Øyvind Nydal Dahl ist seit seiner Kindheit Elektronikamateur – er hat schon immer gern herausgefunden, wie die Dinge funktionieren, um sie dann selber bauen zu können. Er hat Elektronik und Informatik an der Universität von Oslo studiert, wo er einen Master-Abschluss machte, nachdem er seinen eigenen Mikrochip gebaut hatte. Dann war er Mitbegründer der Firma Intelligent Agent, die Sensoren entwickelte, mit denen Roboter durch Wände sehen konnten.
Nach einigen Jahren bei Intelligent Agent fühlte Øyvind sich berufen, der Welt die Elektronik näherzubringen. Er hält Workshops ab, entwickelt Kurse und schreibt über Elektronik und Technologie für die verschiedensten Verbreitungsmedien. Er postete Hunderte von Artikeln, Tutorials und Videos auf seinem Blog (http://www.build-electronic-circuits.com/) und betreut Ohmify (http://ohmify.com/), eine Site, um Elektronik unterhaltsam und leicht lernen zu können (Anmeldung erforderlich).
John Hewes begann bereits in frühem Alter, elektrische Schaltungen zusammenzubauen, und ging dann als Teenager dazu über, ganze Elektronikprojekte zu realisieren. Später studierte er Physik, und mit seinem zunehmenden Interesse an der Elektronik half er Schülern bei ihren Projekten, während er als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig war.
John hat in Großbritannien Elektronik und Physik für Fortgeschrittene gelehrt und einen Schulelektronikclub für Kinder und Jugendliche im Alter von 11 bis 18 Jahren geleitet. Zur Unterstützung des Clubs hat er die Website http://www.electronicsclub.info/ eingerichtet. Er ist der Überzeugung, dass jeder in der Lage ist, elektronische Projekte aufzubauen, unabhängig von Alter oder Fertigkeiten.
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Experimente mit Elektrizität und Stromkreisen
Øyvind Nydal Dahl
Übersetzung: Frank Langenau, Chemnitz
Lektorat: Dr. Michael Barabas
Fachkorrektor: John Hewes
Copy-Editing: Annette Schwarz, Ditzingen
Satz: Ulrich Borstelmann, Dortmund
Herstellung: Susanne Bröckelmann
Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de
Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
ISBN:
Print 978-3-86490-416-5
PDF 978-3-96088-096-7
ePub 978-3-96088-097-4
mobi 978-3-96088-098-1
1. Auflage 2017
Translation Copyright für die deutschsprachige Ausgabe © 2017 dpunkt.verlag GmbH
Wieblinger Weg 17
69123 Heidelberg
Copyright © 2016 by Øyvind Nydal Dahl.
Title of English-language original: Electronics for Kids, ISBN 978-1-59327-725-3, published by No Starch Press.
German-language edition copyright © 2017 by dpunkt.verlag. All rights reserved.
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Einführung
Teil 1: Spielen mit Elektrizität
Kapitel 1: Was ist Elektrizität?
Kapitel 2: Dinge mit Elektrizität und Magneten bewegen
Kapitel 3: Wie Elektrizität erzeugt wird
Teil 2: Schaltungen aufbauen
Kapitel 4: Licht mit LEDs erzeugen
Kapitel 5: Zum ersten Mal – ein Blinklicht!
Kapitel 6: Wir löten!
Kapitel 7: Mit Elektrizität steuern
Kapitel 8: Ein Musikinstrument bauen
Teil 3: Die digitale Welt
Kapitel 9: Wie Schaltkreise Nullen und Einsen verarbeiten
Kapitel 10: Schaltungen, die Entscheidungen treffen
Kapitel 11: Schaltungen, die Informationen speichern
Kapitel 12: Lass uns spielen!
Zum Nachschlagen
Index
Vorwort
Danksagungen
Einführung
Über dieses Buch
Wer dieses Buch lesen sollte
Wie du dieses Buch am besten liest
Was enthält dieses Buch?
Dein Elektroniklabor
Nützliche Materialien und Hilfsmittel
Sicherheit geht vor!
Teil 1: Spielen mit Elektrizität
Kapitel 1: Was ist Elektrizität?
Projekt #1: Ein Licht einschalten!
Einkaufszettel
Schritt 1: Die Glühlampe untersuchen
Schritt 2: Die Glühlampe mit der Batterie verbinden
Wie bringt Elektrizität eine Glühlampe zum Leuchten?
Was ist ein Elektron?
Spannung treibt Elektronen an
Strom fließt
Widerstand verringert den Strom
Die Glühlampe zum Leuchten bringen
Was hat ein Stromkreis mit einem Röhrensystem gemeinsam?
