Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2010/2011 - Physik 7c

Elektrizität

• Versuche mit einem Dynamo
  
  Ein Massestück treibt durch seine Gewichtskraft einen Dynamo an.
  Folgende Fälle haben wir beobachtet:
• Im Stromkreis, der durch den Dynamo seinen Strom erhält, befindet sich eine Lampe
  Das Massestück bewegt sich mit mittlerer Geschwindigkeit nach unten.
• Kurzschluss im Stromkreis: Die beiden Kabel werden miteinander verbunden.
  Das Massestück wird so stark gebremst, dass es auf dem Weg nach unten hängen bleibt.
• Die Kabelenden werden offen liegen gelassen.
  Das Massestück bewegt sich mit großer Geschwindigkeit nach unten.
• Je größer die Stromstärke im Stromkreis ist, desto größer muss die Kraft sein, die den Dynamo dreht, damit genügend Energie zur Verfügung steht.
  Beim Kurzschluss ist die Stromstärke sehr groß, so dass die Gewichtskraft der Masse nicht ausreicht, um den Dynamo zu drehen.
  Bei offenen Kabelenden fließt kein Strom. Deshalb wird der Dynamo nicht gebremst und das Massestück kann schnell nach unten gleiten.
• Wir haben gesehen, dass die benötigte Energie in gleicher Weise ansteigt wie die Energiestromdichte.
  Dazu in der nächsten Stunde die dazu gehörige Formel.

• Vergleichstabelle
  
  Beispiel:
  Fließt die Energie E=1000J (1000 Joule) durch ein Gerät mit der Energiestromdichte 100J/s (100 Joule pro Sekunde), so geschieht das in der Zeit t=10s (10 Sekunden).
  Fließt die Wassermenge 1000l (1000 Liter) durch einen Bach mit der Wasserstromstärke 100l/s (100 Liter pro Sekunde), so geschieht das in der Zeit t=10s (10 Sekunden).
• Wir haben festgestellt:
• Die in einer bestimmten Zeit Δt geflossene Energie ΔE ist proportional zur Energiestromdichte P, also ΔE~P.
• Bei einer gleich bleibenden Energiestromdichte P geflossene Energie ΔE ist proportional zur Zeit Δt, also ΔE~Δt.
• Zusammengefasst ergibt sich ΔE~P·Δt.
  Da der Proportionalitätsfaktor 1 ist, kann man auch schreiben ΔE=P·Δt.
• Anmerkung: Das Δ kann man im Schreibprogramm (OpenOffice.org) unter "Einfügen > Sonderzeichen" unter "Basis Griechisch" finden.
  Im Formeleditor schreibt man %DELTA (Großbuchstaben beachten!).
  Die ganze Formel schreibt man so: %DELTA E = P cdot %DELTA t
• Steht in der Tabellenkalkulation in A1 der Wert von ΔE, in B1 der Wert von P und in C1 der Wert von Δt, so kann man bei Kenntnis von zwei Werten den dritten Wert berechnen:
• Sind P und Δt bekannt, so ergibt sich ΔE durch die Formel  =B1*C1
• Sind ΔE und Δt bekannt, so ergibt sich P durch die Formel  =A1/C1
• Sind ΔE und P bekannt, so ergibt sich Δt durch die Formel  =A1/B1

• Aufgaben zur Formel ΔE=P·Δt.
  Zur Umrechnung von kWh in MJ:
  Es gilt 1Ws=1J (1 Watt mal Sekunde = 1 Joule)
  Eine Stunde (h) besteht aus 60 Minuten und jede Minute aus 60 Sekunden, d.h. 1 Stunde besteht aus 60·60 Sekunden gleich 3600 Sekunden.
  Damit ergibt sich die Gleichung 1Wh=3600J=3,6kJ.
  1kWh (Kilo-Watt-Stunde) ist 1000 mal so viel wie 1Wh.
  Also gilt 1kWh=1000·3,6kJ=3600kJ=3,6MJ (Mega-Joule)
  Um also von kWh in MJ umzurechnen, muss man mit 3,6 multiplizieren und umgekehrt muss man, um von MJ zu kWh zu kommen, durch 3,6 dividieren.

