Arbeitsblatt: Elektrizitätslehre

Material-Details

Stromkreislauf einfach erklärt
Physik
Elektrizität / Magnetismus
8. Schuljahr
40 Seiten

Statistik

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676
30
04.04.2018

Autor/in

Rahel Fässler
Land: Schweiz
Registriert vor 2006

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Textauszüge aus dem Inhalt:

1. Der elektrische Stromkreis Du möchtest hinter die Geheimnisse des Stromes kommen und ein Lämpchen unmittelbar an einer Batterie zum Leuchten bringen? Theorie In einem einfachen Stromkreis kann Strom fließen. Damit ein Strom fließen kann, wird eine sogenannte Spannungsquelle benötigt. Dies kann eine Batterie oder eine Steckdose. Von dieser Spannungsquelle aus führt nun eine Zuleitung zum sogenannten Verbraucher des Stromkreises. Ein solcher Verbraucher kann zum Beispiel eine Glühbirne sein. Von diesem Verbraucher aus führt eine Rückleitung zurück zur Spannungsquelle. Dabei musst du darauf achten, dass die Verbindungen für die Zu und Rückleitung des Stromes leitfähig sind. Das ist zum Beispiel bei Kupfer der Fall. Aber auch andere Metalle leiten den Strom gut. Wichtig ist, dass solche Verbindungsdrähte mit einem Schutzmantel verkleidet sind. Aufgabe Nenne mir zwei Verbraucher: Nenne mir eine Spannungsquelle: Nenne mir zwei Zuleitungsmaterialien, die den Strom gut leiten: Was braucht man, damit ein einfacher Stromkreis funktioniert? Aufgabe Schreibe Relativsätze zum Typ II und Typ III auf. Der Stromkreis, Die Spannungsquelle, Die Zuleitung, Der Verbraucher, Aufgabe In das Kinderspielhaus soll eine Beleuchtung eingebaut werden. Dazu brauchen wir einen Stromkreis, den man öffnen und schliessen kann. Elektrizität: der Stromkreis Seite 1 a) Auf der rechten Seite findest du eine Menge Teile, die du zum Bauen verwenden kannst. Aber Vorsicht: es werden nicht alle Bauteile gebraucht! b) Mit Welchem Schalter kannst du den Stromkreis noch schliessen und öffnen. Aufgabe Welche Bausteine hast du verwendet? Weisst du noch wie die einzelnen Teile heissen? Leitungsdraht, Reissnagel, Batterie, Bleistift, Glühlampe, Leitungsdraht, Steckdose, Netzkabel, Schalter, Leitungsdraht, Schreibe, Lampenfassung Elektrizität: der Stromkreis Seite 2 Experiment Wir bauen nun einen Stromkreislauf. Was brauchen wir? Zeichnung: Vorgehen: Elektrizität: der Stromkreis Seite 3 Nun schauen wir uns die einzelnen Bestandteile eines funktionierenden Stromkreises genauer an: 2. Batterie Ein kleiner Behälter in dem Strom gespeichert ist nennt man Batterie. Jede Batterie hat einen Plus und einen Minuspol. Schließt man die Batterie an einen Stromkreis an dann fließt der Strom durch den Kreis und bringt zum Beispiel ein Lämpchen zum Leuchten. Es gibt heute viele Geräte, die mit Hilfe von Batterien betrieben werden. Taschenlampen, Radios, Wecker, Telefone usw Aufgabe Bestimme den Fall. Jede Batterie1 hat einen Pluspol2. Schliesst man3 die Batterie4 an einen Stromkreis5, fliesst der Strom. Taschenlampen6 werden mit Batterien7 betrieben. 1. 2. 3. 5. 6. 7. Elektrizität: der Stromkreis 4. Seite 4 Aufgabe Wie bringst du das Lämpchen zum Leuchten? Auf der rechten Seite siehst du einige Möglichkeiten, wie man eine Glühlampe an die Pole anschliessen kann. Umkreise das Passende. Aufgabe Welche Lämpchen leuchten? Kreuze das Entsprechende an. Elektrizität: der Stromkreis Seite 5 3. Elektrische Leiter Weisst du, welche Materialien elektrischen Strom leiten? Hier siehst du einen einfach Stromkreis, der allerdings an einer Stelle unterbrochen ist. Um den Stromkreis zu schliessen und das Lämpchen zum Leuchten zu bringen, kannst du die Gegenstände auf der rechten Seite verwenden. 