Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2012/2013 - Physik 8d

E-Lehre I und II

• Zur Wiederholung und um in der zusammengewürfelten Lerngruppe gleiche Voraussetzungen zu schaffen, haben wir mehrere Versuche zurchgeführt:
  
• Es gibt 2 Arten von Ladung, positive (+) und negative (-)
• 2 mit einem Fell geriebene Kunststoffstäbe stoßen sich ab, da die durch das Reiben auf den Stäben vorhandenen Ladungen gleich sind.
  1 geriebener Kunststoffstab und 1 geriebener Glasstab ziehen sich an, da die Ladungen auf den Stäben verschiedenen sind.
  Also: gleiche Ladungen stoßen sich ab, verschiedene Ladungen ziehen sich an.
• Ein Wasserstrahl wird von beiden Stäben (und auch von einem Kunststoffkamm) angezogen, da Wasserteilchen an der einen Seite eher positiv und an der anderne Seite eher negativ geladen sind (Dipolcharakter)
  
• In einem Elektroskop kann man Ladungen mengenmäßig unterscheiden:
  Gleiche Ladungen auf dem senkrechten, festen und auf dem beweglichen Metallstab stoßen sich ab und damit wird der bewegliche Stab zur Seite ausgelenkt. Die Auslenkung wird größer, wenn mehr Ladung auf das Eletroskop gebracht wird.
• Da der Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms besitzt, werden in einem elektrischen Leiter nur die Elektronen (negativ geladene Teilchen) transportiert.
  Würden auch die Atomkerne (positiv geladene Teilchen) transportiert, würde der ganze Draht wegfließen.

• Da wir heute auch noch die Zugänge zum Computerrraum einrichten mussten, nur eine kurze Wiederholung und Einführung zur E-Lehre:
• Es gibt positive und negative Ladungen.
  Ladungsträger der negativen Ladungen sind meistens Elektronen, die in der Atomhülle von Atomen zu finden sind.
  Ladungsträger der positiven Ladungen sind meistens Ionen (Atome, die ein oder mehrere Elektronen aus der Atomhülle verloren haben), bei denen sich der Überschuss an positiven Ladungen des Atomkerns (dort sind die positiv geladenen Protonen) bemerkbar macht. 
• Strom ist bewegte Ladung.
  Elektronen bewegen sich in elektrischen Leitern nur sehr langsam. Die Wirkung pflanzt sich aber sehr schnell fort, weil die Elektronen einander anstoßen (bzw. sich voneinander abstoßen). Siehe Beispiel der harten Erbsen in einer Röhre.
• Je größer die Energiestromstärke P (auch Leistung genannt) eines elektrischen Gerätes ist, desto mehr Energie E wird pro Zeiteinheit t verbraucht:.
• Die verbrauchte Energie berechnet sich aus dem Produkt von Energiestromstärke und Zeit: .
• Vorsicht beim elektrischen Strom: Spannungen größer als 24 V können lebensgefährlich sein! Manche großen Spannungen (größer als 1000V bei Weidezäunen oder bei Elektrisiergeräten) müssen nicht unbedingt lebensgefährlich sein, wenn nur vergleichsweise wenige Ladungen vorhanden sind. Aber man sollte sich darauf nicht verlassen!

• Wirkungen des elektrischen Stroms
• Wärmewirkung
• Wir haben gesehen:
  - Wenn Strom durch einen dünnen Draht fließt, wird der Draht heiß.
  - Wenn der Draht genügend heiß ist, verformt er sich und glüht.
  - Körper dehnen sich bei Erwärmung aus.
  - Wasser zieht sich aber beim Abkühlen nicht zusammen, sondern dehnt sich beim Gefrieren aus (die Atome benötigen im Kristallgitter mehr Platz als wenn sie im flüssigen Wasser sehr eng beieinander liegen können).
• 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
• 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.
• Die Ladungsmenge, die in der Knallgaszelle transportiert werden muss, damit ein Gasvolumen von 0,19 cm³ Knallgas entsteht, nennt man 1 Coulomb oder kurz 1 C.
• Werden Ladungen transportiert, so nennt man das elektrischen Strom. Die Stromstärke gibt (in der Einheit Ampere) an, wieviel Ladungen pro Zeiteinheit dabei transportiert werden. 1 Ampere = 1 Coulomb pro 1 Sekunde oder kurz: 1 A = 1 C / 1 s.

