Widerstandsnetzwerke II

In der Klasse E haben wir bereits Widerstandsnetzwerke analysiert. Die meisten Aufgaben ließen sich noch recht einfach im Kopf lösen. In der Klasse A wird dieses Thema nun weiter vertieft. Die folgenden Aufgaben erfordern mehrere Rechenschritte bis zur Lösung. Dazu zerlegt man die Aufgabe in einzelne Teilbereiche, die zunächst berechnet und anschließend zusammengeführt werden. Auf diese Weise benötigt man keine komplizierten Formeln und gelangt zuverlässig zum richtigen Ergebnis.

AD106: Wie groß ist die Spannung $U$, wenn durch $R_3$ ein Strom von 1 mA fließt und alle Widerstände $R_1$ bis $R_3$ je 10 kOhm betragen?
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Kurzfassung: Schaltplan mit drei Widerständen: R1 liegt in der oberen Leitung in Serie, danach verzweigt der Strom auf zwei parallele Zweige mit R2 und R3; links ist die Spannung U mit Plus oben und Minus unten angegeben, der Strompfeil I zeigt nach rechts.

Detailbeschreibung: Links verbinden zwei offene Klemmen die obere und untere Sammelschiene; neben der linken Vertikalleitung steht „U“, mit „+“ am oberen Anschluss und „−“ am unteren; ein Pfeil entlang dieser Leitung zeigt nach unten. Auf der oberen Sammelschiene ist links ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „I“. Direkt rechts davon liegt ein rechteckiges Widerstandssymbol mit der Aufschrift „R1“ in Serie. Die obere Leitung führt danach zu einem Knoten (schwarzer Punkt). Von diesem Knoten führt ein senkrechter Zweig nach unten durch einen rechteckigen Widerstand „R2“ zu einem unteren Knoten (schwarzer Punkt) auf der unteren Sammelschiene. Die obere Leitung geht außerdem vom ersten Knoten weiter nach rechts und biegt dann nach unten ab; in diesem rechten Vertikalzweig sitzt ein weiterer rechteckiger Widerstand „R3“, der unten wieder auf die untere Sammelschiene trifft. Die untere Sammelschiene verläuft durchgehend zurück zum linken unteren Anschluss. Sichtbare Beschriftungen: „U“, „+“, „−“, „I“, „R1“, „R2“, „R3“.
AD107: Wie groß ist der Strom durch $R_3$, wenn $U$ = 15 V und alle Widerstände $R_1$ bis $R_3$ je 10 kOhm betragen?
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Kurzfassung: Schaltplan mit drei Widerständen: R1 liegt in der oberen Leitung in Serie, danach verzweigt der Strom auf zwei parallele Zweige mit R2 und R3; links ist die Spannung U mit Plus oben und Minus unten angegeben, der Strompfeil I zeigt nach rechts.

Detailbeschreibung: Links verbinden zwei offene Klemmen die obere und untere Sammelschiene; neben der linken Vertikalleitung steht „U“, mit „+“ am oberen Anschluss und „−“ am unteren; ein Pfeil entlang dieser Leitung zeigt nach unten. Auf der oberen Sammelschiene ist links ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „I“. Direkt rechts davon liegt ein rechteckiges Widerstandssymbol mit der Aufschrift „R1“ in Serie. Die obere Leitung führt danach zu einem Knoten (schwarzer Punkt). Von diesem Knoten führt ein senkrechter Zweig nach unten durch einen rechteckigen Widerstand „R2“ zu einem unteren Knoten (schwarzer Punkt) auf der unteren Sammelschiene. Die obere Leitung geht außerdem vom ersten Knoten weiter nach rechts und biegt dann nach unten ab; in diesem rechten Vertikalzweig sitzt ein weiterer rechteckiger Widerstand „R3“, der unten wieder auf die untere Sammelschiene trifft. Die untere Sammelschiene verläuft durchgehend zurück zum linken unteren Anschluss. Sichtbare Beschriftungen: „U“, „+“, „−“, „I“, „R1“, „R2“, „R3“.
AD108: Welche Leistung tritt in $R_2$ auf, wenn $U$ = 15 V und alle Widerstände $R_1$ bis $R_3$ je 10 kOhm betragen?
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Kurzfassung: Schaltplan mit drei Widerständen: R1 liegt in der oberen Leitung in Serie, danach verzweigt der Strom auf zwei parallele Zweige mit R2 und R3; links ist die Spannung U mit Plus oben und Minus unten angegeben, der Strompfeil I zeigt nach rechts.

