Arbeitsblatt: Elektrizität

Material-Details

Skript zur Elektrizität (Elektrostatik, Stromkreis, Ohm'sches Gesetz)
Physik
Elektrizität / Magnetismus
7. Schuljahr
21 Seiten

Statistik

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1253
43
15.06.2018

Autor/in

Patrick Frei
Land: Schweiz
Registriert vor 2006

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Textauszüge aus dem Inhalt:

Physik Teil 2 Die Elektrizität Name: Klasse: Note: 1 Die Elektrizität Elektrizität ist der physikalische Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache in ruhender oder bewegter elektrischer Ladung haben. Dies umfasst viele aus dem Alltag bekannte Phänomene wie Blitze oder die Kraftwirkung des Magnetismus. Der Begriff Elektrizität ist in der Naturwissenschaft nicht streng abgegrenzt, es werden aber bestimmte Eigenschaften zum Kernbereich der Elektrizität gezählt: Die elektrische Ladung. Sie ist eine Eigenschaft bestimmter atomarer Teilchen wie der negativ geladenen Elektronen und der positiv geladenen Protonen, die als Ladungsträger bezeichnet werden, und wird in der Einheit Coulomb gemessen. Der elektrische Strom. Er beschreibt eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern, wird in der Einheit Ampere gemessen und ist unter anderem Ursache von magnetischen Feldern. Das elektrische Feld beschreibt die von elektrischen Ladungen hervorgerufenen Zustandsgrößen des Raumes, die man als elektrische Feldstärke und elektrisches Potential bezeichnet. Elektrostatik Die Elektrostatik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und den elektrischen Feldern geladener Körper befasst. Die Phänomene der Elektrostatik rühren von den Kräften her, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Diese Kräfte werden vom coulombschen Gesetz beschrieben. Ein klassisches Beispiel ist, dass geriebener Bernstein Teilchen anzieht. Auch wenn die Kräfte klein erscheinen, ist die elektrische Kraft z. B. im Vergleich zur Gravitation außerordentlich stark. So ist die elektrische Kraft zwischen einem Elektron und einem Proton (beide bilden zusammen ein Wasserstoffatom) um ungefähr 40 Größenordnungen größer als ihre gegenseitige Massenanziehung. 2 Die Elektrostatik ist ein Spezialfall der Elektrodynamik für unbewegte elektrische Ladungen und stationäre, d. h. zeitlich gleichbleibende elektrische Felder. Aufgaben Führe die beiden Versuche Kisam 26 und Kisam 27 durch und löse die folgenden Aufgaben 3 Beantworte die folgenden Fragen Was kannst Du im Spiegel beobachten, wenn du dir in einem abgedunkelten Raum die Haare kämmst? 4 Was kannst Du im Spiegel beobachten, wenn du dir in einem abgedunkelten Raum ein Kleidungsstück aus Kunstfasern ausziehst? Nähere ein Stück Tesafilm einem Gegenstand, indem du nur ein Ende vorsichtig festhältst. Was kannst du am lockeren Ende beobachten? Ziehe ein wenig dünne Kunststofffolie von der Rolle, trenne sie ab und nähere deinem Oberkörper. Wiederhole den Versuch mit Alufolie. Schreibe deine Beobachtungen auf. Ein funkensprühender Pullover erinnert an ein kleines Gewitter. Erkennst Du Ähnlichkeiten? Potenzial Aufgespeichertes Wasser kann beim Ausfliessen Arbeit leisten. Diese Fähigkeit, Arbeit zu leisten, ist im gespeicherten Wasser enthalten. Die pro Masseneinheit aufgespeicherte Arbeitsfähigkeit nennt man Potenzial. Verbindet man zwei verschieden gefüllte Wassergefässe miteinander, so fliesst das Wasser vom mehr gefüllten zum weniger gefüllten Glass, bis der Wasserstand ausgeglichen ist, d.h. bis die beiden Potenziale 1 und 2 gleich sind. Verhindert man das Überströmen des Wassers, so bleibt das Bestreben des Wassers, dorthin zu fliessen, wo es weniger Wasser hat. Füllt man nun zwei gleiche Körper mit verschieden grossen elektrischen Ladungen anstelle von Wasser 5 geschieht dasselbe wie wenn es Wasser wäre. Die Ladungen beider unterschiedlich geladener Körper werden einen Ladungsaustausch machen bis beide Körper die gleichstarke Ladung haben. Dieses Bestreben zum Ladungsaustausch ist ebenfalls eine gespeicherte