Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 7d

Elektrizitätslehre

• Mit der Hand wurde ein Dynamo gedreht. Der erzeugte Strom brachte eine Lampe zum Leuchten.
  Malte stellte fest, dass sich der Dynamo leichter drehen lässt, wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist, d. h. wenn die Lampe nicht leuchtet.
  Wenn die Lampe leuchten soll, muss Energie zu ihr fließen. Diese Energie musste Malte zur Verfügung stellen. Deshalb drehte sich der Dynamo schwer.
  War der Stromkreis geöffnet, brauchte Malte keine Energie aufzuwenden (bis auf eine Teil, der für den Betrieb des Dynamos notwendig ist).
  
• Mehrere Lampen in Parallelschaltung leuchteten alle gleich hell.
  Bei Serienschaltung leuchteten die Lampen um so weniger, je mehr Lampen hintereinander geschaltet waren.
• Unser Versuch, mit dem vom Dynamo erzeugten Strom Wasser zum Kochen zu bringen scheiterte. Mit Mühe konnten wir das Wasser um einige Zehntel-Grad erwärmen.
• Das Erwärmen mit den Tauchsiedern klappte schon besser.
  Ein 300W-Tauchsieder erwärmte in 1 Minute das Wasser von 18,3°C auf 21,8°C.
  Ein 1000W-Tauchsieder erwärmte in 1 Minute das Wasser von 22,3°C auf 32,9°C.
  Hausaufgabe: Einen Zusammenhang zwischen den Messwerten herausfinden.

• Zur Hausaufgabe:
  Der 300W-Tauchsieder erwärmte das Wasser um 3,5°C in derselben Zeit wie der 1000W-Tauchsieder das Wasser um 10,6°C erwärmte.
  1000W/300W=3,33 und 10,6°C/3,5°C=3,03
  Die Leistung (oder Energiestromstärke) der Tauchsieder haben wir mit einem Leistungsmesser überprüft.
  
  Mit diesem Wert ergibt sich 932,9W/300W=3,11
  Man sieht (oder vorsichtiger ausgedrückt: man kann vermuten), dass Leistung und Temperaturdifferenz proportional sind.
  Da der Temperaturanstieg auch den Energieanstieg kennzeichnet, gilt auch: Die Energieerhöhung ΔE ist proportional zur Leistung P: ΔE~P
  Außerdem ist klar, dass die Energieerhöhung ΔE proportional zur Zeitdifferenz Δt sein muss (doppelt so viel Zeit bedeutet doppelt so viel Energie): ΔE~Δt.
  Zusammengefasst folgt: ΔE~P·Δt. Als Proportionalitätsfaktor wählt man 1 und so ergibt sich als Festlegung für die Energie:
  ΔE=P·Δt   Energie ist Leistung mal Zeit
• Der Unterschied zwischen Heiz-Kochplatte und Induktions-Kochplatte wurde im Versuch sehr deutlich:
  Induktions-Kochplatte
  Die Heiz-Kochplatte hatte die Leistung P_Heiz=1040 W und die Induktions-Kochplatte P_Induktion=1300 W.
  Nach 1 Minute Heizen war das Wasser bei der Heiz-Kochplatte um 3,3°C erwärmt worden, bei der Induktions-Kochplatte um 40,0°C.
  Wir haben mit Hilfe des Dreisatzes die Erwärmungen auf die Leistung 1000 W umgerechnet.
  Es ergab sich für die Hewiz-Kochplatte 3,2°C und für die Induktions-Kochplatte 30,7°C.
  Bei der Induktions-Kochplatte (die nur den Boden des Gefäßes erwärmt) wird das Wasser also 10-mal so warm wie bei der Heiz-Kochplatte (bei der viel Energie für die Heizung der Platte und für die umgebende Luft benötigt wurde).
  

• Elektrische Ladung
• Werden Glasstäbe und Kunststoffstäbe mit einem Fell gerieben, so wirken sie aufeinander:
  
  Der drehbar aufgehängte Glasstab und ein in der Hand gehaltener geriebener Kunststoffstab ziehen sich an.
  Der drehbar aufgehängte Kunststoffstab und ein in der Hand gehaltener geriebener Kunststoffstab stoßen sich ab.
  Es handelt sich hier um elektrische Vorgänge.
  Es muss (mindestens) 2 verschiedene elektrische Ladungen geben, da sich einmal die Ladungen anziehen und einmal abstoßen.
  Man nennt diese Ladungen "positive Ladung" und "negative Ladung". Das hat aber nichts mit richtig und falsch zu tun, sondern es sind einfach bedeutungslose Namen.
  Gleiche (oder "gleichnamige") Ladungen stoßen sich ab, verschiedene (oder "ungleichnamige") Ladungen ziehen sich an.
• Wir haben das beim Versuch mit dem Tischtennisball gesehen:
  