Detailbeschreibung: Links verbinden zwei offene Klemmen die obere und untere Sammelschiene; neben der linken Vertikalleitung steht „U“, mit „+“ am oberen Anschluss und „−“ am unteren; ein Pfeil entlang dieser Leitung zeigt nach unten. Auf der oberen Sammelschiene ist links ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „I“. Direkt rechts davon liegt ein rechteckiges Widerstandssymbol mit der Aufschrift „R1“ in Serie. Die obere Leitung führt danach zu einem Knoten (schwarzer Punkt). Von diesem Knoten führt ein senkrechter Zweig nach unten durch einen rechteckigen Widerstand „R2“ zu einem unteren Knoten (schwarzer Punkt) auf der unteren Sammelschiene. Die obere Leitung geht außerdem vom ersten Knoten weiter nach rechts und biegt dann nach unten ab; in diesem rechten Vertikalzweig sitzt ein weiterer rechteckiger Widerstand „R3“, der unten wieder auf die untere Sammelschiene trifft. Die untere Sammelschiene verläuft durchgehend zurück zum linken unteren Anschluss. Sichtbare Beschriftungen: „U“, „+“, „−“, „I“, „R1“, „R2“, „R3“.

In der folgenden Widerstandsschaltung ist ein veränderbarer Widerstand (Potenziometer) eingebaut. Der Widerstandswert kann von $\qty{0}{\kilo\ohm}$ bis auf maximal $\qty{1}{\kilo\ohm}$ verändert werden. Um den Bereich des Eingangswiderstands zu bestimmen müssen wir also zwei Grenzfälle betrachten: Zum einen, wenn der Schleifer des Potenziometers auf $\qty{0}{\ohm}$ steht, zum anderen, wenn er auf $\qty{1}{\kilo\ohm}$ steht. Also quasi zwei Aufgaben in einer.

AD109: In welchem Bereich liegt der Eingangswiderstand der folgenden Schaltung, wenn $R$ alle Werte von 0 Ohm bis 1 kOhm annehmen kann?
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Ein Schaltplan mit drei rechteckigen Widerständen, von denen zwei mit

Die Parallelschaltung von $\qty{100}{\ohm}$ mit $\qty{200}{\ohm}$ (Potenziometer steht auf $\qty{0}{\ohm}$) oder $\qty{100}{\ohm}$ mit $\qty{1,2}{\kilo\ohm}$ (Potenziometer steht auf $\qty{1}{\kilo\ohm}$) ergibt immer einen Wert kleiner als $\qty{100}{\ohm}$. Wenn noch $\qty{200}{\ohm}$ addiert werden, wird er Gesamtwiderstand nicht größer als $\qty{300}{\ohm}$ sein. Es gibt nur eine Lösung, bei der dies erfüllt ist.

Nun untersuchen wir eine Widerstandsschaltung mit 4 Widerständen, die oft verwendet wird. Jeweils zwei Spannungsteiler in Parallelschaltung ergeben eine sogenannte Brückenschaltung. Brückenschaltungen werden z. B. in Widerstandsmessgeräten nach dem Prinzip einer sogenannten Wheatstone Messbrücke angewendet.

AD110: Wenn $\textrm{R}_1$ und $\textrm{R}_3$ je 2,2 kOhm haben und $\textrm{R}_2$ und $\textrm{R}_4$ je 220 Ohm betragen, hat die Schaltung zwischen den Punkten a und b einen Gesamtwiderstand von ...
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Das Bild zeigt einen Schaltplan mit vier Widerständen, die als Rechtecke dargestellt sind. Die Widerstände sind mit R1, R2, R3 und R4 beschriftet. Die Widerstände sind in einer Brückenschaltung angeordnet. Oben rechts ist ein Punkt mit der Bezeichnung

Diese Aufgabe lässt sich auch leicht im Kopf rechnen. Wir haben zwei Parallelschaltungen mit gleichen Widerständen, welche in Reihe geschaltet wurden. Bei gleich großen Widerständen halbieren sich die Widerstandswerte in der Parallelschaltung: $R_1 || R_2 = \qty{1100}{\ohm}$ sowie $R_3 || R_4 = \qty{110}{\ohm}$. Das Ergebnis ist dann nur die Summe der beiden Werte: $R_\mathrm{ges} = \qty{1100}{\ohm} + \qty{110}{\ohm} = \qty{1210}{\ohm}$.


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