Arbeitsblatt: Zusammenfassung Elektrizität

Zuammenfassung Elektrizität Atome Das Atom ist der kleinste chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie. Im Laufe der Wissenschaftsgeschichte wurden unterschiedliche Atommodelle vorgeschlagen. Atome sind elektrisch neutral, jedoch werden oft auch Ionen unter dem Begriff „Atom gefasst. Atome bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen, sowie einer Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen. Atome gleicher Anzahl der Protonen, welche durch die Kernladungszahl ausgedrückt wird, gehören zu demselben Element. Bei neutralen Atomen ist die Anzahl von Protonen und Elektronen gleich. Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Alles auf dieser Welt besteht aus Atomen, die Luft, das Wasser, die Erde, selbst die Menschen bestehen aus Atomen. Atome sind ganz kleine Teile die ca. 10-10 gros sind Æ evtl. Zahl auf Zeichnen/schreiben (evt. Ganze Viele Atome auf einmal bilden ein Element, bis heute sind 100 Elemente bekannt, aus diesen Elementen sind alle Stoffe der Welt zusammengesetzt) Atome bestehen aus ganz kleinen Teilchen, den Protonen(positiv geladen, Neutronen (nicht geladen) und Elektronen(negativ geladen). Diese Elementarteichen, sind das aller kleinste auf der Welt, was es überhaupt gibt. Elektronen Elektronen sind negativ geladene Elementarteilchen. Ihr Symbol ist e-. Nach den bisher erreichten Auflösungen besitzen Elektronen keine innere Struktur und können als punktförmig angenommen werden. Elektronen bilden die Elektronenhülle der Atome (und Ionen). Ihre freie Beweglichkeit in Metallen ist die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit von metallischen Leitern. Elektronen sind negativ geladene Teile, sie befinden sich in der Hülle des Atoms. Sie sind die allerkleinsten Teile die wir kennen, sie sind sogar kleiner als Protonen und Neutronen. Elektronen sind zuständig für den Stromfluss, sie fliessen vom Negativen-Pol zum Positiven Pol. Protonen Das Proton ist elektrisch positiv geladen. Das Proton ist, wie das Neutron, ein Baryon und bildet mit jenen die Bausteine der Atomkerne, die Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und legt dieses somit fest. Protonen sind negativ geladen. Sie befinden sich im Zellkern und „ziehen die Elektronen an. Neutronen Das Neutron ist ein relativ langlebiges, elektrisch neutrales Hadron. Der Atomkern fast aller Nuklide besteht aus Protonen und Neutronen. Die Ausnahme ist das am häufigsten auftretende Wasserstoffisotop, dessen Atomkern nur aus einem einzelnen Proton besteht. Die Neutronen im Atomkern tragen zur atomaren Gesamtmasse bei. Ihre Anzahl bestimmt das Isotop des Elements. Das chemische Verhalten hängt jedoch im Wesentlichen nicht von der Neutronenzahl ab, denn es wird durch die Eigenschaften der Atomhülle bestimmt, deren Elektronenanzahl bei allen Isotopen des Elements gleich ist. Neutronen bilden zusammen mit den Protonen den Atomkern. Sie sind nicht geladen und deshalb haben sie bei uns in der Primarschule keine Verwendung beim Stromtransport. Ionen/Kationen und Anionen Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen (bestehend aus mindestens einem Proton und meist mehreren Neutronen und Elektronen). Die elektrische Ladung entsteht durch die unterschiedliche Anzahl von stets positiven Protonen und immer negativen Elektronen im Ion. Ionen sind durch Elektronenmangel positiv, oder durch Elektronenüberschuss negativ geladen. Positiv geladene Ionen werden Kationen, negativ geladene Anionen genannt, Pol Der Pol ist die Anschlussstelle für die Stromzuführung oder -ableitung an einem elektrischen Gerät, z. B. einer Batterie .Bei Gleichstrom unterscheidet man den Plus- (Elektronenmangel) und Minuspol (Elektronüberschuss). In der Regel ist in graphischen Darstellungen dem Pluspol die Farbe rot und dem Minuspol die Farbe blau oder schwarz zugeordnet. Die Polung eines Gegenstandes beschreibt im allgemeinen die Ausrichtung seiner