Arbeitsblatt: Elektrizität

Physik Lehrgang 8.Klasse Elektrizität 21 25 R5 700 mA alle Rechte bei ereinhard,2008 Autor: Änderungsdatum Version: Erich Reinhard 21.3.2008 1.3 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung.4 1.1. Chronik des elektrischen Stromes von 600 v.Chr. bis 1894.4 1.2. Gefahren des elektrischen Stromes6 1.3. Schutz vor Gefahren des elektrischen Stromes6 1.3. Reparatur eines Gerätekabels8 1.4. Sicherungen8 2. Elektr.Stromkreise . 10 2.1. Einführung 10 2.2. Schaltbilder 1 12 2.3. Schaltbilder 2 14 2.4. Wirkung des Stromes 15 2.4.1. Wärmewirkung (Elektroherd) . 15 2.4.2. Chemische Wirkung (Galvanisieren) . 16 3. Stromstärke . 17 3.1. Versuch 17 3.2. Formel,Einheit 18 3.3. Messgerät DT 130 NT 18 3.4. Beispiele 18 4. Spannung . 20 4.1. Potential 20 4.2. Potentialdifferenz 20 4.3. Batterie 20 4.4. Einheit 21 4.5. Beispiele 21 5. Leiter/Nichtleiter . 23 5.1. Versuch 23 6. Elektrischer Widerstand . 24 6.1. Versuch 24 6.2. Abhängigkeit 25 6.3. Formel,Einheit 25 6.4. Aufgaben 25 7. Ohmches Gesetz . 26 7.1. Versuch 26 7.2. Formel,Einheit 27 7.3. Ohmches Gesetz 27 7.4. Aufgaben 27 8. Serie und Parallelschaltung . 28 8.1. Versuch 28 8.2. Vergleich SerieParallelschaltung 30 8.3. Anwendung der Serieschaltung 31 8.3.1. Apfelbatterie . 31 8.3.2. Zitronen oder Äpfel in Serie . 31 8.4. Anwendung der Parallelschaltung 31 8.5. Aufgaben zur Parallelschaltung 32 9. Elektrische Arbeit und Leistung . 34 9.1. Formel,Einheiten der elektr. Arbeit 34 9.2. Formel,Einheiten der elektr. Leistung 34 9.3. Elektrizitätsmesser 34 9.3.1. Was ist 1 kWh? . 34 9.3.2. Was kostet eine kWh? . 34 9.3.3. Muskelkraft kWh . 36 9.4. Aufgaben 36 9.5. MechanikWärmeElektrizität 39 9.5.1. Vergleich . 39 9.5.2. Vergleichsaufgaben . 39 10. Elektromagnetismus . 40 10.1. Elektromagnet 40 10.2. Magnetische Induktion 40 10.3. Elektromotor 41 10.3.1. Aufbau eines Elektromotors . 41 10.3.2. Versuch zum Elektromotor . 41 10.3.3. Beispiel eines Elektromotors . 42 10.4. Generator(Dynamomaschine) 42 10.5. Wechselspannung,Wechselstrom 42 Elektrizität 8.Klasse Elektrizität 1. Einleitung 1.1. Chronik des elektrischen Stromes von 600 v.Chr. bis 1894 1. Suche im Internet die berühmten Forscher und ihre Lebendaten und fülle die Lücken! 600 v.Chr. Der griechische Philosoph und Mathematiker Thales von Milet beobachtet die elektrisierende Wirkung von Bernstein. 1601 Stoffe Der englische Arzt William Gilbert entdeckt von ihm als «Electrica» bezeichnete und wird damit Schöpfer des Begriffs der Elektrizität. 1729 Der englische Naturwissenschafter Stephen Gray entdeckt die Leitfähigkeit von Metallen. Ihm wird auch die Entdeckung der Wirkungen eines elektrischen (Influenz) zugeschrieben. Felds 1752 Der amerikanische Politiker, Schriftsteller und Naturwissenschafter Benjamin Franklin weist die elektrische Natur der Gewitter nach. 1765 Der schottische Ingenieur und Erfinder verbessert die Dampfmaschine 1780 durch Erfindung des Kondensators. Der italienische Arzt und Naturforscher entdeckt, dass bei der Berührung eines Froschschenkels mit zwei verschiedenen Metallen elektrische Ströme fliessen. 1801 Der italienische Physiker führt Kaiser Napoleon erstmals ein sogenanntes galvanisches Element, eine Art Elektrobatterie, vor. 1813 Humphrey Davy erzeugt mit einer Riesenbatterie, bestehend aus 1000 Elementen, erstmals einen andauernden elektrischen Lichtbogen. 1820 Der Däne Hans Christian Oersted entdeckt die magnetische Wirkung stromdurchflossener Leiter. Diese Wirkung wurde im gleichen Jahr von Andre Marie Ampere, Jean Baptiste Biot und Felix Sovart beschrieben. 1821 Der englische Physiker und Chemiker baut ein erstes, einfaches Modell eines Elektromotors. 1822 Der französische Physiker und Mathematiker NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse findet die Formel für die Kraftwirkung zweier Ströme aufeinander (Amperesches Gesetz). 1826 Der deutsche Physiker definiert den elektrischen Widerstand als Verhältnis von Spannung und Stromstärke. 