Arbeitsblatt: Dossier Elektrizitätslehre

Physik Elektrizität Name: Elektrizitätslehre Inhaltsverzeichnis Inhalt 1.1. Elektrische Ladung 2 1.2. Spannung (Volt) 3 1.3. Stromstärke (Ampère). 3 1.4. Serie- und Parallelschaltung 3 1.5. Elektrischer Widerstand 4 2. Begriffe 4 3. Elektrische Ladung 4 3.1. Theorie 4 3.3. Auswertung. 7 4. Spannung (Volt). 9 4.1. Theorie 9 4.2. Die Spannungsquelle. 10 4.3. Das Voltmeter. 11 4.5. Galvanisches Element. 19 5. Stromstärke (Ampere). 21 5.1. Definition. 21 5.2. Messen von Spannung und Stromstärke.23 5.4. Zusammenhang von Spannung und Stromstärke.25 5.5. Der elektrische Schaltplan. 25 5.6. Berühmte Wissenschaftler 27 6. Serie- und Parallelschaltung 27 6.1. Definition und Eigenschaften 27 6.4. Zusammenfassung 31 7. Der elektrische Widerstand. 32 7.1. Definition und Einheit 32 7.2. Das Stromkreis-Trio. 33 7.3. Berechnungsaufgaben 33 7.4 Die elektrische Leistung 35 7.5 Die Elektrische Arbeit. 35 1.1. Elektrische Ladung Du erkennst, dass geheimnisvolle Erscheinungen, die man beim Kämmen, bei Kleiderwechseln oder auch an der Autotür erleben kann, alle die gleiche Ursache haben Elektrizität Du erlebst die geheimnisvollen Kräfte, die von einem geriebenen Kunststoffstab ausgehen können. Seite 2 Elektrizitätslehre Du erzeugst auf Kunststoffstäben Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel und merkst, was dadurch bewirkt werden kann. Du stellst fest, ob gleichartig geladene Körper die gleiche Wirkung aufeinander ausüben, wie Körper mit verschiedener Ladung. Du baust ein Gerät, mit welchem du elektrische Ladung nachweisen kannst. Du erkennst, dass elektrische Spannung durch Ladungstrennung entsteht. 1.2. Spannung (Volt) Du lernst mit einem Spannungsmesser umzugehen. Du stellst eine einfache, elektrische Batterie her. Du stellst fest, wie sich verschiedene Batteriekombinationen auswirken. Du kennst die Wirkungen, die ein stromdurchflossener Leiter haben kann. Du erfährst die Wärmewirkung des elektrischen Stromes, wovon sie abhängig ist und was sie für Folgen haben kann. Du stellst fest, was mit einem von Strom durchflossenen Kabel bewirkt werden kann, wenn es um einen Eisenkern gewickelt ist. Du entdeckst die chemische Wirkung von elektrischem Strom. Du kannst den Vorgang des Galvanisierens erklären. Du lernst Alessandro Volta als bedeutenden Wissenschaftler kennen. 1.3. Stromstärke (Ampère) Du lernst das „Ampere kennen, die Einheit der elektrischen Stromstärke. Du erkennst, dass die Stromstärke durch eine Elektronenmenge, die in einer bestimmten Zeit fliesst, festgelegt wird Du erkennst, dass die Höhe der Stromstärke entscheidend für die Wirkung des Stromes ist und kannst dies erklären Du kennst Ampere als Einheit des Stromes und als Naturwissenschaftler Du kannst mit einem Amperemeter die Stromstärke messen Du weisst warum das Amperemeter niemals parallel in den Stromkreis geschaltet werden darf. Du erkennst den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung 1.4. Serie- und Parallelschaltung Du merkst, dass nicht nur Geschwister teilen müssen, sondern auch elektrische Bauteile und Geräte (Energieumwandler). Du kennst den Unterschied zwischen Serie- und Parallelschaltung und kannst diesen erklären Du weisst, dass in Reihe geschaltete Lampen voneinander abhängig sind. Du weisst, dass bei einer Parallelschaltung die einzelnen Geräte unabhängig voneinander sind. Du kannst Schaltpläne einfacher Stromkreise mit Serie- und Parallelschaltungen zeichnen Du