Der Schalter
Projekt #2: Einbruchsalarm
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Gibt der Summer ein Signal ab?
Schritt 2: Die Aluminiumfolie vorbereiten
Schritt 3: Die Tür mit Folie versehen
Schritt 4: Einen Auslösedraht vorbereiten
Schritt 5: Summer und Auslösedraht anschließen
Schritt 6: Summer und Auslösedraht montieren
Schritt 7: Eine Energiequelle hinzufügen
Schritt 8: Einen Einbruchsalarm inszenieren!
Schritt 9: Und wenn der Einbruchsalarm nicht funktioniert?
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 2: Dinge mit Elektrizität und Magneten bewegen
Wie Magneten funktionieren
Probiere es aus: Suche dir magnetische Objekte!
Der Elektromagnet
Projekt #3: Einen Elektromagneten bauen
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Die Schraube überprüfen
Schritt 2: Die Isolierung von einem Ende des Spulendrahtes entfernen
Schritt 3: Den Draht aufwickeln
Schritt 4: Den Minuspol der Batterie mit der Spule verbinden
Schritt 5: Den Schalter anschließen
Schritt 6: Deinen Super-Elektromagneten testen
Schritt 7: Was ist, wenn der Elektromagnet nicht funktioniert?
Der Elektromotor
Projekt #4: Einen Motor bauen
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Den Rotor bauen
Schritt 2: Das Gestell des Motors bauen
Schritt 3: Die Magneten platzieren
Schritt 4: Einen Teil der Spule wieder isolieren
Schritt 5: Den Motor in Gang bringen
Schritt 6: Was tun, wenn der Motor nicht funktioniert?
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 3: Wie Elektrizität erzeugt wird
Elektrizität mit Magneten erzeugen
Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt Elektrizität
Wie funktioniert ein Generator?
Elektrizität aus Wasser- oder Windkraft erzeugen
Das Multimeter
Wie man die Spannung misst
Was sind AC und DC?
Projekt #5: Einen Schüttelgenerator bauen
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Das Kunststoffrohr vorbereiten
Schritt 2: Die Spule wickeln
Schritt 3: Das Multimeter anschließen
Schritt 4: Schütteln, bitte!
Schritt 5: Was ist, wenn keine Spannung entsteht?
Wie funktionieren Batterien?
Was enthält eine Batterie?
Probiere es aus: Einen Motor als Generator verwenden
Die Chemie von Batterien
Was bestimmt die Spannung einer Batterie?
Projekt #6: Ein Licht mit Zitronenkraft einschalten
Die Leuchtdiode (LED)
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Die Drähte vorbereiten
Schritt 2: Elektroden in eine Zitrone einführen
Schritt 3: Vier Zitronenbatterien erzeugen
Schritt 4: Die Zitronen in Reihe verbinden
Schritt 5: Die Zitronenbatterie testen
Schritt 6: Was tun, wenn das Zitronenlicht nicht funktioniert?
Probiere es aus: Andere Batterien aus Nahrungsmitteln!
Was kommt als Nächstes?
Teil 2: Schaltungen aufbauen
Kapitel 4: Licht mit LEDs erzeugen
Der Widerstand
Farbcodierung von Widerständen
Wie man große Werte schreibt
Woraus bestehen Widerstände?
Widerstände wirken auf Strom und Spannung
Das Ohmsche Gesetz – eine Einführung
Projekt #7: Zerstören wir eine LED!
Einkaufszettel
Schritt 1: Die Anschüsse einer LED identifizieren
Schritt 2: Zerstöre diese LED!
Schritt 3: Was ist, wenn mit der LED nichts passiert?
Wie man eine LED richtig verwendet
Die LED mit einem Widerstand schützen
Wie man kleine Werte schreibt
Den erforderlichen Widerstand berechnen
Projekt #8: Eine LED betreiben
Einkaufszettel
Schritt 1: Widerstand und LED miteinander verbinden
Schritt 2: Den Batterieclip verdrahten
Schritt 3: Es werde Licht!
Schritt 4: Was tun, wenn die LED nicht funktioniert?
Schaltungen auf einem Steckboard aufbauen
Wie man Bauelemente und Drähte verbindet
Drähte für ein Steckboard
Projekt #9: Deine erste Steckboard-Schaltung
Einkaufszettel
Schritt 1: Den Widerstand platzieren
Schritt 2: Die LED platzieren
Schritt 3: Den Batterieclip platzieren
Schritt 4: Was tun, wenn das nicht funktioniert?
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 5: Zum ersten Mal – ein Blinklicht!
