Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2009/2010 - Physik 6c

Elektrizitätslehre

• Rückgabe der Klassenarbeit 2 [ Aufgaben | Lösungen ]
• Einführung in die Elektrizitätslehre
  Begriffe: Batterie, Leitung, Lampe, Schalter
  Vorbereitung der Schülerübung

• Einfacher Stromkreis
  
  Ergebnis unserer Schülerversuche
• Die beiden Anschlüsse an der Batterie dürfen niemals direkt miteinander verbunden werden.
  Es muss immer eine Lampe oder ein anderer Energieverbraucher dazwischen geschaltet werden.
• Die Lampe leuchtet nur dann, wenn eine leitende Verbindung zwischen den beiden Polen der Batterie besteht.
  Der Schalter muss also geschlossen sein, damit die Lampe leuchten kann.
• Ein Stromstärke-Messgerät muss immer in den Leitungsverlauf eingebunden sein.
  Man muss die Leitung an einer Stelle öffnen und in diese Lücke das Messgerät schalten.
• Das Stromstärke-Messgerät darf niemals direkt mit den beiden Polen der Batterie verbunden werden.
  Es muss immer eine Lampe oder ein anderer Energieverbraucher dazwischen sein.
• Bei einer "stärkeren" Batterie ("mit mehr Volt"), leuchtet die Lampe heller als bei einer "schwächeren" Batterie ("mit weniger Volt").
• Es ist egal, wo im Stromkreis das Stromstärke-Messgerät eingebaut wird. Immer zeigt es denselben Wert an.
• Die Anordnung/Form der Verbindungsleitungen spielt keine Rolle. Es muss nur ein einzelner direkter Weg von der Batterie zur Lampe und wieder zur Batterie führen.

• Einfacher Stromkreis am Fahrrad
  
  Vom Dynamo, der Energieerzeugungsmaschine am Fahrrad, geht nur ein Kabel zum Fahrlicht (blau in der Zeichnung) und ein Kabel zum Rücklicht (grün in der Zeichnung).
  Die Lampen leuchten beim Fahren, obwohl doch der Stromkreis nicht geschlossen erscheint, weil kein Kabel zum Dynamo zurückführt.
  Wir haben gesehen, dass das zurückführende Kabel durch den Metallrahmen des Fahrrades ersetzt wird.
  Man merkt das genau, wenn das Fahrrad nicht mehr ganz neu ist und sich Rost an den Schreuben bildet, mit denen die Lampen am Fahrrad angebracht sind.
  Rost leitet den Strom nicht und die Lampen leuchten dann nicht mehr.
• Jede Materie, die in unserer Umwelt vorkommt, besteht in ihrem Innersten aus Atome (siehe dazu auch folgenden Link).
  Atome sind sehr kleine Gebilde, die sich mechnisch (z.B. mit dem Hammer) oder durch Hitze nicht zerteilen lassen.
  Ein Atom besteht hauptsächlich aus leerem Raum, in dem negativ geladene Elektronen sind und dessen Mitte sich ein kleienr Atomkern befindet, der fast die ganze Masse des Atoms besitzt.
  Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen.
  Protonen und Neutronen haben etwa die gleiche Masse und sind etwa 2000-mal so schwer wie ein Elektron.
  Hätte ein kugelförmiges Atom einen Durchmesser von 100m, so hätte der Atomkern nur einen Durchmesser von 1cm.
• Bei Metallen können sich die Elektronen leicht vom Atom trennen und sich dann in einem metallischen Leiter frei bewegen.
  Elektronenbewegung in einem Leiter bedeutet elektrischen Stromfluss.
  
  Am Minuspol sind sehr viele negativ geladene Elektronen, währen am Pluspol Elektronen fehlen.
  Die vielen Elektronen am Minuspol stoßen sich gegenseitig ab, wodurch die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol gedrückt werden.
  Gleichzeitig ziehen die positiven Ladungen am Pluspol die negativen Elektronen an, sodass die Elektronen dadurch auch zum Pluspol gedrängt werden.
  Elektronen bewegen sich also vom Minuspol zum Pluspol.
  Man sagt aber, dass der elektrische Strom vom Pluspol zum Minuspol fließt.

• Gute und schlechte Leiter
  Ihr habt mit einem Messgerät (Ohm-Meter, Anzeige von 0 [sehr guter Leiter] bis 1 [sehr schlechter Leiter]) die verschiedensten Materialien daraufhin untersucht, ob sie den elektrischen Strom gut oder schlecht leiten.
  Ergebnisse:
• gute Leiter: alle Materialien die aus Metallen bestehen (Scheren, Kugelschreiberminen, Tafel, Fensterhebel, ...)
• schlechte Leiter: Kunststoffe, Holz, Gummi, Glas, Kreide, Stein, Kork, ...
• Eine Mittelstellung nimmt Wasser ein. Wasser leitet den Strom, aber nicht sehr gut.
• Auch der menschliche Körper kann Strom leiten.
  Ihr habt Euren Körperwiderstand gemessen und dabei bemerkt, dass Eure Hände den Strom nicht mehr so gut leiten, wenn sie gewaschen sind.
  Wenn man gegessen hat, viele Gegenstände angefasst hat und auch verschwitzt ist, ist auf den Händen ein Belag der den elektrischen Strom gut leiten kann. Wird dieser Belag abgewaschen, so sinkt die Leitfähigkeit der Haut.
  Zum Schluss haben wir eine Menschenkette gebildet, wobei sich alle von Euch angefasst haben.
  Die erste und die letzte Person in der Reihe haben jeweils einen Pol des Messgerätes angefasst.
  Das Messgerät schlug aus und zeigte, dass eine elektrische Leitung auch durch Menschen hindurch möglich ist.
  Hier ist noch eine Lücke in der Menschenschlange:  
  
  Nun funktioniert es!       