1831 Grundlage Faraday formuliert das lnduktionsgesetz und schafft damit die theoretische zum Bau von Transformatoren. 1844 Die Place de la Concorde in Paris wird mit Bogenlicht beleuchtet. 1844 Inbetriebnahme der ersten Telegrafenlinie zwischen Baltimore und Washington. 1858 den Das erste Transatlantikkabel für eine Telegrafenverbindung zwischen Europa und USA wird verlegt (Betriebsaufnahme 1866). 1866 Der in Deutschland geborene, in der Schweiz lebende Uhrmacher Matthias Hipp stellt in Neuenburg seinen selbstkonstruierten Elektromotor vor. 1875 Erste Inbetriebnahme einer Gleichstrom LichtbogenBeleuchtungsanlage im Kulmhotel St. Moritz. 1876 Der amerikanische Taubstummenlehrer meldet das erste brauchbare Telefon zum Patent an. 1879 Der amerikanische Erfinder führt seine ersten, bis 45 Stunden brennenden KohlefadenGlühlampen vor. 1879 Das erste mit Wasserkraft betriebene 7kW Kraftwerk wird in St. Moritz aufgebaut. 1882 Edison weiht erste «Elektrizitätswerke in London (Holborn Viaduct) und New York (Pearl Street) ein. 1882 Der Ingenieur Raoult setzt die erste schweizerische Stadtbeleuchtung in Lausanne in Betrieb (Projekt in Zusammenhang mit der Errichtung einer Trinkwasserversorgung). 1884 Erste permanente Gleichstromübertragung von der Taubenlochschlucht bei Biel in eine Drahtzinkerei in Bözingen. 1887 Erste mit Gleichstrom angetriebene Drahtseilbahn in der Schweiz auf der Strecke KehrsitenBürgenstock. 1887 Der in Kroatien geborene amerikanische Physiker baut den ersten Drehstrommotor. 1889 Der russische Elektrotechniker Michai Ossipowitsch DoliwoDobrowolski entwickelt den ersten asynchronen Drehstrommotor mit Kurzschlussläufer (ab1891 industriell produziert). NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 1890 Für die Auswertung der Volkszählung in den USA konstruiert der deutschgebürtige amerikanische Ingenieur und Unternehmer Hermann Hollerith eine elektro mechanische Lochkartenapparatur und legt damit die Basis zur späteren elektronischen Datenverarbeitung. 1890 In London fährt die erste elektrisch betriebene UBahnLokomotive. 1891 25 Erste 15kVDrehstromÜbertragungsleitung (40 Hz) von einem Wasserkraftwerke in Lauffen am Neckar nach Frankfurt über eine Strecke von 175 km (Leitungsverluste Prozent) 1894 Die Zürcher Trams werden elektrifiziert 1.2. Gefahren des elektrischen Stromes Die Elektrizität ist eine saubere, für den Benutzer bequeme und sichere Energieform, solange diese mit ihren Kabeln und Steckern in einwandfreiem Zustand und richtig verwendet werden! Fehlerhafte Installationen können Brände verursachen und auch Leben gefährden! Seit Oktober 1989 sind einige einfache Installationsarbeiten für den Hausgebrauch auch vom Nichtfachmann erlaubt auszuführen. Trotzdem sollte nachher eine Kontrolle von einem Fachmann durchgeführt werden. Fliesst elektrischer Strom nicht durch eine Lampe oder ein Gerät, sondern direkt zur Stromquelle zurück, spricht man von einem Kurzschluss. Auch hier herrscht ohne Sicherung Brandgefahr. 1.3. Schutz vor Gefahren des elektrischen Stromes Die meisten Unfälle durch den elektrischen Strom entstehen durch Unachtsamkeit. Die Gefahren des elektrischen Stromes erfordern daher vor allen besondere Umsicht und Sorgfalt. Wirkungen des elektrischen Stromes im menschlichen Körper Der elektrische Strom ist für den Menschen und für Tiere aus mehreren Gründen gefährlich. Alle Flüssigkeiten des menschlichen Körpers, z.B. Schweiss, Speichel, Blut und Zellflüssigkeit, sind Elektrolyte, d.h. sie leiten den elektrischen Strom. Menschliche und tierische Körper leiten den elektrischen Strom. Fast alle menschlichen Organe funktionieren aufgrund elektrischer Impulse, die vom Gehirn ausgehen. So wird z.B. die Bewegung von Muskeln durch schwache elektrische Impulse, von etwa 50 mV gesteuert. Die Impulse werden vom Gehirn durch die Nerven an die Muskeln herangeführt. Ist ein Nerv unterbrochen, arbeitet