kannst Schaltpläne lesen und damit ein Experiment durchführen. Du erkennst, welche Sicherheitsbestimmungen im Umgang mit Lichterketten oder anderen elektrischen Schaltungen zu beachten sind. Du weisst, wie eine Schmelzsicherung aufgebaut ist. Du kannst die Funktionsweise einer Sicherung erklären und erkennst ihre Wichtigkeit. Seite 3 Elektrizitätslehre Du erkennst die Folgen einer unsachgemässen Reparatur einer Sicherung. Du weisst, wie es zu einer Überlastung des Stromkreises kommen kann. 1.5. Elektrischer Widerstand Du findest heraus, wovon der elektrische Widerstand abhängt. Du kommst dem Verhältnis auf die Schliche, welches Spannung, Stromstärke und Widerstand miteinander haben Du weisst, dass der elektrische Widerstand eines Drahtes vom Material, vom Querschnitt, von der Länge und von der Temperatur abhängig ist. Du kennst den Widerstand als elektrische Grösse und weisst, dass er in Ohm angegeben wird. Du kennst die Wirkung eines Widerstandes auf die Stromstärke Du weisst, dass die Helligkeit von Lampen vom Widerstand abhängen. Du kannst anhand einfacher Beispiele den Widerstand berechnen Du lernst Georg Simon Ohm als bedeutenden Forscher in der Geschichte der Physik kennen Du kennst die Beziehung zwischen Widerstand, Stromstärke und Spannung Du kannst diesen Zusammenhang im Experiment nachvollziehen und überprüfen Du weisst, dass dieser Zusammenhang als „Ohmsches Gesetz bezeichnet wird. Du kannst mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes Grössen im Stromkreis berechnen. 2. Begriffe Elektronenmangel, Elektronenüberschuss positive und negative Ladung Spannung, Stromstärke, Widerstand Volt- und Amperemeter, Netzgerät Volt, Ampere, Ohm, Ohmsches Gesetz Serie- und Parallelschaltung Monozelle, Batterie 3. Elektrische Ladung 3.1. Theorie 1. Aufgabe Zeichne hier eine Glimmlampe (DS 76) und beschrifte sie korrekt. Beschreibe kurz ihre Funktionsweise Seite 4 Elektrizitätslehre a.) Ordne die folgenden Begriffe einander zu und erkläre sie kurz: Ladungsgleichgewicht – negative Ladung – Elektronenüberschuss – Elektronenmangel elektrisch neutral – positive Ladung. positive Ladung Seite 5 Elektrizitätslehre b.)Formuliere einen Merksatz, aus dem hervorgeht, wann sich Stoffe anziehen bzw. ab-stossen. Seite 6 Elektrizitätslehre 3.3. Auswertung Fülle die Lücken Beantworte die folgenden Fragen: Seite 7 Elektrizitätslehre Seite 8 Elektrizitätslehre 4. Spannung (Volt) 4.1. Theorie 4. Aufgabe a.) Was muss erfüllt sein, damit ein elektrischer Strom fliesst? b.) Wie wird die Arbeitsfähigkeit der Elektronen genannt? c.) Wie heisst das Massinstrument, mit welchem diese Arbeitsfähigkeit gemessen werden kann? d.) Welche Einheit besitzt die Arbeitsfähigkeit des elektrischen Stromes? e.) Wie kürzt man die elektrische Spannung ab? f.) Erklären den Begriff „elektrische Spannung in deinen Worten. g.) Mit welcher Farbe wird der Minus- und der Pluspol einer Spannungsquelle normalerweise gekennzeichnet? h.) Ab welcher Spannungszahl wird es für uns gefährlich? i.) Notiere hier einige gebräuchliche Spannungen aus dem Alltag: Flachbatterie: Autobatterie: Haushaltsteckdose: SBB-Fahrleitung: Hochspannungsleitung: Seite 9 Elektrizitätslehre 4.2. Die Spannungsquelle Die Spannungsquelle liefert uns den notwendigen Strom, um unsere Versuche durchführen zu können. Mögliche Spannungsquellen: Die Versuche in der Schule sind so angelegt, dass wir nicht mit der Spannung aus der Steckdose arbeiten. Das wäre teilweise auch viel zu