• Grundlagen zur Elektrizitätslehre
• In elektrischen Leitern bewegen sich Elektronen, punktförmige Teilchen mit negativer Ladung.
  Wir haben gesehen, wie sich im Lauf der Zeit die Vorstellungen von Atomen (Atommodelle) mit ihren positiven Protonen und den neutralen Neutronen im Atomkern und den negativen Elektronen in der Atomhülle entwickelt haben.
• Versuch zum Begriff Ladung
  
  Wir haben Kunststoffstäbe, Glasstäbe und einen Porzellanstab gerieben und auf ein Drehgestellt gelegt.
  Ein weiterer geriebener Stab wurde dann in die Nähe des drehbaren Stabes gebracht.
  Wir sahen: 2 Glasstäbe stoßen sich ab, 2 Kunststoffstäbe ziehen sich an.
  Unter der Voraussetzung, dass Elektrizität dafür verantwortlich ist, haben wir geschlossen, dass es zwei verschiedene Ladungsarten gibt (die man positiv + und negativ - nennt) und für die gilt:
  Gleiche Ladungen stoßen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an.
• Man kann Ladung mit einem "Ladungslöffel" (=Metallplatte an Kunststoffstab) transportieren.
  Auf ein Elektroskop gebracht, kann man sogar die Menge der Ladung bestimmen.
  
  Links ein altes Exemplar, das man sogar zu Hause nachbauen könnte: An einem Metallstab ist ein Blättchen Aluminiumfolie befestigt.
  Wird Ladung auf das Elektroskop gebracht, stoßen sich diese gleichen Ladungen ab und damit wird auch das Aluminiumplättchen von der Stange abgestoßen, es steht dann schräg.
  Rechts ein neueres Elektroskop mit einer leichten Metallnadel, die drehbar an der Metallstange angebracht ist.
• Wir haben mehrere Anwendungen kennen gelernt, bei denen man die Anziehung und Abstoßung von Ladungen nutzt.
  2. Beispiele:
• Glockenspiel
  
  Die äußeren Glocken sind von der inneren Glocke elektrisch isoliert angebracht.
  Wird unterschiedliche Ladung auf die äußeren Glocken und die innere Glocke gebracht, pendeln kleine aufgehängte Metallkügelchen zwischen den Glocken hin und her (sie erhalten bei jeder Berührung mit den Glocken neue Ladung) und es erklingt ein Läuten.
• Spitzenrad
  
  Ein Pol der Influenzmaschine ist geerdet, der andere Pol wird mit einem Spitzenrad verbunden.
  Wird die Influenzmaschine betrieben, so fängt das das Spitzenrad an sich zu drehen.
  Die Ladungen werden von den Spitzen des Rades abgestoßen und der Rückstoß treibt das Rad an.

• Zu Beginn der Stunde haben wir noch einmal über Atome gesprochen.
  Es trat folgende Frage auf:
  Wenn die Atome kleine Kugeln sind, was ist dann in dem Raum zwischen den Kugeln?
  Zwischen den Kugeln ist Vakuum, leerer Raum, dort ist nichts.
  Aber auch im Atom selbst ist der meiste Raum leer.
  In der Mitte ist der Atomkern, der fast die ganze Masse des Atoms besitzt.
  Drumherum sind Elektronen, die aber punktförmig sind (man hat noch keine Ausdehnung eines Elektrons messen können).
  Der Raum, in dem sich die Elektronen aufhalten können, ist etwa so geformt wie eine Kugel, und diese gedachte Kugel mitsamt seinem Inhalt nennt man Atom.
  Wäre der Atomkern so groß wie ein Fingernagel, dann wäre der vom Atomkern und den Elektronen eingenommene Raum so groß wie eine Kugel, die einen Durchmesser von 100m besitzt.
• Das Spitzenrad dreht sich, weil die Ladungen auf dem Rad sich gegenseitig abstoßen.
  