• 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.
• Damit ein Strom fließen kann, muss ein Stromkreis geschlossen sein.
• In einem Stromkreis ohne Verzweigung hat die Stromstärke überall denselben Wert, obwohl die einzelnen Lampen (unterschiedliche Energiestromdichte) unterschiedlich hell leuchteten.
    I₁ = I₂ = I₃
• In einem Stromkreis mit Verzweigung hatte die Gesamt-Stromstärke den Wert 160 mA, während wir in den beiden Verzweigungen die Werte 130 mA und 30 mA gemessen haben. Welche Vermutung kann man damit für die Stromstärken in einer Parallelschaltung aufstellen?
  

• Physikalische Aufarbeitung des Stratosphären-Rekordsprungs von Felix Baumgartner.
• Temperaturprofil
  
• Form des Ballons in unterschiedlichen Höhen
• Gewichtskraft, Luft-Reibungskraft, Geschwindigkeitsdiagramm
• Siehe auch folgende Links: Text , Text+Video , Video , Video , Leifi-Artikel
• Anleitung zur Simulation des Falls mit einer Tabellenkalkulation:
  auf dieser Seite "500-13126 Excel_Tabellenblatt_Fallschirmsprung" anklicken.
  
• Physikalische Aufarbeitung übersinnlicher Phänomene (z. B. Pendeln) und Verschwörungstheorien
• Abschluss der Auswertungen der letzten Stunde:
• Im einfachen Stromkreis ohne Verzeigung ist die Stromstärke an allen Stellen gleich.
• Im verzweigten Stromkreis ist die Summe der Stromstärken in den Verzweigungen gleich der Gesamtstromstärke (130 mA + 30 mA = 160 mA)

• Drei gleich aussehende Lampen werden parallel geschaltet:
  
  Lampe L3 leuchtet nicht so stark wie die beiden anderen Lampen L1 und L2.
  Eure Erklärung dafür, dass der Strom (also die Elektronen) den kürzesten Weg nehmen würden und deshalb beim längsten Weg durch L3 nur wenige Elektronen beteiligt seien, konnten wir widerlegen, indem wir L1 und L3 ausgetauscht haben. L3 leuchtete dann immer noch am schwächsten.
  Esther kam dann auf die richtige Erklärung: Die Lampe L3 hat die größte Wattzahl und die braucht deshalb mehr Energie zum Leuchten als die anderen Lampen.
• Die Lampen L1 und L2 schienen aber (etwa) gleich zu sein.
  Die Vermutung, in Serienschaltung würden die Lampen L1 und L2 also gleich hell leuchten, überprüften wir
  
  undsahen, dass die Lampe L2 eindeutig schwächer leuchtete als die Lampe L1.
  Also scheint auch L2 eine höhere Wattzahl als die Lampe L1 zu haben.
• In der folgenden Schülerübung habt Ihr dann einen Test-Stromkreis zusammengebaut, um Lampen der Bauart L1, L2 und L3 genauer zu untersuchen.
  Ihr habt dazu ein Strommessgerät eingebaut (Messbereich 10 A) und zusätzlich noch ein Messgerät, das die Konzentration der Elektronen am Minuspol messen kann(Messbereich 20 V).
  
  In der nächsten Stunde Auswertung des Versuchs.

• Auswertung des Versuchs der letzten Stunde:
  
  Alle die 3 Lampen wurden folgende Werte gemessen (wobei der Wert für die Spannung zunächst nur bedeutete, wie weit der Regler gedreht wurde):
  obere Lampe: 12 V ; 0,1 A
  mittlere Lampe: 6 V ; 0,1 A
  untere Lampe: 6 V ; 0,05 A
  Wir haben gesehen: Die obere Lampe benötigte die meiste Energie, die unterste Lampe benötigte am wenigsten Energie.
  Das Produkt der beiden gemessenen Wert gibt ein Maß dafür an, wieviel Energie pro Zeiteinheit fließt:
  oben: 12 V · 0,1 A = 1,2 V·A
  Mitte: 6 V · 0,1 A = 0,6 V·A
  unten: 6 V · 0,05 A = 0,3 V·A
  Rechts stehen die Energiestromdichten bzw. die Leistung de reinzelnen Lampen.
  Der Spannungswert U mit der Einheit V (Volt) gibt den Wert Leistung P pro Stromstärke I an: U=P/I.
  Schreibt man für die Leistung P=ΔE/Δt und für die Stromstärke I=ΔQ/Δt, so ergibt sich:
  