gefährlich. Damit wir nicht mit Batterien arbeiten müssen, haben wir Netzgeräte. Wir unterscheiden: Wechselstrom Gleichstrom Strom wie aus der Steckdose ein Kabel wird in der grünen Buchse ganz links (Null) eingesteckt, das andere in der Buchse mit der gewünschten Spannung (hier 10 V) Strom wie von einer Batterie Das kurze Kabel wird in die schwarze Buchse (Gleichrichter) und der gewünschten Spannung eingesteckt. Zwischen der blauen Minus-Buchse und der roten Plus-Buchse kann nun die benötigte Spannung abgegriffen werden (hier 10 V) Seite 10 Elektrizitätslehre 4.3. Das Voltmeter 4.3.1. Das Messgerät Mit einem Voltmeter können Spannungen gemessen werden. Unser Voltmeter sieht so aus: Einige Merkpunkte bei der Bedienung des Messgerätes: 1.) 2.) 4.3.2. Experiment 1 Miss die Spannung der verschiedenen Batterien. Achte darauf, dass du immer eine Gleichstrom-Spannung misst. Objekt Spannung Erkenntnis kleine Rundbatterie sehr kleine Rundbatterie Knopfbatterie Flachbatterie Zitrone 4.3.3. Experiment 2 Seite 11 Elektrizitätslehre Exp. 2 Zeit: 15 Minuten zu dritt Ziel du wirst sicher im Umgang mit dem Messgerät und dem Netzgerät Material Messgerät, Netzgerät, Kabel Auftrag Überprüfe die Ausgangsspannungen des Netzgerätes. Stelle dazu jede angegebene Spannung am Netzgerät ein und miss die entsprechende Spannung am Ende der Kabel. Auswertung Übertrage deine Messungen in die Tabelle: Wechselstrom eingestellt gemessen Gleichstrom eingestellt 2V 2V 4V 4V 6V 6V 8V 8V 10V 10V 12V 12V gemessen Merksatz Seite 12 Elektrizitätslehre Seite 13 Elektrizitätslehre Seite 14 Elektrizitätslehre Seite 15 Elektrizitätslehre Seite 16 Elektrizitätslehre Seite 17 Elektrizitätslehre Seite 18 Elektrizitätslehre 4.4.5. Versuch 33 Bei diesem Versuch kommst du zum ersten Mal mit chemischen Stoffen in Berührung. Daher gilt es hier einen kleinen Einschub zu machen, damit du das Experiment gefahrlos durchführen kannst. 4.5. Galvanisches Element 4.5.1. Die Monozelle Seite 19 Elektrizitätslehre 4.5.2. Aufgaben zur Spannung 1. Vergleiche einen Elektromagneten Unterschiede und Gemeinsamkeiten. mit einem Dauermagneten. Notiere 2. Das Zinkbad, in das eine Karosserie getaucht wird, ist natürlich viel grösser als das Glasgefäss mit der Kupferchloridlösung. Trotzdem funktionieren sie ganz ähnlich. Welcher Teil in diesem Versuchsaufbau entspricht denn nun der Autokarosserie? 3. Eins zu zwei. Elektrischer Strom kann sogar Wasser in seine Bestandteile zerlegen. Was dabei rauskommt, sind zwei unsichtbare Gase. Mit einer speziellen Auffangvorrichtung kann ihr Volumen „sichtbar gemacht werden. Warum vom einen Gas genau doppelt so viel gebildet wird wie vom anderen, verbirgt sich hinter der chemischen Formel H2O (Wasser). Weisst du schon, welche zwei Gase gemeint sind? 4. Eine Glühlampe ist stets von einem Glaskolben umgeben. Warum ist denn dieser Glaskolben so unendlich wichtig? Tipp: Dem Wärmeschutz dient er offensichtlich nicht. Seite 20 Elektrizitätslehre 5. Stromstärke (Ampere) 5.1. Definition Wir vergleichen die Begriffe der Elektrizität mit einem Wasserlauf Wasser elektrischer Strom Gefälle Spannung wenig Gefälle kleine Spannung grosses Gefälle grosse Spannung Wassermoleküle Elektronen Wassermenge Stromstärke wenig Wasser kleine Stromstärke viel Wasser grosse Stromstärke m3 pro Sekunde Ampere Seite 21 Elektrizitätslehre Seite 22 Elektrizitätslehre 5.2. Messen von Spannung und Stromstärke Spannung Stromstärke Spannun U Lampe Tauchsieder I1 I2 2V 