Der Kondensator
Wie Kondensatoren arbeiten
Gepolte und ungepolte Kondensatoren
Kondensatorwerte
Projekt #10: Einen Kondensator testen
Einkaufszettel
Schritt 1: Mit der LED-Schaltung beginnen
Schritt 2: Den Kondensator hinzufügen
Schritt 3: Den Kondensator laden
Schritt 4: Der Kondensator lässt die LED leuchten
Schritt 5: Was ist, wenn die Schaltung nicht funktioniert?
Schaltungen mit Symbolen beschreiben
Das Relais
Mit dem Relais ein Blinklicht bauen
Die Blinkgeschwindigkeit verringern
Projekt #11: Ein Blinklicht!
Einkaufszettel
Schritt 1: Die Anschlüsse des Relais identifizieren
Schritt 2: Das Relais schnell schalten lassen
Schritt 3: Den Ein-Zustand des Relais verlängern
Schritt 4: Den Aus-Zustand des Relais verlängern
Schritt 5: LED und Widerstand hinzufügen
Probiere es aus: Die Alarmanlage wirksamer machen
Schritt 6: Was tun, wenn die LED nicht blinkt?
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 6: Wir löten!
Wie man lötet
Tipps zur Sicherheit beim Löten
Den Lötkolben anheizen
Tipp zum Reinigen des Lötkolbens
Tipp zum Verzinnen der Lötspitze
Sowohl den Pin als auch die Lötstelle erwärmen
Lötzinn zugeben
Den Lötkolben entfernen
Achte auf schlechte Lötverbindungen!
Projekt #12: Deine erste LED-Schaltung löten
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Die Bauelemente platzieren
Schritt 2: Die Bauelementeanschlüsse biegen
Wie die Platinendarstellungen zu interpretieren sind
Schritt 3: Den Lötkolben heizen und säubern
Schritt 4: Den Widerstand und die LED einlöten
Schritt 5: Die Anschlüsse kürzen
Schritt 6: Den Batterieclip anlöten
Schritt 7: Es werde Licht!
Schritt 8: Was ist, wenn die gelötete LED-Schaltung nicht funktioniert?
Hoppla! Wie entferne ich ein gelötetes Bauelement?
Projekt #13: Den Batterieclip entlöten
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Den Lötkolben anheizen
Schritt 2: Die Entlötlitze auf die Lötstelle legen
Schritt 3: Lötstelle und Lötlitze erwärmen
Schritt 4: Die benutzte Entlötlitze kürzen
Schritt 5: Den anderen Draht des Batterieclips entfernen
Probiere es aus: Mehr Lötpraxis!
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 7: Mit Elektrizität steuern
Der Transistor
Warum verwendet man einen Transistor?
Wie der Transistor arbeitet
Eine LED mit einem Transistor ansteuern
Projekt #14: Eine Schaltung, die auf Berührungen reagiert
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Bauelemente auf der Lochrasterplatine platzieren
Schritt 2: Die Anordnung der Bauelemente überprüfen
Schritt 3: Bauelemente verlöten und überstehende Anschlüsse kürzen
Schritt 4: Das Touchpad löten
Schritt 5: Einschalten!
Schritt 6: Den Sensor testen
Schritt 7: Was, wenn der Berührungssensor nicht funktioniert?
Probiere es aus: Kann der Berührungssensor verschiedene Berührungen erkennen?
Widerstände, die ihren Wert ändern können
Das Potenziometer
Der Fotowiderstand
Eine Spannung mit Widerständen teilen
Wie sieht ein Spannungsteiler aus?
Die Spannungen eines Spannungsteilers berechnen
Wie ein Spannungsteiler helfen kann, Licht zu messen
Projekt #15: Einen Sonnenaufgangsalarm bauen
Einkaufszettel
Werkzeuge
Schritt 1: Die Bauelemente auf der Lochrasterplatine platzieren
Schritt 2: Die Bauelemente löten und die Anschlüsse kürzen
Schritt 3: Den Summer auf der Platine befestigen
Schritt 4: Die restlichen Verbindungen mit Drähten herstellen
Schritt 5: Den Batterieclip auf die Platine löten
Schritt 6: Einen Weckruf einrichten
Schritt 7: Was ist, wenn kein Ton zu hören ist?
Probiere es aus: Temperaturgesteuerter Lüfter
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 8: Ein Musikinstrument bauen
Der integrierte Schaltkreis (IC)
ICs und Datenblätter
Wie sich Schall mit Elektrizität erzeugen lässt
Töne, die der Mensch hören kann
Der 555-Timer
Die Betriebsspannung für einen IC
Die Ausgangsfrequenz des 555-Timers einstellen
Projekt #16: Eigene Töne mit dem 555-Timer erzeugen
Einkaufszettel
Schritt 1: Den 555-Timer auf dem Steckboard platzieren
Schritt 2: Die Frequenz einstellen
Schritt 3: Lautsprecher und Koppelkondensator anschließen
Schritt 4: Die Pins für Betriebsspannung und Reset verbinden
Schritt 5: Töne erzeugen!