3.1 Theorie Eine Weide wird eingezäunt, damit die Tiere nicht weglaufen können. Einen Zaun aus Drähten könnten die Pferde leicht umreissen, an einem Stacheldraht könnten sie sich verletzten. Hier hilft ein Elektrozaun. Das ist ein Band aus Draht, an dem die Elektrizität: der Stromkreis Seite 6 Tiere bei Berührung einen schmerzhaften, aber ungefährlichen Schlag erhalten. Nach dieser Erfahrung halten sie Abstand. Der Elektrozaun wird von einer Batterie mit Strom versorgt. Die Zuleitungen von der Batterie zum Zaun sind mit Kunststoff überzogen. Hier ist die Berührung des Drahtes ungefährlich. Es ist also ein grosser Unterschied, ob der blanke oder der geschützt Draht berührt wird. Nur beim Berühren des blanken Drahtes erhalten die Pferde einen elektrischen Schlag. Stoffe, die den elektrischen Strom leiten, heissen Leiter. Aus solchen Stoffen besteht das Band oder der Draht des Elektrozaunes. Der Kunststoff um die Zuleitungen leitet den elektrischen Strom nicht. Solche Stoffe heissen Nichtleiter oder Isolatoren. Aufgaben Weshalb ist es sinnvoll die Tiere mit einem Elektrozaun „einzusperren? Wenn du einen Elektrozaun berührst, zwickt er dich. Wie kannst du ein Zwicken vermeiden? Schreibe den Satz zu Ende. Ein Leiter Ein Isolator Ich merke mir Experiment Material Eine Glühlampe mit Fassung Drei Drähte (Länge 50cm) – Die Isolierung muss an den Enden jeweils entfernt werden Eine 4,5 Volt Batterie Zwei Büroklammern Elektrizität: der Stromkreis Seite 7 Aufbau Manche Gegenstände oder Materialien können Strom leiten. Teste welche der hier liegenden Materialien und Gegenstände Strom leiten und welche nicht. Vorgehen Lege dazu die beiden Büroklammern auf den zu testenden Gegenstand, nachdem du den Versuch nach der oben gezeichneten Skizze aufgebaut hast. Wenn das Lämpchen leuchtet, leitet er Strom. Leitet: Leitet nicht: Elektrizität: der Stromkreis Seite 8 Aufgabe Was stellst du fest? Ich merke mir Unterschiedliche Stoffe leiten den elektrischen Strom unterschiedlich gut. Je besser ein Stoff den Strom leitet, desto höher ist seine elektrische Leitfähigkeit. Quiz Die Drähte in Kabeln bestehen aus Kupfer oder Aluminium. Warum wird nicht Eisen oder Gold verwendet? Elektrizität: der Stromkreis Seite 9 4. Der Schalter Wir bauen einen Schalter Aus einer Wäscheklammer und einigen weiteren Teilen kannst du einen Schalter bauen, mit dem man die Glühlampe einschalten kann. Elektrizität: der Stromkreis Seite 10 5. Energie sparen Wie kannst du in einem Haushalt sinnvoll Strom sparen? Wie du siehst, sitzt die Familie gerade im Esszimmer beim Abendessen. Im ganzen Haus sind jedoch elektrische Geräte angeschaltet, die teilweise unnötig Strom verbrauchen. Aufgabe Welche Geräte sollte man in diesem Fall ausschalten, um unnötigen Stromverbrauch zu vermeiden? Elektrizität: der Stromkreis Seite 11 6.1 Der Stromverbrauch Auf der rechten Seite siehst du einige Geräte, die du nach geringem und hohem Stromverbrauch sortieren musst. Theorie Woher weisst du, welche Geräte besonders viel Strom verbrauchen? Wenn du fernsiehst, verbraucht das ungefähr doppelt so viel Strom wie Radio hören. Aber wie kannst du feststellen, wie viel Energie ein Gerät verbraucht? Auf vielen Geräten befindet sich ein