leuchtet Lampe B deutlich heller (und andersrum).
  • Wird Lampe C rausgeschraubt, leuchtet Lampe D deutlich heller (und andersrum).

Die Lampen A und B sind parallel geschaltet. Ebenso sind Lampen C und D parallelgeschaltet. Beide Lampenpaare sind zueinander in Reihe geschalten.

Die Spannung beeinflusst, wie viel Energie von der Lampe gewandelt werden kann. In einer Reihenschaltung verteilt sich die Spannung proportional zum Widerstand. Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung ist kleiner als der kleinste Widerstand in der Schaltung (hier: die Hälfte).

Drei eingeschraubte Lampen: Das bedeutet aber, dass an den beiden parallel geschalteten Lampen (kleiner Gesamtwiderstand) eine deutlich geringere Spannung abfällt als an der einzelnen Lampe. Dadurch leuchtet die einzelne Lampe deutlich heller.

Gegeben: U_0=7 V

R_{Lampe}=17,5 \Omega

Widerstand:

Alle vier Lampen eingeschraubt: Die Gruppen A und B sowie C und D sind jeweils zueinander parallel geschalten. Ihr Widerstand ist:

\frac{1}{R_{AB}} = \frac{1}{R_{CD}}=\frac{1}{R_{Lampe}}+\frac{1}{R_{Lampe}} = \frac{2}{R_{Lampe}}

R_{AB}=R_{CD}=\frac{R_{Lampe}}{2}=\frac{17,5 \Omega }{2}=<span style="font-size: 14px;">8,75 \Omega

Da die beiden Gruppen in Reihe geschalten sind, ist der Gesamtwiderstand:

R_{ges}=R_{AB}+R_{CD}=17,5 \Omega

Eine Lampe entfernt: Die Parallelschaltung einer Gruppe entfällt. Hat diese Gruppe den Widerstand der verbleibenden Lampe. Der Gesamtwiderstand ist also (Lampe A entfernt):

R_{ges}=R_B+R_{CD}=17,5 \Omega + 8,75 \Omega = 26,25 \Omega

Spannung: Die Spannung U_0=7 V teilt sich proportional zum Widerstand auf die Gruppen auf. 

Alle vier Lampen eingeschraubt: Über jede Lampe fällt also eine Spannung von

U_{Lampe} = \frac{1}{3} \cdot U_0 = \frac{1}{3} \cdot 7V = 2,33V ab.

Eine der Lampen ausgeschraubt: Über der verbleibenden Lampe der Gruppe (Lampe A rausgeschraubt) fällt eine Spannung von

U_B = \frac{R_B}{R_{ges}} \cdot U_0 = \frac{17,5 \Omega}{26,25 \Omega} \cdot 7V= 4,67 V ab. Die Spannung über den Lampen C und D ist

U_C=U_D=\frac{R_{CD}}{R_{ges}} \cdot U_0 = U_0-U_B = 2,33 V

Stromstärke:

Alle vier Lampen eingeschraubt: Durch alle Lampen fließt der gleiche Strom

I_{Lampe} = \frac{U_Lampe}{R_Lampe}= \frac{2,33V}{17,5 \Omega}=0,13A .

Der Gesamtstrom ist doppelt so groß: I_{ges}=2\cdot I_{Lampe} = 2\cdot 0,13A = 0,26 A

Eine der Lampen rausgeschraubt (z.B. Lampe A): Der Strom, der durch Lampe B fließt, teilt sich auf die Lampen C und D auf:

I_B=I_C+I_D = \frac{U_B}{R_{Lampe}} = \frac{4,67 V}{17,5 \Omega}=0,26 A