Arbeitsfähigkeit, ein Potenzial. Jeder geladene Körper besitzt ein Potenzial. Zwischen zwei verschieden geladenen Körpern besteht somit ein Potenzialunterschied, eine Potenzialdifferenz. Sie ist die Ursache des Bestrebens zum Ladungsausgleich. Man nennt sie in der Elektrizität Spannung. Die Spannung (Symbol U) wird in der Einheit 1 Volt (1 V) gemessen. Die Einheit Volt wurde zu Ehren des italienischen Physiker Graf Alessandro Volta (1745 – 1827), welcher bahnbrechende Entdeckungen über die Elektrizität machte, für die Spannung gewählt. Man unterscheidet 3 Spannungsarten 1. Kleinspannung Das sind Spannungen zwischen 0 Volt und 50 Volt. Der Umgang mit ihnen ist ungefährlich. Sie sind für Spielzeuge und Schulexperimente zugelassen. 2. Niederspannung Das sind Spannungen zwischen 50 Volt und 1000 Volt. Hier ist das Berühren von Leitungen umso gefährlicher, je höher die Spannung ist. Schulexperimente sind verboten. 3. Hochspannung Das sind Spannungen grösser als 1000 Volt. Das Berühren solcher Leitungen ist tödlich. 6 Suche mindestens 10 Beispiele verschiedener Spannungen wie Solarzelle – 0.5 Mit Hilfe von Geräten lässt sich eine hohe Spannung, eine Hochspannung herstellen. Diese Geräte sind Influenzmaschinen (Links) wie beim Demonstrationsversuch oder Bandgeneratoren (Links unten). Wenn die Spannung ein bestimmtes Mass übertrifft, kann ein Ladungsausgleich durch die Luft erfolgen. Dies erfolgt durch Blitze im Gewitter. Ein Gewitter ist nichts anderes als eine Ladungstrennung zwischen Erdoberfläche und Luft in hoher Höhe, welche irgendwann zu einem Ladungsausgleich führt. Spannungsquellen Die elektrische Spannung ist somit auch ein Mass für die verfügbare Energie zwischen zwei Potenzialen. Zum Beispiel hat Gold ein Potenzial von 1.33 und Lithium ein Potential von – 3.05 V. Würde man nun eine Spannungsquelle mit Gold und Lithium herstellen, so wäre dies eine Batterie mit einer Stärke von 4.38 V. Die Spannung zwischen Gold und Lithium ist also 4.38 V. Typische Spannungsquellen sind Batterien, Akkumulatoren oder Netzgeräte. 7 Wichtig ist, dass man vor dem Einstecken die notwendige Spannung kennt und die richtige Spannungsquelle nimmt. Aufgabe Führe den Versuch Kisam 29 durch. Halte das Ergebnis hier fest 8 Die Spannung wurde als erstes von dem italienischen Forscher Luigi Galvani 1780 per Zufall entdeckt. Er experimentierte mit Froschschenkel und Salzlösungen. Er stellte fest, dass ein Muskel des Froschschenkels sich zusammenzog, wenn er ihn mit Kupfer und Eisen berührte. Dies funktionierte aber auch nur, wenn das Eisen und das Kupfer verbunden waren. Durch dieses Experiment entdeckte Galvani, wie er Spannungsquellen aufbauen konnte und den Stromkreis. Doch er hat dies nicht wirklich erkannt. Ihm zu Ehren hat später Alessandro Volta, ein weiterer italiensicher Forscher, die erste Batterie nach Galvani benannt. Es ist dies die Urform der Batterie, das Galvani – Element. Taucht ein Zink – und ein Kohlestab in eine Salz – oder Säurelösung, so reagieren diese unterschiedlich. Es entsteht eine Trennung der elektrischen Ladung. An der Zinkelektrode (Zinkstab) entsteht ein Elektronenüberschuss (negativer Pol). An der Kohleelektrode (Kohlestab) entsteht ein Elektronenmangel (positiver Pol). Zwischen den Polen kann man eine Spannung messen. Mit diesem einfachen Mitteln hat man nun eine Batterie. Mit Hilfe der elektrochemischen Spannungsreihe kann man die Spannung der Batterie genau bestimmen. Eine Zink – Kohle – Batterie hat eine Spannung von 1.51 V. Strom Strom kann wie folgt modelhaft angeschaut werden. Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Atome sind die kleinsten Bausteine, welche chemisch nicht weiter teilbar sind. Sie sind jedoch aus weiteren Teilchen aufgebaut, nämlich aus einer Hülle und einem Kern. Der Kern ist positiv geladen. Die Hülle ist negativ geladen und besteht aus kleinsten Teilchen, den Elektronen. Sie können verschoben werden. Metalle wie Kupfer, Zink, Eisen und einige mehr lagern sich zu Metallgitter zusammen. Dabei bilden die positiven Kerne eine regelmässige Struktur und die 9 negativen Elektronen halten sich dazwischen auf. Die Elektronen können aber das Metallgitter nicht verlassen aber innerhalb des Metallgitters können sie leicht verschoben werden, sie können fliessen und bilden so das Elektronengas. Durch Arbeit kann nun bei der Spannungsquelle die Ladung geändert werden und eine Spannung zwischen den beiden Polen aufgebaut werden. Werden nun die beiden Pole, den negativ geladenen Minuspol und der positiv geladene Pluspol, miteinander verbunden und hat der Stoff, welcher die beiden Pole verbindet freie Elektronen, so fliesst ein Strom. Man kann daher Stoffe in zwei Gruppen teilen. In diejenigen, die elektrischen Strom leiten, die Leiter, und in diejenigen, welche den Strom nicht leiten, die Nichtleiter. Teile die folgenden Stoffe in eine der beiden Gruppen ein. Metalle, Gummi, Salzlösungen, Papier, trockenes Holz, Kohle Leiter: Nichtleiter: Stromquellen Eine Stromquelle, oder aber auch Spannungsquelle genannt, bewegt in einem geschlossenen System Ladungen. Während die eine Spannungsquelle eine für den normalen Betrieb des Gerätes zu kleine Stromstärke hervorruft, kann eine zu grosse Stromstärke das Gerät zerstören. Es gibt verschiedene Spannungsquellen. Nenn einige davon: Die Stromquelle hält, ähnlich einem Stausee, einen dauernden Elektronenfluss aufrecht. Dieser ist im ganzen Stromkreis gleich. Im Verbraucher, einem Elektrogerät, kann dann Arbeit verrichtet werden. Im geschlossenen Stromkreis fliessen die geladenen Teilchen. Es muss jedoch zwischen der technischen Stromrichtung und der Fliessrichtung der Ladung unterschieden werden. Die technische Stromrichtung geht immer vom Pluspol zum Minuspol, egal ob positiv oder negativ geladene Teilchen sich verschieben. Dies ist eine internationale Abmachung. Die Fliessrichtung der Ladungen hängt von der Ladung selbst ab. Wenn negative 10 Ladungen, Elektronen genannt, verschoben werden, so fliessen diese vom Minuspol zum Pluspol genau entgegengesetzt zur technischen Stromrichtung. Elektronen sind in 99 der Fälle die Ladungsträger in der Elektrizität. Die Stromstärke Die Stromstärke, ein zweites wichtiges Merkmal der Elektrizität neben der Spannung, hängt von der Anzahl Elektronen ab, die pro Sekunde durch einen Leiter fliessen. Wenn wenige Elektronen fliessen, ist die Stromstärke klein. Wenn hingegen mehr Elektronen fliessen, ist die Stromstärke hoch. Man kann die Stromstärke mit der Wassermenge in einer Rohrleitung vergleichen. Die Stromstärke (Symbol I) wird mit der Einheit Ampère (A) gemessen. 1 Ampère entspricht dem Fluss von 6.25 Trillionen (6.25 10 18) Elektronen durch einen elektrischen Leiter. Die Einheit wurde zu Ehren des französischen Physikers und Mathematikers André Marie Ampère benannt. Im Vergleich zu einem Wasserrohr 11 Aufgabe Fülle die Lücken aus 12 Löse die folgenden Aufgaben Tipp: eventuell kannst Du diese Aufgaben erst Lösen, wenn Du das nächste Kapitel gelöst hast 13 Stromkreis 14 Ein elektrischer Stromkreis ist ein System von Leitern, das einen geschlossenen Weg darstellt. Dabei umfasst der Begriff Leiter jedes Medium, das bewegliche Ladungsträger besitzt und somit zum Transport elektrischer Ladung fähig ist. Damit elektrischer Strom fliessen kann, muss dem System Energie zugeführt werden, die dann im Stromkreis als elektrische Energie transportiert und schließlich wieder in eine andere Energieform umgewandelt wird. Von einem offenen Stromkreis spricht man hingegen, wenn der eingangs besprochene Weg an mindestens einer Stelle unterbrochen ist. Eine Unterbrechung kann beispielsweise unbeabsichtigt durch einen Wackelkontakt oder eine fehlende Leitung oder beabsichtigt durch einen elektrischen Schalter entstehen. Auch ein geschlossener Stromkreis kann unbeabsichtigt sein, siehe z. B. Kurzschluss, Körperstrom oder Lokalelement. Aufgabe Bau ein geschlossenen Stromkreis mit folgenden Teilen Kabel Blau mit Schwarzer und Roter Klemme Netzgerät Lampe Zeichne das Netzschema in Dein Heft und miss die Spannung und