0.04 0.17 4V 0.08 0.57 6V 0.12 0.99 8V 0.15 1.41 10 0.17 1.83 12 0.19 2.26 Seite 23 Elektrizitätslehre Merksatz Je höher die Spannung, desto grösser ist die Stromstärke. Spannung und Stromstärke sind im Idealfall proportional zueinander. Der Proportionalitätsfaktor heisst Widerstand. Der Widerstand nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Seite 24 Elektrizitätslehre 5.4. Zusammenhang von Spannung und Stromstärke Versuchsaufbau Material: Netzgerät mit AC/DC-Kabel 2 Krokodilklemmen 45 cm Konstantandraht, 0.2 mm2 Schnellspannstecker Verbindungsstecker Amperemeter 3 Kabel 1. Spannt an der Stativlochplatte einen 45 cm langen Konstantandraht mit 0.2 mm2 Durchmesser ein. Schliesst ihn sodann mit einem Volt- und einem Amperemeter an ein Netzgerät an. 2. Messt für die Spannungswerte 2, 4, 6, 8, 10 die Stromstärken und legt eine Tabelle an. (Das Amperemeter ist auf die rote Markierung 10A einzustellen) 3. Schreibt die Messwerte in die Tabelle unten und übertragt anschliessend die Werte in das Koordinatensystem. 4. Formuliert einen „Je – desto – Satz der die Ergebnisse eurer Messreihe zusammenfasst. 5.5. Der elektrische Schaltplan Stromkreise zeichnet man meistens mit Hilfe von Schaltplänen. Damit jeder die Schaltpläne auch richtig lesen kann, benötigen wir eine bestimmte ZeichenSprache. Die für uns wichtigsten sind hier aufgelistet. Benenne sie: Seite 25 Elektrizitätslehre Seite 26 Elektrizitätslehre 5.6. Berühmte Wissenschaftler Ziel: Du kennst min. 3 wichtige Persönlichkeiten rund um die Elektrik Auftrag: Suche im Internet (www.wikipedia.ch, und andern Seiten) Informationen über die aufgelisteten Personen. Schreibe dir zu jeder Person die Eckdaten (geboren, gestorben, gelebt in, Erfindung Arbeit) heraus. Tipp: Vergleiche verschiedene Internetseiten miteinander. Sind alle Informationen gleich gut? Welche Seite gibt die übersichtlicheren Informationen? Personen: Alexander Volta André-Marie Ampère (siehe vorne) Georg Simon Ohm Thomas Edison Michael Faraday Charles Augustin de Coulomb Erik Edlund Wilhelm Hankel William Sturgeon James Watt Albert Einstein 6. Serie- und Parallelschaltung 6.1. Definition und Eigenschaften Wenn wir ein Lämpchen haben, so können wir dieses einfach in den elektrischen Stromkreis einbauen. Bei zwei oder mehreren Glühlampen haben wir aber unterschiedliche Möglichkeiten. Wir wollen mit Hilfe eines Demoversuches die Eigenschaften auflisten Seite 27 Elektrizitätslehre Material: Netzgerät mit AC/DC-Kabel 2 Glühbirnen genügend Kabel Amperemet er Voltmeter 6.1.1. Serieschaltung Zuerst schalten wir die beiden Glühlampen hintereinander. Der Schaltplan: Spannung Lampe 1 Lampe 2 Total 6V 6V 12 Stromstärke Fazit Die Stromstärke ist im gesamten Stromkreis gleich gross. Die Spannung teilt sich auf die 2 Lämpchen auf. Fällt ein Lämpchen aus, dass ist der gesamte Stromkreis unterbrochen. Seite 28 Elektrizitätslehre 6.1.2. Parallelschaltung Jetzt schalten wir die beiden Glühlampen noch parallel in den Stromkreis. Der Schaltplan: Spannung Lampe 1 Lampe 2 Total 12 12 12 Stromstärke Fazit Die Lampen sind unabhängig voneinander. Die Spannung ist bei allen Lämpchen gleich gross. Die Stromstärke teilt sich auf. Seite 29 Elektrizitätslehre Seite 30 Elektrizitätslehre 6.4. Zusammenfassung Spannung: Stromstärke: Serienschaltung: Parallelschaltung: Seite 31 Elektrizitätslehre 7. Der elektrische Widerstand 7.1. Definition und Einheit Spannung und Stromstärke haben wir bereits als wichtigste Begriffe