  Zwei Metallplatten werden von einer Influenzmaschine elektrisch aufgeladen.
  Ein mit Alufolie umwickelter Tischtennisball ist zwischen den Platten aufgehängt.
  Der Tischtennisball pendelt zwischen den Platten hin und her.
  Er wird immer von der Platte angezogen, die die andere Ladung als er selbst besitzt und von der Platte abgestoßen, die die gleiche Ladung wie er besitzt.
  Berührt der Ball eine Platte, nimmt er Ladung von dieser Platte auf.
• Genau so ist der Versuch mit dem Glockenspiel zu erklären:
  
  Hier sind die vier äußeren Glocken gleich geladen und die mittlere Glocke mit der entgegengesetzen Ladung.
  Die kleinen aufgehängten Metallkugeln pendeln zwischen den Glockenschalen hin und her und erzeugen ein helles Klingeln.
• Eine Glimmlampe kann anzeigen, wo der Minus- und wo der Pluspol ist.
  
  An der Seite, an der das Gas um die Elektrode herum glimmt, ist der Minuspol, weil dort die Träger der negativen Ladung (die Elektronen) herauskommen.
• Selbst Wasser kann durch Ladungen beeinflusst werden:
  
  Ein Kunststoffkamm, der mehrfach schnell durch (trockene und gewaschene) Haare gezogen wird, lenkt einen dünnen Wasserstrahl zu sich ab.

• Es gibt positive und negative elektrische Ladungen. Wer trägt solche Ladungen durch die metallischen Leiter hindurch?
  Die Atome, aus denen die ganze Materie besteht, sind von ihrer Ausdehnung her kugelförmig und bestehen aus einem sehr kleinen Atomkern und Elektronen, die sich in der Umgebung des Atomkerns befinden.
  Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen.
  Protonen und Neutronen haben etwa gleiche Masse, die um etwa 1800-mal größer als die Masse eines Elektrons ist.
  Der Atomkern ist so klein, dass er 10 000-mal nebeneinander in das Atom hineinpassen würde.
  Aber fast die gesamte Masse des Atoms befindet sich im Atomkern.
  Protonen sind positiv geladen,
  Neutronen sind nicht geladen,
  Elektronen sind negativ geladen.
• Daraus folgt:
  Würden Protonen die positive Ladung durch ein Kabel leiten, müsste sich fast die gesamte Masse des Kabels bewegen.
  Protonen können deshalb nicht die Träger der elektrischen Ladung sein.
  Elektronen dagegen können leicht vom Atom abgespalten werden und machen nur einen kleinen Bruchteil der Masse eines Atoms aus.
  Sie tragen die elektrische Ladung durch ein Kabel hindurch.
• Bei einem weiteren Versuch zur Glimmlampe haben wir gesehen, dass die Glimmlampe bei Wechselstrom scheinbar an beiden Seiten leuchtet.
  Bewegten wir aber die Glimmlampe schnell nach hin und her, so sahen wir, dass es um die beiden Drähte in der Glimmlampe abwechselnd geglimmt hat.
• Elektroskop
  
  Ein Draht führt von außen in ein isoliertes Gefäß.
  Innen befindet sich am Draht ein beweglicher Draht oder wie im Selbstbaumodell ein gefaltetes Stück Aluminiumfolie.
  Wird der Draht aufgeladen (z. B. durch einen Kamm, mit dem man sich vorher gekämmt hat), so entfernen sich die Metallteile im Gefäß voneinander, weil sich gleiche Ladungen abstoßen.
  Der Winkel zwischen den beweglichen Teilen ist ein Maßstab für die Menge der Ladung.
  
• Faraday-Becher
  
  Bringt man Ladungen in den Faraday-Becher hinein, kann man sie von drinnen nicht wieder herausholen.
  Die Innenseite des Bechers trägt dann keine freien Ladungen.
  Außen allerdings sitzen die Ladungen und man kann sie von dort auch zur Registrierung auf ein Elektroskop bringen.
  Grund für die Verteilung der Ladungen ist, dass sich die gleichen Ladungen abstoßen und sich so weit wie möglich voneinander entfernt anordnen, also außen am Becher.
  Ein abgeschlossener metallischer Raum heißt Faraday-Käfig. Innen sind keine freien Ladungen. Man ist also in einem Faraday-Käfig (z. B. einem Auto) im Inneren vor Blitzschlag geschützt.

• Leitungsvorgänge in Metallen geschehen fast nur durch Elektronen.
  Werden Elektronen immer gut durch Materialien geleitet?
  Wir haben mit einem Widerstandsmessgerät gesehen, dass das nicht so ist.
  