  Spannung ist also Energie pro Ladung.
• Eine Batterie besteht aus zwei elektrisch leitenden Materialien und einem dazwischen befindlichen Elektrolyten.
  Bei gängigen Batterien steht an den Polen eine Spannung von 1,5 V oder Vielfachen davon zur Verfügung (siehe den Link).
• Der Unterschied zu Akkumulatoren besteht darin, dass Batterien nur einmal benutzt werden können und nicht wieder aufgeladen werden dürfen, während Akkumulatoren sehr oft geladen und entladen werden können und dass gängige Akkumulatoren nur eine Spannung von 1,2 V liefern (siehe aber den Link).
• Schaltung von Batterien:
• Serienschaltung: Die Spannungen der einzelnen Batterien addieren sich (Beispiel Stabtaschenlampe), da die Elektronen in jeder der Batterien Energie erhalten.
  
• Serienschaltung - eine Batterie ist entgegengesetzt eingefügt. Die Energie, die die Elektronen in einer Batterie erhalten, wird ihnen in der nächsten Batterie wieder entzogen. Es ist so, als wenn die Elektronen nur durch eine Batterie gelaufen wären.
  
• Parallelschaltung: Die Elektronen kommen bei einem Umlauf entweder durch die eine oder die andere Batterie, nehmen als nur die Energie von einer Batterie auf. Da aber die Kapazität zweier Batterien vorliegt, würde in diesem Stromkreis das Licht doppelt so lange leuchten wie in einem Stromkreis mit nur einer Batterie.
  
• Man darf Batterien niemals so schalten, dass ein Kurschluss entsteht, da dann die Batterien zerstört werden können (siehe folgende Filme auf Youtube: 1 , 2 )
  

• Klassenarbeit 1

• Übungen zum Thema Spannung:
• Berechnungen mit der Formel P=U·I
• Lichterkette: Beim Anschluss an das Stromnetz (240 V) müssen so viele gleiche Glühlampen hintereinander geschaltet, bis die Summe der aufgedruckten Spannungen gleich 240 V ist.
  Beispiele: 10 Lampen zu 24 V oder 20 Lampen zu 12 V oder 40 Lampen zu 6 V.
• Messung zur Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung
  
  Durch einen dünnen Draht wird Strom geleitet. Gemessen werden die Spannung U und die Stromstärke I.
  Messwerte:
  
  Hausaufgabe: Messwerte in den GTR eingeben. Auswertung in der nächsten Stunde.
  

• Besprechung und Rückgabe der Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]
• Auswertung des Versuchs der letzten Stunde
• Die Messwerte werden in die Listen L1 und L2 des Taschenrechners eingegeben (STAT + EDIT)
• Mit 2nd + STAT PLOT werden die Zeichenbedingungen gewählt.
• Unter WINDOW wird der Zeichenbereich gewählt.
• Mit GRAPH werden die Messpunkte dargestellt
• Mit STAT + CALC + LinReg wird eine Näherungsgerade gefunden.
• Taschenrechner-Screenshots
             
           
• Die Messpunkte liegen auf einer Ursprungs-Geraden. Spannung U und Stromstärke I sind also proportional: U~I
  Diese Gesetzmäßigkeit nennt man Ohmsches Gesetz.

• Das Ohmsche Gesetz U~I aus der letzten Stunde kann man auch als Gleichung schreiben, wenn man einen Proportionalitätsfaktor R einfügt: U=R·I
  R nennt man Widerstand, weil bei großem R geringe Stromstärke und bei kleinem R große Stromstärke bei Gleicher Spannung gemessen wird.
  Da bei U~I links die Einheit V und rechts A steht, muss R die Einheit V/A haben, damit die Gleichung stimmt.
  Statt V/A schreibt man meistens Ω (Omega) und nennt diese Einheit Ohm.
• Da auf elektronischen Bauelementen, die als Widerstand zur Strombegrenzung benutzt werden, zu wenig Platz für deutliche Angaben über den Wert des Widerstands vorhanden ist, benutzt man häufig einen Farbcode (farbige Ringe). Hier die Bedeutung der Farbringe:
  
  Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Farbcode_für_Widerstände

• Vor den Ferien haben wir das Ohmsche Gesetz (In einem Stromkreis ist die Spannung proportional zur Stromstärke: U~I) besprochen.
  Dabei haben wir einen Konstantandraht benutzt.
  