Aufkleber oder eine Prägung, auf der die Leistung in Watt (W) angegeben ist. Auf einer Glühbirne steht z.B. 100 W. Das bedeutet, dass die Glühbirne 100 Watt verbraucht, wenn sie eine Stunde lang brennt. Das wären dann 1000 Watt in 10 Stunden, das heisst, nach 10 Stunden hat sie 1 Kilowattstunde Strom verbraucht. Ein Wasserkocher hat z.B. eine Leistung von 1000 Watt, das bedeutet, dass er in nur einer Stunde genauso viel Energie verbraucht wie die Glühbirne in 10 Stunden. Sein Energieverbrauch ist also 10 mal so hoch. Aufgabe Suche zu Hause 3 verschiedene elektrische Geräte und lies die Leistung ab. Schreibe sie hier auf: 1. Gerät: Leistung: 2. Gerät: Leistung: Elektrizität: der Stromkreis Seite 12 3. Gerät: Leistung: 7. Gefahren Was passiert wohl, wenn der Mensch in einen Stromkreis hineinfasst? Wiederholung Normalerweise sind elektrische Geräte da, wo der Strom durchfliesst, isoliert. Das heißt, dass diese Teile mit einem nichtleitenden Stoff wie Gummi oder Plastik umhüllt sind, damit man nie den Strom direkt anfasst. Wenn ein Gerät kaputt ist, oder wenn man zum Beispiel in eine Steckdose fasst, wird der Körper ein Teil vom Stromkreis. Dann fließt Strom durch den Körper, der Körper leitet den Strom wie Metall oder Wasser. Dadurch verkrampfen sich die Muskeln und man kann sich nicht mehr richtig bewegen. Wenn der Stromschlag sehr stark war, ist man sogar für eine bestimmte Zeit gelähmt und kann nicht mehr richtig atmen, man kann bewusstlos werden und das Herz hört auf zu schlagen. Der direkte Kontakt mit Strom kann also tödlich sein! Auch wenn man in der Nähe von Dingen und Geräten steht, durch die sehr starker Strom fließt, können Funken springen, dabei kann man sich sehr stark verbrennen. Darum darf man Dinge, an denen dieses Schild hängt, nie anfassen: Elektrizität: der Stromkreis Seite 13 Aufgabe Schaut dir die Bilder an: Was darf man machen, was nicht? Streiche die Bilder durch, die gefährliche Situationen zeigen Aufgabe Ganz wichtig: Strom aus der Steckdose kann gefährlich sein! Elektrizität: der Stromkreis Seite 14 Wiederholung Aufgabe Welche Materialien können Strom leiten. Kreuze an! Fragen Weshalb braucht es Stromleitungen? Warum sind elektrische Leitungen mit Kunststoff überzogen? Warum ist es lebensgefährlich den Radio auf die Badewanne zu stellen, während du in der Badewanne liegst? Wo in deiner Umgebung darfst du keine Drachen steigen lassen? Elektrizität: der Stromkreis Seite 15 1. Bewegung Wir wissen, dass ein Stromkreis funktioniert, weil die Glühbirne zu leuchten beginnt. Dank eines funktionierenden Stromkreises kann auch Bewegung entstehen. Welche Geräte erzeugen aus Strom hauptsächlich Bewegung. Aufgabe Auf der rechten Seite siehst du eine Auswahl elektrischer Geräte, die den Strom in verschiedene Energieformen umwandeln. Welche Geräte erzeugen aus elektrischem Strom hauptsächlich Bewegung? Was passiert in den Leitern, dass der Strom fliesst und die Gegenstände in „Bewegung geraten? Dieser Fragestellen rücken wir nun auf die Pelle. Elektrizität: der Stromkreis Seite 16 2. Was „fliesst in den Leitungsdrähten des Stromkreislaufes? Das sind Stromteilchen. Man bezeichnet sie auch Elektronen. Wenn die Elektronen durch die elektrischen Leitungen flitzen, dann heisst das elektrischer Strom. Man kann die Elektronen nicht sehen. Aber am Beispiel einer WarmwasserHeizung könnt ihr euch vorstellen, was in einem Stromkreis abläuft und welche Rolle die Elektronen dabei spielen. Ein einfacher Stromkreis besteht aus fünf Bauteilen. Sie haben eine ähnliche Funktion wie die fünf wichtigsten Bauteile einer Warmwasserheizung. Aufgabe Setze den Stromkreislauf zusammen. 