Verbindungen im Team überprüfen
Schritt 6: Was ist, wenn kein Ton zu hören ist?
Ein nerviges Piepen in Musik umwandeln
Projekt #17: Ein Instrument, das Töne erzeugt
Einkaufszettel
Schritt 1: Den 555-Timer und die Kondensatoren anschließen
Schritt 2: Steckbrücken verbinden
Schritt 3: Einsteller für Tonhöhe und Widerstand einbauen
Schritt 4: Den »Ein«-Taster hinzufügen
Schritt 5: Den Lautsprecher hinzufügen
Schritt 6: Ein wenig musizieren!
Schritt 7: Was ist, wenn das Instrument nicht funktioniert?
Probiere es aus: Ein bewegungsgesteuertes Instrument bauen
Was kommt als Nächstes?
Teil 3: Die digitale Welt
Kapitel 9: Wie Schaltkreise Nullen und Einsen verarbeiten
Einsen und Nullen als Spannungen
Das binäre Zahlensystem
Projekt #18: Binärzahlen in Dezimalzahlen konvertieren
Werkzeuge
Schritt 1: Die Zahl zu Papier bringen
Schritt 2: Die Stellenwerte aufschreiben
Schritt 3: Den Wert jeder Ziffer ermitteln
Probiere es aus: Noch mehr Binärzahlen umwandeln
Schritt 4: Die Zahlen addieren
Bits und Bytes
Zahlen können alles Mögliche sein
Projekt #19: Farben erraten
Die RGB-LED
Einkaufszettel
Schritt 1: Die Taster für die Farbenauswahl platzieren
Schritt 2: Die RGB-LED verbinden
Schritt 3: Den Taster für die Farbenanzeige verbinden
Schritt 4: Die Farben testen
Probiere es aus: Löte die Schaltung für das Farben-Rate-Spiel
Schritt 5: Was ist, wenn das Spiel nicht funktioniert?
Wie man Wörter mit Binärzahlen darstellt
Projekt #20: Die Geheimnachrichtenmaschine
Der DIP-Schalter
Einkaufszettel
Schritt 1: Den Taster anschließen
Schritt 2: Den DIP-Schalter anschließen
Schritt 3: Die LEDs verbinden
Schritt 4: Eine geheime Nachricht senden!
Schritt 5: Was ist, wenn die Geheimnachrichtenmaschine nicht funktioniert?
Warum Computer Einsen und Nullen verwenden
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 10: Schaltungen, die Entscheidungen treffen
Es ist nur logisch
Die Logikgatter
AND-Gatter prüfen auf zwei wahre Eingänge
OR-Gatter prüfen auf einen wahren Eingang
NOT-Gatter negieren den Eingang
Ein größeres AND-Gatter
Wie man Logikschaltpläne zeichnet
Eine Logikgleichung für einen Geheimcode
Eine Logikgleichung in einen Schaltplan umwandeln
Probiere es aus: Zeichne weitere logische Aussagen als Schaltung
Logische Gatter in der Praxis verwenden
Mehr über Strom, Bauelemente und Transistoren
Projekt #21: Ein Geheimcodetester
Einkaufszettel
Werkzeuge
Wie man andere Spannungen für ein Steckboard verwendet
Schaltungen zuverlässiger machen
Schritt 1: Die Schalter und Widerstände platzieren
Schritt 2: Die ICs platzieren
Schritt 3: Den Transistor und die LED platzieren
Schritt 4: Die Logikschaltung aufbauen
Schritt 5: Den Transistor fertig verdrahten
Deine Bauelemente schützen
Schritt 6: Den Geheimcodetester mit Spannung versorgen und testen
Schritt 7: Was ist, wenn die LED nicht leuchtet?
Probiere es aus: Deinen Einbruchsalarm deaktivieren
Invertierende Logikgatter
NAND sucht nach einer falschen Eingabe
NOR sucht nach zwei falschen Eingängen
Was kommt als Nächstes?
Kapitel 11: Schaltungen, die Informationen speichern
Ein Bit speichern
Eine bessere Speicherschaltung
Speicher, der sich nur zu einem bestimmten Zeitpunkt ändert
Ein Ausgang, der umschaltet
Projekt #22: Ein elektronisches Münzwurfspiel
Einkaufszettel
Schritt 1: Die Schwingschaltung aufbauen