der Muskel nicht mehr; er ist gelähmt. Zwischen den Gehirnzentren, z.B. zwischen Sehzentrum, Bewegungszentrum oder Schmerzzentrum, fliessen ebenfalls elektrische Ströme. Der Tod (Gehirntod) wird durch Messen dieser Gehirnströme festgestellt. Viele Ströme im Körper (körpereigene Ströme) können über Elektroden erfasst und gemessen werden. So zeigt z.B. das EKG (Elektro Kariogramm) die elektrische Aktivität des Herzens, das EEG (Elektro Enzephalogramm) die elektrische Aktivität des Gehirns. Da fast alle Organe des menschlichen Körpers von elektrischen Signalen gesteuert werden, können von aussen kommende Ströme die Funktion der Organe beeinträchtigen. NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse Fliesst ein Strom durch den menschlichen Körper, z.B. beim Berühren eines unter Spannung stehenden Leiters, so verkrampfen sich die Muskeln, wenn der von aussen kommende Strom viel grösser ist als der körpereigene Strom. Der Verunglückte ist dann unfähig, die Berührungsstelle wieder loszulassen. Fliesst Wechselstrom über das menschliche Herz, so versucht es den schnelleren und stärkeren Impulsen von aussen zu folgen. Es arbeitet deshalb schneller, wodurch es zu Rhytmusstörungen des Herzens kommt, d.h. das Herz arbeitet unregelmässig. Fällt der Strom in die verletzliche (vulnerable) Phase, kommt es zu dem gefährlichen Herzkammerflimmern. Als Folge davon fallen Herztätigkeit und Atmung aus (Herztod). Entscheidend für die Folgen eines elektrischen Unfalles ist die Stromstärke, die beim Berühren unter Spannung stehender Teile durch den Körper fliesst. Aus Erfahrung weiss man, dass schon eine Stromstärke von 50 mA (!) den Tod herbeiführen kann, wenn der Strom über das Herz fliesst. Stromstärken über 50 mA sind lebensgefährlich. Der durch den Körper fliessende Strom hängt von der Spannung und vom Widerstand des Körpers ab. Dieser Widerstand setzt sich aus dem kleinen inneren Widerstand des Körpers, dem Körperinnenwiderstand Ri, und den Übergangswiderständen an der Strom Ein und Austrittsstelle zusammen. Die Übergangswiderstände hängen von äusseren Verhältnissen ab. Trockene Haut und trockene Kleidung haben einen grossen Widerstand. Bei Feuchtigkeit (Schweiss, nassem Boden), ist der Übergangswiderstand jedoch gering. Der Übergangswiderstand hängt auch von der Berührungsfläche ab. Ist die Berührungsfläche grösser, so wird der Übergangswiderstand kleiner. Der Gesamtwiderstand (Innen und Übergangswiderstand) beträgt beim Menschen ca. 1000 W. Mit der lebensgefährlichen Stromstärke von 50 mA beginnt die gefährliche Spannung daher bei UI*R 1000 *0,05 A 50 V. Wechselspannungen über 50 sind lebensgefährlich (bei Tieren 24V). Gleichspannungen über 120V sind lebensgefährlich (bei Tieren 60V). Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes führt bei grosser Stromstärke an der Ein und Austrittsstelle zu Verbrennungen. Dort entstehen die sog. Strommarken. Dabei kann es durch auftretende Lichtbögen bis zur Verkohlung von Körperteilen kommen (Verbrennungen 4.Grades). Die Folgen von starken Verbrennungen führen im nachhinein zur Überlastung der Nieren und zum Tode. Infolge der Stromeinwirkung kommt es, vor allem bei längerer Einwirkungsdauer, auch zur elektrolytischen Zersetzung des Blutes und damit zu schweren Vergiftungserscheinungen. Solche Folgeerkrankungen können auch erst nach einigen Tagen auftreten. Um sicher zu gehen, sollte man daher bei elektrischen Unfällen auch dann einen Arzt aufsuchen, wenn zunächst keine Anzeichen einer Schädigung vorliegen. Wechselstrom mit 50 Hz ist gefährlicher als Gleichstrom, weil es bei dieser Frequenz eher zum Herzkammerflimmern kommt. Wegen der Unfallgefahr ist das Arbeiten an unter Spannung stehender Teile verboten! Bei Betriebspannungen über 50V Wechselspannung oder 120V Gleichspannung sind Arbeiten an Teilen, die unter Spannung stehen, nur dann gestattet, wenn diese Teile aus wichtigen Gründen nicht spannungsfrei