1. 2. 3. 4. 5. Elektrizität: der Stromkreis Seite 17 Wie du siehst, haben Stromteilchen (Elektronen) eine ähnliche Funktion wie die Wassermoleküle. Sie transportieren Energie. Elektrizität: der Stromkreis Seite 18 Die Heizung Funktionsweise der Heizung: Der Stromkreislauf Elektrizität: der Stromkreis Seite 19 Wie du siehst, funktioniert eine Heizung wie ein Stromkreislauf. Die Elektronen werden dabei nicht verbraucht, sondern kehren in einem Kreislauf immer wieder an ihren Ausgangsort zurück. Heizung Stromkreislauf Ventil: Schalter: Aufgabe Verbinde die richtigen Paare. Elektrizität: der Stromkreis Seite 20 1. Spannung, Stromstärke und Widerstand In dieser Aufgabe erfährst du, was die elektrischen Grössen Spannung, Stromstärke und Widerstand in einem Stromkreis bedeuten, wie man sie misst und wie sie miteinander zusammen hängen. Um das besser zeigen zu können, bauen wir den Stromkreis gleich ein wenig um 1.1 Die elektrische Spannung Die Kraft, mit der die Elektronen durch die Leitung „gepumpt werden, heisst elektrische Spannung U. Sie wird in Volt (V) angegeben. Man kann die Spannung mit einem Voltmeter messen, das an den beiden Polen („Ein und Ausgang) der Spannungsquelle angeschlossen ist. Wie du siehst, wurde die Batterie durch drei kleine Monozellen ersetzt, die mit 1.5V beschriftet sind. Sie liefern also jeweils eine Spannung von 1.5 Volt. 1. Die Glühlampe leuchtet nicht 2. Die Glühlampe leuchtet schwach Spannung 0.0V Spannung 1.5V Elektrizität: der Stromkreis Seite 21 Spannung 3.0V 3. Die Glühlampe stärker Die Glühlampe leuchtet am stärksten Spannung 4.5V 4. Man kann in einem Stromkreis also mehrere Spannungsquellen aneinanderfügen („in Reihe schalten), wobei Plus und Minuspol jeweils in dieselbe Richtung zeigen müssen. Bestimmt hat es dich nicht sehr überrascht, dass die Glühlampe bei höherer Spannung heller leuchtet. Aber was passiert eigentlich mit dem Stromfluss in den Leitungen, wenn sich die Spannung ändert? Elektrizität: der Stromkreis Seite 22 1.2 Wie entsteht die elektrische Spannung? Die Monozelle trennt mittels einer chemischen Reaktion positiv und negativ geladene Teilchen voneinander, die normalerweise gleichmäßig verteilt in einer Flüssigkeit schwimmen. An ihrem Minuspol entsteht so ein Überschuss, an ihrem Pluspol ein Mangel an Elektronen. Diese Ungleichverteilung lässt sich messen, sie heißt elektrische Spannung. Häufig werden dabei die Elemente Zink und Kohlenstoff verwendet. Ein solches ZinkKohleElement liefert eine Spannung von 1,5 V. In Metallen können die Elektronen sich relativ frei bewegen. Wenn man Plus und Minuspol einer Spannungsquelle über einen Leiter aus Metall verbindet, können die überschüssigen Elektronen durch diesen geschlossenen Stromkreis wieder zurück zum Pluspol fließen. Die Batterie, wie du sie aus den vorherigen Schulseiten kennst, besteht übrigens aus drei in Reihe geschalteten Monozellen. Sie liefert also eine Spannung von 4,5 V. 1.3 Die elektrische Stromstärke Wir haben ein zweites Messgerät angeschlossen. Es ist eine Art „Zähler, der anzeigt, welche Menge an Elektronen gerade durch ihn hindurch fliesst: Es misst die Stromstärke I. Diese wird in Ampere (A) gemessen. Das Messgerät ist ein Amperemeter. Elektrizität: der Stromkreis Seite 23 1. Stromstärke: Spannung: (Kein Licht) Elektrizität: der Stromkreis 2. Stromstärke: Spannung (Schwaches Licht) Seite 24 3. Stromstärke: Spannung: (Stärkeres Licht) 4. Stromstärke: Spannung (Das stärkste Licht) Wie du gesehen hast, hängen Spannung und Stromstärke eng zusammen: Bei doppelter Spannung verdoppelt sich die Stromstärke, die Elektronen fliessen also doppelt so schnell. (Bei ansonsten gleichen Bedingungen.) Ausserdem kannst du dir merken: In unserem Beispiel beträgt die Stromstärke bei einer Spannung von 1.5V „zufällig genau 1 Ampere. Sie hängt aber noch von einem weiteren wichtigen Faktor ab 1.4 In welche Richtung fliesst der Strom? Der Strom fließt von Plus nach Minus. Das ist die so genannte technische Stromrichtung. Dieser Fliessrichtung würden positiv geladene Stromteilchen folgen, wenn sie frei beweglich wären. In Gegenständen aus Metall (z. B. Kupferdrähte und kabel) können sich jedoch nur die negativ geladenen Stromteilchen (Elektronen) frei bewegen. Sie fließen entgegengesetzt, also von Minus nach Plus. Dies bezeichnet man als die physikalische Stromrichtung. Elektrizität: der Stromkreis Seite 25 Der Effekt ist jedoch der gleiche, wie wenn positive Teilchen von Plus nach Minus fließen würden. 1.5 Der elektrische Widerstand Die Glühlampe hast du schon als Stromnutzer kennen gelernt. Durch sie müssen sich die Elektronen „hindurch zwängen, um Licht zu erzeugen. Die Glühlampe ist somit zugleich ein elektrischer Widerstand R. Dieser wird in Ohm () angegeben. Die Glühlampe in unserem Beispiel hat einen Widerstand von 1.5 Ohm. Wie du siehst, liegt rechts oben noch eine zweite Glühlampe bereit, die ebenfalls 1.5 Ohm Widerstand hat. Elektrizität: der Stromkreis Seite 26 Ähnlich wie bei der Spannung addieren sich auch mehrere in Reihe geschaltete Widerstände zu einem Gesamtwiderstand. Bei zwei Glühlampen ergibt das also 3 Ohm. Du hast gesehen, dass sich bei verdoppeltem Widerstand die Stromstärke halbiert. Die Spannung ändert sich nicht. Die Elektronen fliessen also trotz gleicher Spannung langsamer, die Glühlampen leuchten weniger hell. 1. Stromstärke: Spannung Widerstand: (Kein Licht) 3. Stromstärke: Spannung Widerstand: (Stärkeres Licht) Elektrizität: der Stromkreis 2. Stromstärke: Spannung Widerstand: (Schwaches Licht) 4. Stromstärke: Spannung Widerstand: (Das stärkste Licht) Seite 27 Einschub! Was ist ein Widerstand? Der Widerstand bewirkt, dass die Elektronen nicht völlig ungebremst durch den Stromkreis flitzen können. Und das ist auch gut so, denn sonst gäbe es einen KURZSCHLUSS! Die Eigenschaft eines elektrischen Leiters, den Stromfluss zu hemmen, nennt man Widerstand. Man kann sich das wie bei einer Röhre vorstellen: Je enger sie ist, desto weniger Teilchen passen gleichzeitig hindurch. Also: Je höher der Widerstand, desto geringer die Stromstärke. Da aber die Stromstärke in Zuleitung und Rückleitung überall gleich ist, müssen sich die Elektronen durch die Engstelle schneller bewegen. Dadurch entsteht Wärmeenergie, die den dünnen Draht in einer Lampe zum Glühen bringt. In der Realität haben Glühlampen übrigens meistens einen viel grösseren Widerstand als 1.5 Ohm. Außerdem erhöht sich der Widerstand zusätzlich, wenn der Glühdraht heiß wird. Der Widerstand von elektrischen Leitern hängt ab: vom Querschnitt vom Material Elektrizität: der Stromkreis Seite 28 von der Länge von der Temperatur Elektrizität: der Stromkreis Seite 29