  Manche Materialien leiten den Strom gar nicht, andere so gut, dass der Messwert fast auf 0 war.
• Der menschliche Körper leitet auch Strom, die Stromstärke ist aber meistens sehr klein.
  Wir haben mit dem Widerstandsmessgerät den Hautwiderstand gemessen und gesehen, dass sich ein mittlerer Wert von 300 kΩ ergab.
  Nur bei sehr trockener Haut ist der Widerstand sehr viel höher, im Bild z. B. bei etwa 2500 kΩ.
• Bei "Lügendetektoren" misst man auch den Hautwiderstand.
  Wir haben getestet, ob man erkennen kann, ob ein Schüler lügt (er denkt sich eine Zahl; wenn er nach verschiedenen Zahlen gefragt wird, muss er immer verneinen, dass es seine Zahl ist). In den meisten Fällen haben wir mit unserer Vermutung falsch gelegen. Was folgern wir daraus? Siehe auch diesen Link dazu.

• Als Ladungsmessgerät haben wir das Elektroskop kennengelernt.
  
  Genauere Messungen zur Menge der Elektrizität (Spannungsmessung) kann man mit einem Oszilloskop durchführen.
  Elektronen werden dabei in einer Glasröhre beschleunigt und fliegen dann geradlinig auf einen Bildschirm, auf dem sie ihre Energie abgeben und dadurch einen Punkt auf einem Leuchtschirm zeichnen.
  Zwei Metallplattenpaare sind neben der Röhre und oberhalb bzw. unterhalb der Röhre angebracht. Werden diese Metallplatten elektrisch geladen, so wird der Elektronenstrahl abgelenkt und der Punkt erscheint an anderer Stelle auf dem Leuchtschirm.
• Ausprobieren kann man ein echtes Oszilloskop an der Universität Kaiserslautern über das Internet.
• Besser funktioniert dagegen die Simulation eines Oszilloskops.
• Sehr gut auch diese Erläuterung und Simulation bei Leifi.

• Wärmewirkung des elektrischen Stroms
• Ein von elektrischem Strom durchflossener Draht wird umso wärmer, je größer die Stromstärke ist.
• Ein stark erhitzter Draht glüht. Bei steigender Stromstärke leuchtet er erst schwach dunkelrot, dann hellrot, schließlich weißlich-rot.
• Mit einem heißen, glühenden Draht kann man sehr exakt Papier und Styropor schneiden (Vorsicht: Giftige Dämpfe und Entzündungsgefahr!)
• Je heißer ein Draht ist, desto länger ist er. Die Verlängerung kann man am Durchhängen des Drahtes erkennen.
  Anwendung dazu: ein Messgerät, das über die Verlängerung eines Drahtes die Stromstärke misst.
  
• Der Draht glüht an der Stelle, an der er zu einer Spirale aufgerollt ist, am stärksten, weil sich hier mehrere Drahtstücke gegenseitig erwärmen.

• Chemische Wirkung des elektrischen Stroms
• Knallgaszelle
  
  In einer Glasröhre befindet sich verdünnte Schwefelsäure (5%).
  Zwischen 2 Elektroden, die sich nicht berühren, fließt ein Gleichstrom.
  Das Wasser wird dadurch zersetzt in Wasserstoff und Sauerstoff. Diese beiden Gase steigen als Bläschen in der Röhre auf und sammeln sich im oberen Bereich.
  Leitet man dieses Gas in eine Flamme, so wird es mit einem Knall wieder zu Wasser.
• Magnetische Wirkung des elektrischen Stroms
• Oerstedt-Versuch
  Ein stromdurchflossener Leiter besitzt ein Magnetfeld. Die Feldlinien bilden Kreise mit gleichem Mittelpunkt um den Leiter herum.
• Linke-Hand-Regel (oder auch Linke-Faus-Regel)
  Zeigt der Daumen der linken Hand in die Richtung, in die sich die Elektronen bewegen, so zeigen die anderen Finger dieser Hand die Richtung der magnetischen Feldlinien an.
  Für bewegt positive Ladungen gilt entsprechend die Rechte-Hand-Regel.
• Durch Aufwickeln des elektrischen Leiters (Spule) wird die magnetische Wirkung verstärkt.
• Befindet sich in der Spule ein Eisenkern, ist die magnetische Wirkung noch stärker.
• Die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms wird oft in Drehspul-Messinstrumenten benutzt:
  
  Im Hufeisenmagnet befindet sich eine Spule mit Eisenkern.
  Wird Strom durch die Spule gelenkt, so richtet sie sich im Hufeisenmagneten aus, d. h. sie dreht sich.
  Das sie bei der Drehung durch eine Schraubenfeder gebremst wird, dreht sie sich um so weiter, je größer die Stromstärke ist.
  Beim abgebildeten Drehspulgerät dient der Metallbügel im Vordergrund dazu, den Nullpunkt exakt einzustellen.