geschaltet werden können. Solche Arbeiten dürfen nur durch Fachkräfte, nicht aber durch Auszubildende ausgeführt werden. NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 1.3. Reparatur eines Gerätekabels Wir brauchen dazu ein Messer und 2 kleine Schraubenzieher (Nr. 1 und 2). Zuleitung(Phase) meist rot, schwarz oder weiss Nulleiter meist gelb, hellblau Schutzleiter gelbgrün Skizzen: Vorgehen: 1 Kabelmantel wegschneiden 2 Zugentlastungsbinde anbringen 3 Aderisolationen entfernen 4 Litzendrähte kürzen (gelbgrün Schutzleiter muss etwas kürzer sein) 5 Litzendrähte verdrillen und in die Klemmen einführen (gelbgrün Schutzleiter muss in die Mitte) 6 Litzendrähte gut festschrauben, Deckel aufschrauben 1.4. Sicherungen Der Sinn von Sicherungen ist, dass sie vor Bränden schützen, die durch den elektr. Strom verursacht würden. Bauweise: Funktion: Zwischen 2 Kontaktplatten ist ein dünner Draht eingespannt. Fliesst ein zu grosser Strom durch den Draht Kurzschluss, so schmilzt er durch; dadurch wird der Stromkreis unterbrochen. Die Gefahr ist somit abgewendet. Jede Sicherung ist mit einer Farbe versehen und auch beschriftet. Sicherungsarten: Absicherung allgemein Absicherung Küche Absicherung Küche Absicherung Industrie 6 A, 10 A, 16 A, 25 A, grüner Farbcode roter Farbcode silber Farbcode gelber Farbcode FehlerstromSchutzschalter: Er ist eine äusserst empfindliche Stromwaage, die den zufliessenden und abfliessenden Strom ständig misst. Fliesst nun in der Anlage an einer andern Stelle Strom durch das Kabel, so fliesst weniger Strom durch den Schutzschalter. Der Schalter unterbricht innert Bruchteilen einer Sekunde den Zufluss von Strom. Dies erspart dem Betroffenen zwar den Elektroschlag nicht, dafür löst sich die Muskelverkrampfung und weitere Folgen. Wichtig: Der FehlerstromSchutzschalter ersetzt keine normalen Sicherungen! NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse Der FehlerstromSchutzschalter ist ein zusätzlicher Personen und Brandschutz und ist sehr zu empfehlen. NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 2. Elektr.Stromkreise 2.1. Einführung Die ganze Arbeitsgruppe holt sich das Arbeitsmaterial aus dem betreffenden Schrank. Der Gruppenchef kontrolliert die Vollständigkeit des Materials. Ich bin in Gruppe mit . Der Arbeitsplatz wird wie folgt eingerichtet Netzgerät links Lochplatte Mitte KISAMKästen rechts VERSUCH 1 1. 2. Netzgerät zur Entnahme von 12 Volt () Gleichstrom vorbereiten. Das Schaltbild gemäss Zeichnung aufstecken. 12 Volt 3. Netzgerät einschalten (Lehrerkontrolle vorher) Was stellst du fest, wenn du bei 2 den Stromkreis schliesst? Antwort: 4. Benenne die Teile 1 bis 4 Nummer Name Elektr. Symbol 1 2 3 4 Zeichne ein vereinfachtes Schaltbild der obigen Zeichnung NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität NMM•Physik•Sek.Aarwangen 8.Klasse Elektrizität 8.Klasse 2.2. Schaltbilder 1 Richte den Arbeitsplatz wie bei Versuch 1 ein. VERSUCH 2 Achte auf eine übersichtliche Anordnung Schaltbild Beobachtung, Erklärung Schaltbild Beobachtung, Erklärung Schaltbild Beobachtung, Erklärung VERSUCH 3 VERSUCH 4 NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse VERSUCH 5 Schaltbild Beobachtung, Erklärung L1 L2 VERSUCH 6 Schaltbild L1 Beobachtung, Erklärung L2 L3 VERSUCH 7 Schaltbild Beobachtung, Erklärung L2 L1 L3 NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 2.3. Schaltbilder 2 Neues Elektrisches Symbol W1 Weiche 1 W2 Weiche 2 1 Stellung 1 2 Stellung 2 Weiche VERSUCH 8 Beschreibung Schaltbild Löse folgende Schaltung gruppenweise 6 Volt 1 W1 2 bedeutet Lampe leuchtet 1 W2 2 W2 1 2 1 6V W1 2 VERSUCH 9 Beschreibung Löse folgende Schaltung gruppenweise 6 Volt 1 S2 NMM•Physik•Sek.Aarwangen 1 2 2 1 S1 6V L2 L1 Gruppe S2 S1 1 TEST L1,2,3 bedeutet Lampe leuchtet Schaltbild L3 2 2 Elektrizität 8.Klasse 2.4. Wirkung des Stromes 2.4.1. Wärmewirkung (Elektroherd) 1. Lies das Blatt: Wie funktioniert ein Elektroherd? Auszug Natur und Technik Verlag CVK NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 2. Erkläre, wie es möglich ist, dass die Wärmewirkung der Kochplatte durch den Schalter geändert werden kann. 2.4.2. Chemische Wirkung (Galvanisieren) 1. Schlage den Begriff 1Galvanisieren nach und notiere das Wichtigste. 