Atome. Die Bezeichnung wird häufig verwendet, um die positiven und negativen Enden zu beschreiben; z. B. Batterie und Magnete. Die Elektronen fliessen immer von einem – Pol zu einem Pol. Im Negativen Pol hat es viel mehr Elektronen als Protonen und im Pluspol hat es viel weniger Elektronen als Protonen. Da die Atome ja immer gleich viele Protonen wie Elektronen haben wollen, fliessen sie zum Pluspol, dieses fliessen der Elektronen zum Pluspol hin, bezeichnen wir als elektrischen Strom. Elektrischer Strom Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ursache eines elektrischen Stromes sind Kräfte auf frei bewegliche Ladungsträger. Das können elektrische Feldkräfte aber auch Trägheitskräfte sein. Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiter bewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Fernsehröhre. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz „Strom genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet. Das Fließen eines elektrischen Stromes kann man an verschiedenen Wirkungen feststellen. Hauptsächlich sind dies die Lichtwirkung, die Wärmewirkung, die magnetische Wirkung und die chemische Wirkung. Wenn in einer Leitung elektrischen Strom fliesst, dann fliessen unglaublich viele Elektronen gemeinsam in eine Richtung. Batterie Eine elektrische Batterie ist eine Zusammenschaltung von zwei oder mehreren Galvanische Zellen. Wird fälschlicherweise aber im Allgemeinen Sprachgebrauch auch für einzelne Zellen verwendet. Wiederaufladbahre Batterien werden als Akkumulator bezeichnet. Alle Batterien unterliegen bei Lagerung einer gewissen Selbstentladung, abhängig vom Batterietyp und der Lagerungstemperatur: Je niedriger die Temperatur, desto weniger Selbstentladung findet statt. Akkus verlieren ihre Ladung relativ schnell. Zink-Luft-Batterien für Hörgeräte sind hingegen am haltbarsten, weil sie nur unter Luftzufuhr Strom liefern und die Öffnungen an der Batterie sind während der Lagerung mit einem Kunststoffkleber verschlossen. Am oberen Ende einer Batterie befindet sich ein Pluszeichen, an ihrem unteren ein Minuszeichen. Sie kennzeichnen die beiden Elektroden, eine positive und ein negative. Diese sind durch eine chemische Substanz, den so genannten Elektrolyten, getrennt. Gewöhnlich ist die positive Elektrode ein Kohlstab und die negative ein Zinkbecher. Wenn man die beiden Elektroden durch einen Draht miteinander verbindet, fliessen die Elektronen durch ihn hindurch. Zink reagiert mit dem Elektrolyten und spaltet zwei Elektronen ab. Die abgespaltenen Elektronen wandern durch den Draht zum Kohlstab, der positiven Elektronen. Danach verbindet sich jedes Elektron mit einem Wasserstoff-Ion zu einem Wasserstoffgasball. Dieses Wasserstoffgas verbindet sich mit dem Sauerstoff in den Chemikalien der Batterie und bildet Wasser. Stichwörter: Batterie Elektrischer Strom Pol Ion Kation Anion Protonen Elektronen Elektronen Wolke Neutronen Atome Allgemein Wie in einem Wasserkreislauf, so fliesst der Strom auch im Elektrokabel immer in eine Richtung. Das Wasser sucht sich den einfachsten Weg durch ein abfallendes Gelände, der Strom wandert vom Minus- zum Pluspol. Wird der Stromkreis unterbrochen, so fliest kein Strom. Minuspol/Pluspol Der Minuspol ist deshalb negativ geladen, weil sich dort ein Elektronenüberschuss befindet – Elektronen sind die negativ geladenen Teilchen, die um den Atomkern herum kreisen. Das Gefälle zwischen Plus- und Minuspol wird in Volt Spannung angegeben (Wasserdruck). Die Stromgeschwindigkeit wird in Ampere angegeben (Wasserfliessgeschwindigkeit). Metall/Leiter/Isolator Metallatome haben die Eigenschaft Elektronen an benachbarte Metallatome abzugeben, das ist der Grund, weshalb Metalle den Strom leiten und beispielsweise Gummi nicht. Metall hat durch diesen Elektronenaustausch auch biegbar. Alle Stoffe, die Strom leiten nennt man Leiter. Kupfer ist einer der besten und billigsten Leiter, weshalb er häufig für Stromleitungen