die Stromstärke Deines Stromkreises Material, das Du benötigst Netzgerät Kabel Blau und Kabel Rot Lampenfassung mit Glühlampe Universalnetzgerät Zeichnung Tip Schwarze Klemme gehört in den Minuspol des Netzgerätes, Rote Klemme in den Pluspol des Netzgerätes 15 Überlege Dir genau, wo Du die Stromstärke und die Spannung im Stromkreis messen willst. Bevor Du diese Messungen machst, zeige den Stromkreis. Aufgabe Löse die Aufgaben Führe den Versuch Kisam 34 durch und halte das Ergebnis fest 16 Elektrischer Widerstand Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen. Wenn die Spannung von einem Anschlusspunkt zu einem Anschlusspunkt gezählt wird und der Strom von nach fliesst, dann ist der Widerstand eine positive Grösse. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel – abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen – verwendet. Der Widerstand hat die SI Einheit Ohm, ihr Einheitenzeichen ist das (großes Omega). Da wir nun die 3 wichtigsten Grössen der Elektrizitätslehre kennen, Stromstärke, Spannung und Widerstand, können wir mit diesen drei Grössen auch rechnen. Die Grössen hängen zusammen und sind die Basis. Man spricht dabei vom Ohmschen Gesetz Spannung Widerstand Stromstärke UR*I Daraus lassen sich der einzelnen Berechnungsdreiecks ganz einfach die Berechnungen Grössen mit Hilfe des ableiten Aufgabe Berechnungen zum Ohmschen Gesetz 17 Ein Heizstrahler hat einen Anschlusswert von 230 Volt. Dabei fliessen 4,55 A. Berechne seinen Widerstand. Bei welcher Spannung fliessen in einer Kochplatte 5,5 Ampere, wenn ihr Widerstand 40 beträgt? Die Scheinwerferlampe beim Auto hat bei einer Spannung von 12 Volt einen Widerstand von 2,4 W. Wie gross ist die Stromstärke im Stromkreis dieser Lampe? Serien – und Parallelschaltung Die Serienschaltung beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Bestandteile in einer Schaltung. Zwei Schaltelemente sind in Serie geschaltet, wenn deren Verbindung keine Abzweigung aufweist. Damit werden beide vom selben Strom durchflossen. Die Serienschaltung kann auch als Hintereinanderschaltung bezeichnet werden. Die Anzahl der in Serie geschalteten Elemente ist beliebig. Das zweite wesentliche Schaltschema elektrischer Bauteile neben der Serienschaltung ist die Parallelschaltung. Die Parallelschaltung – auch Nebenschaltung genannt – beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik eine Art der Schaltung der Elemente (Zweipole) in einem Schaltkreis: Bauteile sind parallelgeschaltet, wenn alle ihre gleichnamigen Pole jeweils miteinander verbunden sind. Die Anzahl der parallelgeschalteten Elemente ist beliebig. Aufgabe 18 Führe den Versuch Kisam 30 durch und halte das Ergebnis fest Hier siehst eine Serieschaltung – löse die Frage am Schluss 19 Vergleiche die beiden Schaltungen und fülle den Text aus. Damit hast du einen Vergleich der Serie – und Parallelschaltung 20 21 Schutz vor elektrischem Strom Die Überstromschutzeinrichtung, auch als elektrische Sicherung oder OCP (Over Current Protection) bezeichnet, unterbricht einen elektrischen Stromkreis, wenn der elektrische Strom eine festgelegte Stromstärke über eine vorgegebene Zeit hinaus überschreitet. Es gibt verschiedene Ausführungen von Überstromschutzeinrichtungen wie die Schmelzsicherung oder den Leitungsschutzschalter. Alle elektrischen Sicherungen eines Hauses oder einer Wohnung werden üblicherweise zusammen mit sonstigen Schutzschaltern in einem Verteilerkasten bzw. Sicherungskasten untergebracht. Aufgabe Fülle den Text aus Lernziele Elektrizität Ich kann folgende Begriffe erklären Ladung, Spannungsquelle, Strom, Sicherung Ich kann die Elektrostatik beschreiben und weiss wie sie wirkt. Ich kann einen einfachen Stromkreis zeichnen und beschreiben. 22 Ich weiss, was die Spannung ist und beschreibe sie. Ich weiss, was die Stromstärke ist und beschreibe sie. Ich weiss, was der Widerstand ist und beschreibe sie. Ich kann Serie – und Parallelschaltungen unterscheiden und beschreiben. Ich kann das Ohmsche Gesetz aufstellen und damit rechnen. 23