2. Wie kann man etwas Verkupfern?Erkläre mit Hilfe des Buches 1 Luigi Galvani, ital. Mediziner, (1737 1798) NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 3. Stromstärke 3.1. Versuch 1. Stelle untenstehende Versuchsanordnung her. 2. Trage die Messergebnisse in das Protokoll ein. Zeichne die Schaltung mit elektr. Symbolen auf. 3. Welches ist deine Feststellung? Anordnung Schaltbild Protokoll Anmerkung: Bezeichne die Helligkeit mit schwach leuchtend/leicht l./mittel l./ stark l./sehr stark l. Spannung 2V 4V 6V 8V 10V 12V Feststellung NMM•Physik•Sek.Aarwangen Helligkeit Stromstärke (in mA) Elektrizität 8.Klasse 3.2. Formel,Einheit Abk. Stromstärke ; Stromstärke E Ladung Zeit 2 Stromstärke 1 Ampère (1 A) 3 Ladung 1 Coulomb (1 C) S 1 1000 mA 10000 A 1 A 0,001 mA 0,000 001 Ampèremeter,Strommessgerät Vergleich 1 Ampère liegt vor, wenn pro Sekunde 62400000000000 Elektronen (6,24 Trillionen) durch den Leiterquerschnitt geflossen sind. Wieviel sind 6,24 Trillionen Elektronen? Wäre ich fähig, Tag und Nacht, in der Sekunde 1000 Elektronen zu zählen, so müsste ich 200 Millionen Jahre lang arbeiten, um nur die Anzahl Elektronen in 1 Sekunde zu zählen!!! Aufkommen der Saurier bis heute 1995! 3.3. Messgerät DT 130 NT WICHTIG: Das SCHWARZE Prüfkabel wird IMMER in die Buchse COM gesteckt, das ROTE in den gewünschten Messbereich. (meistens Bereich V/)/mA) 3.4. Beispiele 60 Watt Birne 2 3 André Ampère, franz. Naturforscher, (1775 1836) Coulomb, franz. Physiker, (1736 1806) NMM•Physik•Sek.Aarwangen 0,27 Elektrizität 8.Klasse Staubsauger 1,4 Bügeleisen 4,6 Elektr. Lokomotive 150 Blitzschlag NMM•Physik•Sek.Aarwangen 2000 Elektrizität 8.Klasse 4. Spannung 4.1. Potential Zeichnung Beschreibung Wasser leistet beim Ausfliessen Arbeit. Je mehr Wasser und je mehr Höhe vorhanden ist, desto mehr Arbeit kann verrichtet werden. Die Fähigkeit das Wasserrad zu bewegen liegt im gespeicherten Wasser, im Wasserpotential. Das Potential wird auch Leistungsfähigkeit genannt. 4.2. Potentialdifferenz Zeichnung Beschreibung Potentialdifferenz(h) Erklärung 4.3. Batterie Zeichnung Feststellungen NMM•Physik•Sek.Aarwangen Beschreibung Elektrizität ! 8.Klasse Stromursache Stromrichtung Lies im Physikbuch „westermann Seite 8485 4.4. Einheit Abk. 4 Spannung 1 Volt (1 V) Spannung S 1 Mega Volt(1 MV) 10000 1000 Kilo Volt(1 kV) Voltmeter,Spannungsmesser 4.5. Beispiele Flachbatterie 4,5 Autobatterie 12 Lichtnetz 220 Zündfunke beim 2Takt Motor Blitzschlag Hochspannungsleitung 4 15000 1000000 38000 V/22000 Graf Allessandro Volta, ital. Physiker, (1745 1827) NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität Masten Masten 8.Klasse 60m hoch 42m hoch NMM•Physik•Sek.Aarwangen 380 kVolt Leitungen 220 kVolt Leitungen Elektrizität 8.Klasse 5. Leiter/Nichtleiter 5.1. Versuch 1. Stelle untenstehende Versuchsanordnung her. 2. Trage die Messergebnisse in das Protokoll ein. Zeichne die Schaltung mit elektr. Symbolen auf. 3. Welches ist deine Feststellung? Anordnung Schaltbild Tester gedrückt 12 Volt Anmerkung: Messinstrument systematisch vom 101 Bereich tiefer schalten. (300,100,30,10, .mA). 1 A 0,001 mA Protokoll Gegenstand Schnur Papier DaumenZeigefinger linkerechte Hand Kettchen 1 Nagel Salzwasser (1 dlH2O,1 Prise Salz) Feststellung NMM•Physik•Sek.Aarwangen Stromstärke in mAmpère Elektrizität 8.Klasse 6. Elektrischer Widerstand 6.1. Versuch Schüler haben untenstehende Messergebnisse erhalten. 