Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 7a

E-Lehre I

• Ein Kunststoffkamm, der mehrfach schnell durch (trockene und gewaschene) Haare gezogen wird, lenkt einen dünnen Wasserstrahl zu sich ab.
  
  Wie kann das sein? Ihr habt aus bekannten Versuchen (Luftballon am Pullover reiben usw.) schnell herausgefunden, dass es sich um Elektrizität handeln muss, die für die Ablenkung des Wasserstrahls zuständig ist.
• Zur genaueren Untersuchung haben wir erst folgende Versuche durchgeführt:
  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.
• Bei einem zweiten Versuch mit dem Wasserstrahl sahen wir, dass Glas- und Kunststoffstab das Wasser anziehen, also positiv und negativ geladene Gegenstände ziehen das Wasser an. Warum?
  Information (etwas vereinfacht):
  Ein Wasserteilchen besteht aus 2 kleinen Wasserstoffteilchen (H) und einem größeren Sauerstoffteilchen (O). Die Wasserstoffteilchen zeigen eine postive Ladung und das Sauerstoffteilchen eine negative Ladung im Wasserteilchen. Nun sitzen die Wasserstoffteilchen nicht symmetrisch am Sauerstoffteilchen, sondern sie sind etwas "benachbart":
  
  Dadurch wirkt das Wasserteilchen etwas länglich und besitzt an beiden Enden unterschiedliche Ladung.
  Wird nun ein (z. B.) negativ geladener Stab dem Wasserteilchen genähert, so wird das Ende des Wasserteilchens mit der positiven Ladung zum Stab gezogen und das Ende mit der negativen Ladung vom Stab abgestoßen. Dadurch dreht sich das Teilchen.
  
  Da die positive Ladung des Wasserteilchens näher am Stab ist als die negative Ladung, ist die Anziehungskraft zwischen den verschiedenen Ladungen größer als die Abstoßungskraft zwischen den gleichen Ladungen. Deshalb wird das Wasserteilchen zum Stab gezogen.
• Elektroskop
  
  Ein Draht führt von außen in ein isoliertes Gefäß.
  Innen befindet sich am Draht ein beweglicher Draht.
  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.

• Versuch zu den Kräften (Abstoßung - Anziehung) bei elektrischen Ladungen:
  
  Die vier äußeren Glocken sind gleich geladen, die mittlere Glocke mit der entgegengesetzen Ladung.
  Die kleinen aufgehängten Metallkugeln pendeln zwischen den Glockenschalen hin und her und erzeugen ein helles Klingeln.
• Elektroskop im Eigenbau
  
  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.

• 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.

• Links: Vorbeiflug eines Asteroiden an der Erde ; Bilder dieses Asteroiden ; Meteroiteneinschlag in Russland ; weiterer Link zum Meteroiteneinschlag ; Gefahren in der Zukunft
  
• 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.
  

• 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
  Beim Oerstedt-Versuch haben wir gesehen: Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld.
  Die Feldlinien laufen kreisförmig um den Leiter herum:
  
  Die Richtung können wir mit der Linke-Hand-Regel (oder Korkenzieher-Regel) feststellen:
  Der Daumen der linken Hand zeigt in die Richtung, in die sich die Elektronen bewegen.
  Die anderen Finger der linken Hand zeigen dann in Richtung der Feldlinien, d. h. in die Richtung, in die sich ein freier magnetischer Nordpol bewegen würde.
• Zu den Exkursen folgende Links:
  Magnetfeld der Erde
  Aufbau der Erde
  Abschwächung des Erdmagnetfeldes und mögliche Umkehr

• Weiterführung des Themas der letzten Stunde:
  Das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters kann man verstärken, indem man den Draht mehrfach aufwickelt oder eine fertige Spule benutzt.
  Eine weitere Verstärkung liefert eine magnetisierbare Substanz in der Spule.
  Mit einem so entstandenen Elektromagnet, den man an- und ausschalten kann, lassen sich schwere Teile gut transportieren (z. B. Autos auf einem Schrottplatz).
  
• Eine stromdurchflossene Spule in einem Magnetfeld richtet sich so aus, dass jeweils Nord- und Südpol der Spule und des Magnetfeldes dicht beieinanderstehen.
  Ändert man die Stromrichtung in der Spule nach jeder Halbdrehung, so dreht sich die Spule immer weiter und wird zu einem Elektromotor.

• Wiederholung zur Arbeit
• Schülerübung zur Messung der Stromstärke
  
  Aus den Aufdrucken auf den Glühlampen und Euren Messungen entstand folgende Tabelle:
  
  Wir haben gesehen: Die Leistung (oder Energiestromdichte) ergibt sich aus dem Produkt von Spannung und Stromstärke.
  Je größer die Leistung ist (und damit die Helligkeit der Lampe), desto größer ist auch die Stromstärke.

• Klassenarbeit 2  [ Aufgaben | Lösungen ]