  An den Spitzen sitzen die Ladungen dichter als an den anderen Stellen und stoßen sich deshalb stärker ab.
  Von den Spitzen bewegen sich also Ladungen weg und drehen das Rad durch den Rückstoß.
• Faraday-Becher
  
  Bringt man mit der Konduktorkugel (=Ladungslöffel, Kugel an Isolierstiel) Ladungen in den Akuminiumbecher, so kann man diese anschließend nicht wieder aus dem Becher herausholen.
  Wenn man dann mit der Konduktorkugel das Innere des Bechers berührt und anschließend die Konduktorkugel an das Elektroskop hält, zeigt dieses kein Ausschlagen des Zeigers.
  Berührt man aber den Becher mit dem Ladungslöffel von außen und hält den Ladungslöffel dann an das Elektroskop, zeigt dieses einen Ausschlag.
  Die Ladungen sammeln sich also am Becher an der Außenwand. Grund: Die (gleichen) Ladungen stoßen sich gegenseitig ab und sammeln sich so weit wie möglich voneinander entfernt.
• Ein geschlossener Metallbecher oder besser Metallkäfig hat also die Eigenschaft, dass sich Ladungen nur außen sammeln können.
  Im Innern ist man geschützt (z.B. im Auto oder in einer Metallgitterkugel) vor starker Ladung, z.B. vor einem Blitz.
• Glimmlampe
  
  Die Influenzmaschine und die geriebenen Glas- und Plastikstäbe zeigten nicht an welche Ladung (+ oder -) gespeichert ist.
  Mit der Glimmlampe kann man das aber herausfinden:
  Bringt man bei einer Glimmlampe an die eine Seite positive und an die andere Seite negative Ladungen, so leuchtet die Luft um den Draht auf, an dem sich die negativen Ladungen befinden.
  Die bewegten Ladungsträger sind nämlich die negativ geladenen Elektronen.
  Wenn die entgegengesetzten Ladungen sich stark genug anziehen, verlassen die Elektronen ihren Draht und bringen die Luft um diesen Draht durch Stöße zum Leuchten.

• Eine Glimmlampe leuchtet immer an der Seite, die mit dem Minuspol verbunden ist.
  Leitet man Wechselstrom durch die Glimmlampe, leuchten beide Seiten, aber nicht gleichzeitig, sondern immer abwechselnd.
  Das erkennt man, wenn man die Glimmlampe schnell nach oben und nach unten bewegt.
  Man sieht dann, wie "im Zickzack" mal die Umgebung des einen, mal des anderen Drahts leuchtet.
• Eine Glühlampe leuchtet deshalb nur an der einen Stelle im Glaskolben, weil dort der Draht sehr dünn bzw. weil der Draht dort aufgewickelt ist.
  
  Obwohl der Draht überall die gleiche Dicke besitzt, leuchtet er in der Mitte, weil dort der Draht (um eine Kugelschreibermine herum) aufgewickelt wurde. Die Wicklungen heizen sich gegenseitig auf, sodass im Bereich der Wendel die heißeste Stelle ist.
• Zum Kopiergerät siehe im Buch Seite 116
• Film aus dem Deutschen Museum mit Erklärungen zum Gewitter.
• Funktionsweise eines Oszilloskops
  Hausaufgabe: Internet-Recherche zum Thema Oszilloskop (Simulation bzw. Steuerung eines realen Oszilloskops)

• Michel hat uns sein selbst geschriebenes Delphi-Programm vorgestellt, mit dem man die Ablenkung eines Elektronenstrahls beim Oszilloskop simulieren kann.
• Wir haben dann eine Möglichkeit kennen gelernt, wie jeder von Euch mit GeoGebra eine solche Simulation erstellen kann.
  Wenn Ihr noch Schwierigkeiten mit dem eigenen Werk habt, könnt Ihr hier drei verschiedene Versionen herunterladen und Euch unter "Ansicht" und "Konstruktionsprotokoll" Tipps für die eigene Simulation holen.
          

• Einige Werke Eurer GeoGebra-Kunstsammlung (Klick auf das Bild lädt die Geogebra-Datei herunter)