1. Zeichne eine Graphik(horizontal Ampère; vertikal Längen) 2. Fülle die Lücken Protokoll Längen Konstantan Ø 1mm (schwarze Farbe) Konstantan Ø 2mm (blaue Farbe) Messing (gelbe Farbe) 6 0,2 0,4 2,1 5 0,3 0,5 2,3 4 0,3 0,6 3 3 0,4 0,8 3,8 2 0,5 1,1 4,9 1 1 2 6,3 0 10 10 10 Graphik Anordnung Beispiel mit 5 Längen 4 Volt Feststellungen •Je dicker der Draht, desto ist die Stromstärke. •Je kürzer der Draht, desto ist die Stromstärke. •Verschiedene Materialien lassen verschieden grosse Ströme durch den Leiter. NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 6.2. Abhängigkeit Der elektrische Widerstand ist abhängig von: A T Länge des Drahtes Art des Materials Fläche des Querschnitts Temperatur Je länger der Draht, desto. der Widerstand. Je grösser der Querschnitt, desto. der Widerstand Je wärmer ein Metall(Cu, Messing), desto der Widerstand. 6.3. Formel,Einheit Abk. Elektr. Widerstand ; (bei 20 C) Widerstand Querschnittsfläche Länge spez. Widerstand(rho) 5 Widerstand 1 Ohm (1 ) Bemerkung: Der spezifische Widerstand ist abhängig vom Material. von Konstantan 0,5 von Kupfer 0,018 6.4. Aufgaben 1. Berechne die Länge eines Konstantandrahtes, wenn der Widerstand 30 und 1,5 mm 2 ist. AN AL AU 2. Berechne die Fläche eines Kupferdrahtes und dann den Durchmesser des Drahtes, wenn der Widerstand 11,459 und 4,5 km ist. AN AL AU 5 Georg Simon Ohm, dt. Physiker, (1787 1854) NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 7. Ohmches Gesetz 7.1. Versuch 1. Stelle untenstehende Versuchsanordnung her. 2. Trage die Messergebnisse direkt in die Graphik ein. Gleiche Einteilung der 2 Graphiken. 3. Lies die Stromstärke bei 4,6,8,10,12 Volt ( bedeutet Gleichstrom) ab. 4. Welches sind deine Feststellungen? Anordnung Konstantandraht mit 3 Längen Messbereich 10 Ampère Stromquelle Lochplatte Messgerät Graphik Konstantan Ø 0,2 mm2 Konstantan Ø 0,1 mm2 Volt Feststellungen NMM•Physik•Sek.Aarwangen Volt Elektrizität 8.Klasse 7.2. Formel,Einheit Elektr. Widerstand UR*I Abk. Widerstand S Spannung Stromstärke Widerstand 1 Ohm (1 ) 7.3. Ohmches Gesetz 7.4. Aufgaben 1. wenn Der Widerstand eines Bügeleisens beträgt 40 . Wie gross ist der fliessende Strom, das Bügeleisen am normalen Stromnetz angeschlossen ist? AN AL AU 2. 14 R? 3. Spannung 0,25 Widerstand a) 220 1500 b) 350 0,75 M c) 2,3 k Stromstärke 5,2 mA d) 110 5,6 e) 125 mV 3,8 A f) NMM•Physik•Sek.Aarwangen 180 36 Elektrizität 8.Klasse 8. Serie und Parallelschaltung 8.1. Versuch Vervollständige die Zeichnungen, indem du die Lämpchen richtig mit der Batterie verbindest. Serieschaltung Parallelschaltung 1. Führe die Versuche 1 4 nacheinander durch. Das Messgerät darf nur auf den Bereich 1 eingestellt sein! Zuerst 6 (), dann 12 V() 2. Trage die Messergebnisse in das Protokoll ein. 3. Welches sind deine Feststellung? Formuliere diese in Satzform. Anordnung Versuch 1 6V Versuch 2 33 68 6V Versuch 3 6V 33 Versuch 4 33 6V 33 Protokoll R/U 6 Volt NMM•Physik•Sek.Aarwangen Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 33 68 33 33 Versuch 4 Elektrizität 12 Volt NMM•Physik•Sek.Aarwangen 8.Klasse Elektrizität 8.Klasse Gesetzmässigkeiten (Vergleiche folgende Messresultate miteinander) V1,2 V2,3 V1,4 8.2. Vergleich SerieParallelschaltung Serieschaltung Parallelschaltung R2 R1 RT in Worten: in Worten: UT ist im ganzen Stromkreis gleich! in Worten: in Worten: ist im ganzen Stromkreis gleich! IT Herleitung NMM•Physik•Sek.Aarwangen ITI1I2 ersetze I1 :U und ersetze I2 durch I I1 und I2 IT Elektrizität 8.Klasse 8.3. Anwendung der Serieschaltung 8.3.1. Apfelbatterie Mit einem Apfel kannst du jederzeit eine elektr. Spannung herstellen. Miss mit dem Messgerät Bereich 1 Volt() wieviel Volt ein gewöhnlicher Apfel abgibt. Verbinde dazu einen blanken Kupferdraht mit dem Pluspol und einen Eisennagel mit dem Minuspol Pol Pol Meine Messung ergibt: 8.3.2. Zitronen oder Äpfel in Serie Stromrichtung Meine Messung: ungefähr Volt Bei Zitronen oder anderem Obst(Säuren sind wichtig) in Serie geschaltet, addieren sich die Teilspannungen! Deshalb sind Batterien in Serie geschaltet, weil sich dadurch die Teilspannungen addieren! 