• Der gleiche Versuch wird nun mit einem Eisendraht wiederholt.
  
  Folgende Messwerte ergaben sich für die Stromstärke in Abhängigkeit zur Spannung:
  
• Hausaufgabe: Saubere Darstellung der Messwerte in einem Koordinatensystem mit Ausgleichskurve.
• Mit dem Cassy-Interface und dem Netbook können wir viel mehr Messwerte in kurzer Zeit aufnehmen als beim Ablesen von den großen Messgeräten.
  Folgendes überraschendes Ergebnis brachte die erste Messung:
  
  Beim langsamen Heraufregeln der Spannung ergab sich die mittlere gekrümmte Kurve, d. h. bei höheren Spannungen steigt die Stromstärke-Kurve nicht mehr so stark. Beim schnellen Hochregeln der Spannung wurde die obere Kurve gezeichnet. Beim schnellen Zurückregeln der Spannung ergab sich jedes Mal die untere "Gerade". Wie kommen diese Messwerte zustande?
• Kann uns folgender Versuch weiterhelfen? Die Spannung wurde jeweils ruckweise immer etwas erhöht und erniedrigt.
  
  Ergebnis: Beim ruckweise Ändern werden immer (fast) kleine Strecken gezeichnet. Dann sinkt der Wert der Stromstärke so weit ab oder steigt soweit, bis er dem Wert auf der mittleren gekrümmten Linie nahe kommt. Die Deutung dieses Verhaltens werden wir in der nächsten Stunde besprechen.

• Eine Wiederholung des Versuchs von vor 2 Wochen zeigte,
  
  dass bei Erhöhung der Spannung die Stromstärke nicht in gleichem Maß zunimmt, dass also das Ohmsche Gesetz U~I nicht gilt
  Zur Erklärung haben wir uns überlegt, dass als einzige Veränderung bei den Versuchsbedingungen während des Versuchs die Änderung der Draht-Temperatur vorkommt.
  Folgende Gedankenkette brachte uns die Lösung:
• die Spannung wird größer
• die Elektronen werden schneller
• die Elektronen stoßen heftiger mit den Atomen zusammen
• die Atome bewegen sich nach dem Zusammenstoß schneller um ihre Ruhelage, der Draht wird also wärmer
• durch die stärkere Bewegung der Atome kommen die Elektronen nicht so gut durch
• weniger Elektronen pro Zeit bedeutet aber auch weniger Stromstärke
• wenn die Anzahl der durch den Draht gehenden Elektronen nicht proportional zur Spannung ist, ist auch die Stromstärke nicht proportional zur Spannung.
• Ob der Widerstand tatsächlich von der Temperatur abhängen kann, haben wir in Versuchen untersucht:
• Eine unter den Draht gehaltene Flamme erhitzte den vom Strom durchflossenen Draht. Die Stromstärke wurde geringer.
• Eine Kühlung des Drahtes mit einem nassen Papiertaschentuch bewirkte, dass sich die Stromstärke vergrößerte.
• Eine Dauerkühlung mit Wasser
  
  zeigte, dass mit Kühlung das Ohmsche Gesetz U~I gilt (Gerade im linken Bereich)
  
  Danach wurde der Draht aus dem Wasser geholt und in noch nassem Zustand zeigte sich bei der Wiederholung des Versuchs, dass zunächst der Anstieg der Kurve noch relativ linear erfolgte. Dann aber war der Draht getrocknet und durch die einsetzende starke Erwärmungverringerte sich die Stromstärke selbst bei zunehmender Spannung .
• Zusammenfassung:
  Das Ohmsche Gesetz U~I gilt nur dann, wenn die Temperatur des elektrischen Leiters konstant bleibt (Beispiel Eisendraht).
  Ein Konstantan-Draht besteht aus einer Legierung aus Kupfer, Nickel und Mangan, die so gewählt ist, dass der Widerstand unabhängig von der Temperatur konstant bleibt.
  

• Wird die Proportionalitätsgleichung U~I durch eine Gleichung eretzt, so muss ein Proportionalitätsfaktor ergänzt werden: U=R·I.
  R nennt man Widerstand. Der Wert ist ein Maß dafür, wie gut bzw. wie schlecht die Elektronen durch den Draht gelangen können.
• Wie R bei einem Draht mit temperaturunabhängigen Widerstand von der Länge abhängt, haben wir im Experiment ermittelt:
  
  
  Man sieht, dass der Widerstand proportional zur Länge des Drahtes ist.
• Weitere Experimente in der nächsten Stunde.