• In einem metallischen elektrischen Leiter bewegen sich Elektronen.
  1 Coulomb (kurz 1C) ist die Ladung, die 6 241 509 629 152 650 000 Elektronen besitzen (in Worten: 6 Trillionen 241 Billiarden 509 Billionen 629 Milliarden 152 Millionen 650 Tausend).
  Die Ladung 1C ist durch die Knallgaszelle geflossen, wenn sich etwa 0,19cm³ Knallgas gebildet hat.
  
  Fließt in einem Leiter die Ladung 1C in 1s durch den Leiterquerschnitt, so hat die Stromstärke den Wert 1A (1 Ampere).
• Festlegung: 
• Aufgabe zur Arbeit in Gruppen:
  
  Eine Schaltung mit 2 Lampen in Parallelschaltung soll aufgebaut werden.
  An den mit x bezeichneten Stellen wird die Stromstärke gemessen.
     
  
  
• Hausaufgabe: Vergleicht die gemessenen Werte! Was fällt auf? Wie sind die Werte zu erklären?

• Auswertung des Versuches aus der letzten Stunde (Parallelschaltung von Lampen)
  Stromstärken in den Verzweigungen und Gesamtstromstärke
  
• Es fällt auf, dass die Summe der Stromstärken in den beiden Verzweigungen (fast) gleich der Gesamtstromstärke ist.
• Die Stromstärken in den Verzweigungen sind gleich, weil gleiche Lampen verwendet wurden.
• Nur in den Gruppen 4 und 5 sind die Stromstärken in den Verzweigungen unterschiedlich, weil die Lampen verschieden waren.
• In einer Reihenschaltung sind die Stromstärken im gesamten Stromkreis gleich, weil sich alle Ladungen durch jeden Teil des Stromkreises bewegen müssen.
  In einer Parallelschaltung ist die Gesamtstromstärke so groß wie die Summe der einzelnen Stromstärken in den Verzweigungen, weil die Ladungsträger bei einer Verzweigung nur einen der möglichen Wege benutzen können.
  
  
• Die Aufgabe, eine Schaltung mit zwei Lichtschaltern zu bauen, mit denen man unabhängig voneinander eine Lampe ein- und ausschalten kann, hat eine Gruppe von Euch lösen können.
  Hier die gefundene Schaltung:

• Schon beim Thema Magnetismus haben wir den Ørstedt-Versuch kennengelernt: 
  Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt um sich herum ein magnetisches Feld, dessen Feldlinien Kreise um den Leiter bilden.
• Heute haben wir versucht, dieses Magnetfeld zu verstärken und in technischen Anwendungen nutzbar zu machen.
• Den Leiter mehrfach legen, also z.B. aufwickeln.
  Der Strom muss dabei aber immer in die gleiche Richtung fließen, da sich sonst die einzelnen Magnetfelder gegenseitig aufheben können.
• Eine Spule benutzen (technisches Gerät, bei dem ein Leiter aufgewickelt wurde, bei uns in der Schule von 300 bis 10000 Windungen).
  Beobachtung: Je mehr Windungen, desto größer ist das Magnetfeld bei gleicher Stromstärke.
• Eine Spule mit Eisenkern benutzen.
  Der Eisenkern wird durch die Spule magnetisiert. Die magnetische Wirkung des Eisenkerns addiert sich zur magnetischen Wirkung der Spule.
  Durch geeignete Eisenkerne kann das Magnetfeld um mehr als das 1000-fache wachsen.
• Anwendungen der elektromagnetischen Wirkung:
• Kran für Schrottteile (Einschalten: Der Magnet haftet an Blechteilen, z.B. Autos; Abschalten: Die Blechteile fallen vom Kran ab).
• Klingel
• Morsetelegraph
• Eine "Klingel" haben einige von Euch aus den vorhandenen Gegenständen gebaut:
  Die lange Metallzungen berührt die obere Stielklemme. Wenn der Strom eingeschaltet wird, zieht der Elektromagnet die Metallzunge an. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen, weil die Metallzunge dann nicht mehr die Stielklemme berührt. Darauf schwingt die Metallzunge nach oben und der ganze Vorgang wiederholt sich. Das Klappern der Metallzunge am Eisenkern hört sich so ein bisschen an wie eine Klingel.
  
  Den Morsetelegraphen bauen wir dann in der nächsten Stunde.
  Lernt doch schon mal das Morsealphabet!

• Wir haben uns intensiv über Gefahren unterhalten, die bei Umgang mit elektrischem Strom bestehen.
• Schützen kann man sich gegen Gewitter mit Blitzableitern.
  Hier ein Bild vom Hörnerblitzableiter:
  
  Seht Euch auch das Video der Uni Göttingen dazu an!