8.4. Anwendung der Parallelschaltung Im unverzweigten Stromkreis können alle Geräte nur gemeinsam ein und ausgeschaltet werden. Bei der Christbaumbeleuchtung hätte diese Reihenschaltung aber den grossen Nachteil, dass bei einem Ausfall einer Lampe die gesamte Beleuchtung erlischen würde! Beim verzweigten Stromkreis ist es aber möglich, jedes parallel geschaltete Gerät für sich allein ein und auszuschalten. Vorteil der Parallelschaltung; ist ein Gerät defekt, können die andern angeschlossenen Geräte weiterbenützt werden. NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 8.5. Aufgaben zur Parallelschaltung Berechne den Gesamtwiderstand 1. 2 2 2 Berechne den Gesamtwiderstand 2. 6 2 2 6 Ha 1 2 3 Schaltungsa rt a) 66 b) 66 c) 24 22 33 121 22 30 d) Serie 12 12,75 R1R2R3 Berechne 3. 40 20 72 32 a) den Gesamtwiderstand b) die Stromstärken in den Zweigen 40 zwischen und 27 4. 21 25 R5 mA I1 5. I2 RT NMM•Physik•Sek.Aarwangen 1 2 1 300 T I 1 0,1 2 2 0,15 Elektrizität 8.Klasse Z1. a) b) Ein Widerstand von 0,1 und einer von 60 sind parallel geschaltet. Welchen Gesamtwiderstand besitzt die Kombination? Welchen Widerstand muss man als dritten zu den ersten beiden parallel schalten, damit der Gesamtwiderstand 30 wird? AN AL AU Z2. Eine 110 Volt Glühlampe, die von 0,55 durchflossen wird, soll an das 220 Volt angeschlossen werden. Wie gross ist der Vorwiderstand zu wählen, damit die Lampe nicht durchbrennt? Netz Z3. a) b) c) Z4. An 2 Parallelwiderstände von 5 und 20 wird die Spannung 8 Volt gelegt. Wie gross wird die Stromstärke in dem 5 Widerstand? Wie gross wird die Gesamtstromstärke? Um wieviel muss man den 20 Widerstand verkleinern, damit bei gleicher Gesamtspannung die Stromstärke auf 2,4 steigt? Welche Art von Schaltung liegt vor? Wieviele Widerstände werden gebraucht? Rechne und zeichne folgende Gegebenheiten. U1 100 V; U2 80V; U3 20 V; 2 NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 9. Elektrische Arbeit und Leistung 9.1. Formel,Einheiten der elektr. Arbeit Abk. Elektr. Arbeit Spannung Stromstärke Zeit Elektr. Arbeit Spannung Stromstärke WU*I*t Zeit Wattsekunde(Ws); Wattstunde(Wh); Kilowattstunde (kWh) 9.2. Formel,Einheiten der elektr. Leistung Elektr. Leistung PU*I Merke: Watt(W) oder Voltampère(VA) 1 Wh 3600 1 Ws 1 kWh 1000 3600 1 Ws * 1000 360000 Ws 9.3. Elektrizitätsmesser Der Elektrizitätszähler zählt die elektr. Arbeit oder die elektr. Energie. Je nach Messgerät entsprechend z.B. 480 Umdrehungen des Zählrades 1 kWh. Je mehr Apparate am Stromnetz angeschlossen und auch in Betrieb sind, desto schneller dreht das Zählrad, desto höher der Energieverbrauch. Die Energiemesser sind vom EW plombiert, sodass keine Manipulationen vorgenommen werden können! 9.3.1. Was ist 1 kWh? Eine kWh entspricht ungefähr •15 bis 20 Stunden Radiohören •4 mal staubsaugen in einer 4ZimmerWohnung •1 Mittagessen für 4 Personen zubereiten •2 Jahre lang jeden Morgen rasieren 9.3.2. Was kostet eine kWh? Heute haben wir folgende Preise(Stand 2005 in Aarwangen) Hochtarif (07.00 – 21.00 Uhr) Niedertarif (21.00 – 07.00 Uhr) NMM•Physik•Sek.Aarwangen Sommertarif 21,5 Rp. 8,6 Rp. Wintertarif 24,1 Rp. 10,6 Rp. Elektrizität 8.Klasse Zusätzlich wird auch noch ein Sommer und Wintertarif angewendet. Sommer April – September Winter Oktober März Beantworte folgende Fragen: a) Weshalb ist der Niedertarif für 1 kWh billiger? b) Weshalb ist der Wintertarif für 1 kWh teurer? Informationen aus: NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 9.3.3. Muskelkraft kWh Um eine Kilowattstunde Arbeit zu verrichten, müssten Menschen 735 Säcke von 50 kg Masse 10 Meter hoch hinauftragen. Dafür bezahlen wir in Form von Strom im Ch Durchschnitt etwa 14 Rp. Übrigens ist Strom eine der wenigen Artikel ,die vor 65 Jahren teurer war als heute!! Preis 1930 Preis 1995 45 Rp. pro kWh 14 Rp. pro kWh 9.4. Aufgaben 1. Wie stark ist der Strom, der in einer Glühlampe mit der Aufschrift 220V/40W fliesst? AN AL AU 2. In einer 220 VoltLampe fliesst ein Strom von 273 mA. a) Welche WattBezeichnung stand auf der Lampe? b) Wieviel kWh verbraucht sie bei einer Brenndauer von 12 h? AN AL AU 3. Was kostet der Verbrauch einer 25(40,60,100) WLampe bei 220 und 8 stündiger Brenndauer? (Tarife von Langenthal) Berechne Hoch und Niedertarif. 