• Ergänzung zum Widerstand bei Stromfluss durch verschiedene Materialien:
  Wir hatten gesehen, dass bei Konstantandraht die Spannung U proportional zur Stromstärke I ist: U~I
  Bei einem Eisendraht sind U und I nur dann proportional, wenn der Draht auf derselben Temperatur gehalten wird. Sonst steigt die Stromstärke bei wachsender Spannung langsamer an, d. h. der Widerstand erhöt sich bei anwachsender Spannung.
  Versuch zum Widerstand bei einer Bleistiftmine:
  Messwerte und Auswertung (L1: Spannung, L2: Stromstärke, L3: Widerstand=Spannung durch Stromstärke):
               
  Der Graph zeigt einen gekrümmten Verlauf, der für größer werdende Spannungen ansteigt.
  Das bedeutet, dass die Stromstärke mit wachsender Spannung überproportional zunimmt.
  Der Widerstand sinkt also bei wachsender Spannung (und bei wachsender Temperatur). Das wird auch aus den Werten in Liste L3 klar.
  Deutung: Bei höherer Stromstärke, also bei ansteigender Temperatur, werden vermehrt Elektronen freigesetzt, die zum Stromfluss beitragen.
• In der letzten Stunde haben wir gesehen, dass der Widerstand eines Drahtes proportional zur Länge des Drahtes ist.
  Heute haben wir die Abhängigkeit des Widerstandes vom Durchmesser des Drahtes untersucht.
  Messwerte und Graph (L1: Querschnittsfläche in mm², L2: Spannung in Volt, L3: Stromstärke in Ampere, L4: Widerstand=Spannung durchStromstärke in Ohm):
                
  Weitere Auswertung in der nächsten Stunde.

• Weiterführung der Versuchsauswertung:
  Der Verlauf der Punkte erinnert an eine Hyperbel (wobei der 2. Punkt etwas herausfällt).
  Eine Hyperbel nähert sich der waagrechten und der senkrechten Koordinatenachse immer weiter an, ohne diese Achsen zu erreichen.
  Das passt zu unserem Versuch, denn
  
• je größer der Querschnitt eines Drahtes ist, desto besser und ungehinderter können die Elektronen sich in diesem Draht fortbewegen und desto geringer ist dann auch der Widerstand; im Extremfall: wird der Querschnitt unendlich groß, so geht der Widerstand gegen den Wert 0.
• je kleiner der Querschnitt eines Drahtes ist, desto schlechter können die Elektronen sich in diesem Draht fortbewegen und desto größer ist dann auch der Widerstand; im Extremfall: wird der Querschnitt unendlich klein, so ist der Draht gar nicht mehr da und der Stromkreis ist nicht mehr geschlossen und der Widerstand geht gegen den Wert "unendlich".
• Um die Deutung "Hyperbel" zu überprüfen, also um zu überprüfen, ob R~1/q, tragen wir auf der waagrechten Achse 1/q (in Liste L5) auf und auf der senkrechten Achse wieder R (in Liste L4).
  
             
  
• Angenähert liegen (bis auf den 2. Punkt von rechts) alle Punkte tatsächlich auf einer Gerade.
  Insgesamt gilt .
  Mit dem Proportionalitätsfaktor ρ ("spezifischer Widerstand" gibt die Eigenschaft des Drahtes an) gilt dann .

• Wie wirken sich zwei verschiedene Widerstände (100 Ω und 500 Ω) in einer Serien- und Parallelschaltung aus?
  Wie groß ist der Ersatzwiderstand einer solchen Schaltung?
• Serienschaltung
  
  Gemessen wird die Gesamtspannung 5,7 V und der Gesamtstrom 9,5 mA.
  Daraus ergibt sich der Widerstand 5700/9,5 Ω = 600 Ω
  Die beiden Widerstandswerte addieren sich also.
• Parallelschaltung
  
  Gemessen wird die Gesamtspannung 4,35 V und der Gesamtstrom 49,5 mA.
  Daraus ergibt sich der Widerstand 4350/49,5 Ω = 87,9 Ω.  1/100Ω + 1/500Ω = 1/83,3Ω
  Die Kehrwerte der beiden Widerstandswerte addieren sich zum Kehrwert des Gesamtwiderstands.
• Allgemein gilt für eine Schaltung mit 2 Widerständen