der Elektrizität kennengelernt. Wir haben auch den proportionalen Zusammenhang im Experiment nachgewiesen. Dieses Verhältnis von Spannung und Stromstärke wird als Widerstand definiert: Spannung Widerstand R Stromstärke Einfacher ist der folgende Zusammenhang zu behalten: Die Einheit des Widerstandes [R] 1 1 Ohm Seite 32 Elektrizitätslehre 7.2. Das Stromkreis-Trio Zwischen den drei Grössen im Stromkreis besteht ein mathematischer Zusammenhang. Durch Umformungen lassen sich sämtliche Stromkreis-Grössen errechnen. Das Spannungsdreieck hilft dir dabei. Decke die gesuchte Grösse ab, und die beiden übrigen Grössen zeigen dir den mathematische Zusammenhang, bzw. Operation. 7.3. Berechnungsaufgaben 1) Für eine 60 Watt Lampe misst man bei einer Spannung von 230 eine Stromstärke von 0.25 A. Berechne den Widerstand 2) Eine Halogenlampe wird mit einer Spannung von 12 betrieben. Die Stromstärke von 4 ist höher als bei einer normalen Lampe. Berechne der Widerstand. 3) Auf einem Lämpchen für eine Taschenlampe findet man folgende Angabe: 3.5 / 0.2 A. Berechne den Widerstand. 4) Was lässt sich über den Widerstand eines Isolators aussagen, ohne dass du dabei Rechnungen oder Messungen anstellst. 5) Durch eine Glühlampe fliesst bei einer Spannung von 230 eine Stromstärke von 0.26 A. Berechne den Widerstand. Seite 33 Elektrizitätslehre 6) Eine Halogenlampe hat einen Widerstand von 4 . Zum Betrieb wird eine Spannung von 24 benötigt. Wie gross ist die Stromstärke? 7) Auf einer Spule mit Kupferdraht steht folgende Aufschrift: max. 2 und 2.5 . Berechne die Spannung, die man im Höchstfall anlegen darf. 8) Ein Wasserkocher wird an eine Steckdose (230 V) angeschlossen. Er hat einen Widerstand von 26 . Berechne die Stromstärke. 9) An eine Steckdose im gleichen Raum wird gleichzeitig zu Aufgabe 8 ein Staubsauger angeschlossen. Der Staubsauger hat einen Widerstand von 50 . Berechne ebenfalls die Stromstörke. 10) Die Stromversorgung dieses Raumes (Aufgabe 8 und 9) ist mit einer 10ASicherung abgesichert. Wird die Sicherung durchschmelzen, wenn beide Geräte gleichzeitig in Betrieb sind? Seite 34 Elektrizitätslehre 7.4 Die elektrische Leistung Die elektrische Leistung gibt an, wie viel elektrische Arbeit der elektrische Strom in jeder Sekunde verrichtet bzw. wie viel elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird. Formelzeiche n: ein Watt (1 W) Einheit: Benannt ist die Einheit der Leistung nach dem schottischen Techniker JAMES WATT 7.5 Die Elektrische Arbeit Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Arbeit wird elektrische Arbeit verrichtet. Als elektrische Energie bezeichnet man Energie, die mittels der Elektrizität übertragen oder in elektrischen Feldern gespeichert wird. Bei der Übertragung von Energie mit Hilfe der Elektrizität spricht dann von elektrischer Arbeit. Elektrische Energie kann zum Beispiel in elektrischen und magnetischen Feldern gespeichert und in andere Energieformen umgewandelt werden. In der Physik wird für die elektrische Arbeit das Formelzeichen und die Einheit Wattsekunde (Einheitenzeichen: Ws) verwendet. Dabei ist 1 Ws 1 (Joule). Elektrische Arbeit Formel Die elektrische Arbeit W berechnet sich als Produkt aus Strom I, Spannung U und Zeit t. Wichtig dabei ist, dass der Strom und die Spannung während der kompletten Zeit konstant sind. Unter diesen Umständen lautet die Formel wie folgt: Die Spannung wird dabei in Volt, der Strom in Ampere und die Zeit in Sekunden eingesetzt. Seite 35