25W 40W 60W 100 NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität NMM•Physik•Sek.Aarwangen 8.Klasse Elektrizität Ha 8.Klasse Spannung a) 220 b) 1,5 kV Widerstand Stromstärke 1,5 12,5 kW c) 150 A d) 110 3 mW 6,8 e) 0,5 f) 1,2 Z1. Leistung 120 60 Ein Radio mit der elektr. Leistung 50 Watt wird täglich 4 Stunden eingeschaltet. Wieviel kostet mich das Radiohören im Tag und wieviel in einem Jahr? (365 Tage) AN AL AU Z2. geht Eine Projektionslampe trägt die Aufschrift 5A/375W. Welchen Vorwiderstand muss man wählen, wenn die Lampe mit 220 betrieben werden soll? Welche Leistung in dem Widerstand verloren? NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 9.5. MechanikWärmeElektrizität 9.5.1. Vergleich Mechanik Wärme Arbeit Elektrizität Einheit Leistung Einheit Vergleich 1 Nm bedeutet 100 1 hochheben 1J bedeutet 1g Wasser 0,24 erwärmen 1 Ws bedeutet 1 und 1 in 1 Sekunde durch den Leiter fliessen (1 PS entspricht 736 Watt 1 Watt entspricht 0,24 cal pro sec.) 9.5.2. Vergleichsaufgaben 1. 2. Z1. Welche Wärmemenge (in Joule) entspricht der elektr. Arbeit 1 kWh? Welche Wärmemenge (in Joule) entsteht in einer 60 WattLampe je Sekunde? Ein Tauchsieder für die Spannung 220 bringt 1 Liter Wasser in 12 Min. von 0 auf 98 C. a) Welchen Widerstand besitzt er? b) Berechne seine Leistung! c) Berechne den Widerstand und Leistung des Tauchsieders, der am 110 VNetz (USA) dasselbe vollbringt! Unterschied? NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 10. Elektromagnetismus 10.1. Elektromagnet Zeichnung Beschreibung 2 1 Legende 1 2 Erklärung Entdeckung: Der dänische Physiker 6Oersted beobachtete als erster das Magnetfeld um einen Draht. Zu Ehren seiner Entdeckung 1820 definierte man die magn. Feldstärke mit seinem Namen. 10.2. Magnetische Induktion 7 2 1 Erklärung 6Hans 7 Christian Oersted, dän. Physiker, (1777 1851) von lat. inducere hineinführen NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 10.3. Elektromotor Der Elektromotor ist eine Anwendung des Elektromagnetismus • Es wird dabei elektr. Energie in Bewegungsenergie umgewandelt. • Der Elektromotor hat rund um eine drehbare Spule noch einen zweiten Elektromagneten, den Feldmagneten. Beispiele: Mixer, Modelleisenbahn, Spielzeugauto usw 10.3.1. Aufbau eines Elektromotors Dauermagnet Dauermagnet Anker Kollektor 10.3.2. Versuch zum Elektromotor 1. Stelle untenstehende Versuchsanordnung her. Beachte: Drehbügel soll mitdrehen; evt. und Pol vertauschen Material: Kasten EL1,2 und Mechanik 1,2 Anordnung Legende 1 Drehbügel 2 Magnete (innen) 5 2 4 3 12 Volt 6 4 Strombügel 5 Schraubenfeder 1 3 3 Spulen, 500 Wdg, Eisenkerne 2 6 Drehlager Lies dazu im Physikbuch westermann Seite 9899 NMM•Physik•Sek.Aarwangen Elektrizität 8.Klasse 10.3.3. Beispiel eines Elektromotors 10.4. Generator (Dynamomaschine) 8 Der Generator ist eine Anwendung der magnetischen Induktion. • Es wird dabei Bewegungsenergie (Magnet) in elektrische Energie umgewandelt. • Der Generator besteht aus einem Magneten, der innerhalb von Spulen gedreht wird. • Die erzeugte Spannung wechselt ständig, sodass ein Wechselstrom entsteht! Beispiele: Kraftwerke, Autos, Dynamos beim Velo usw Lies im Physikbuch westermann Seite 101 10.5. Wechselspannung,Wechselstrom Die Wechselspannung entsteht, wenn mit einem Magneten vor einer Spule hin und herbewegt wird! Ist diese Spule in einen Stromkreis geschaltet, so fliesst ein Strom, der mit der wechselnden Spannung ebenfalls fortlaufend seine Richtung wechselt; er wird dementsprechend Wechselstrom genannt. U Wie heisst diese Kurve? 0 Zeit (t) 1 U 50 Lies im Physikbuch westermann Seite 103 ENDE Elektrizität 8 von lat. genere erzeugen NMM•Physik•Sek.Aarwangen