gebraucht wird. Alle Stoffe, die Strom nicht leiten nennt man Isolatoren. Ihre Elektronen können nicht unter den Atomen ausgetauscht werden. Hierfür werden häufig Kunststoffe gebraucht. Hier findet man eine Stromkreislaufsanimation: offener/geschlossener Stromkreis Ein offener unterscheidet sich vom geschlossenen Stromkreis indem der Stromkreis unterbrochen ist. Der Strom kann nicht mehr weiterfliessen, d.h. es gibt keine Spannung mehr zwischen Plus- und Minuspol, der Strom bleibt wie in einem See in der Batterie stehen. offen geschlossen Reihenschaltung/Parallelschaltung In einer normalen Reihenschaltung – am Beispiel einer Lichterkette – wird der Strom zu der ersten Birne (evtl. noch zuerst noch über einen Lichtschalter) und von dieser Birne direkt wieder an die nächste weitergeleitet. Da der Strom den Draht in der Birne durchfliesst, ist der Stromkreis bei defekter, oder ausgeschraubter Birne unterbrochen. Die Spannung fällt weg, d.h. die ganze Lichterkette leuchtet nicht mehr. Bei der Parallelschaltung ist jede Birne sowohl mit einem Kabel für den Pluspol, als auch für den Minuspol direkt mit der Batterie verbunden (oder evtl. mit dem Lichtschalter) Reihenschalter Parallelschaltung Zeichen in der Schaltskizze Die Zeichen sind in Abbildung unter offener/geschlossener Stromkreis erklärt. Kurzschluss Da sich der Strom, wie das Wasser auch, den kürzesten Weg vom – zum Pol sucht, gelangt bei einem Kurzschluss die Elektronen mit grösster Geschwindigkeit, ohne den Umweg durch die Glühlampe wieder zurück zur Batterie. Sicherung Sicherungen sorgen dafür, dass der Stromfluss ein gewisses Mass nicht überschreitet. Wird die Stromleitung z.B. durch einen Kurzschluss, oder zu vielen Geräten überbelastet, so sorgt bei der Drehsicherung ein zerschmelzender Draht dafür, dass es einen Stromunterbruch gibt. Die Sicherung muss daraufhin ersetzt werden. Es gibt aber auch Kippsicherungen, die bei einer Überschreitung der Strommenge einen Schalter kippen. Der Schalter muss einfach wieder in die richtige Position gebracht werden. Isolatoren Ein Isolator ist ein Material oder Bauteil, welches den Fluss der elektrischen Ladung hemmt. Isolatoren haben eine geringe Leitfähigkeit von elektrischem Strom, und wirken daher gut als Isolierung. Das bedeutet der Strom kann nicht fliessen. Isolatoren bestehen meist aus Keramik, Silikonen/ Plastiken, Glas. Hochspannungsleitung Eine Art der Freileitung, von einer Stromstärke ab 50 Kilovolt. Diese Leitungen haben stets Hängeisolatoren. Es sind die Leitungsmasten mit den meisten Zu- und Ableitungen, sie sind fast immer aus Stahl gebaut. Mittelspannung Die Freileitungen bis zu 50 Kilovolt nennt man Mittespannungs-Leitungen. Sie bestehen meist aus Holz, Die Isolatoren sind meist stehend (also am Mast befestigt). Freileitung Der Freileitungsmast ist eine Konstruktion für die Aufhängung einer elektrischen Leitung. Übernimmt der Freileitungsmast eine reine Tragfunktion, so spricht man von einem Tragmast. Je nach der elektrischen Spannung der Freileitung werden unterschiedliche Freileitungsmasten verwendet. Kraftwerk Ein Kraftwerk dient zur Bereitstellung von elektrischem Strom. Dieser kann auf verschiedene Arten hergestellt werden: thermisch(durch Verbrennung von Uran, Kohle, Holz, Gas)oder durch die Umwandlung vorhandener Energie (Wasserkraftwerke, Windkraftwerke). Zu einem Kraftwerk gehören auch Teile wie Hochspannungsleitungen, ein Reaktor, ein Generator, eine Transformatorstation. Kernkraftwerk Bei einem Kernkraftwerk/Atomkraftwerk geschieht die Erzeugung von Strom indirekt, d.h. die Kernspaltung alleine stellt keinen Storm her. Aber die Wärme, die bei der Kernspaltung freigesetzt wird, erhitzt ein Kühlmedium (meist Wasser), welches dann verdampft. Der Wasserdampf wird anschliessend durch eine Turbine geleitet, welche mit einem Generator verbunden ist. Die Bewegungsenergie der Turbine treibt den Generator an, es entsteht elektrischer Strom. Wasserkraftwerk Durch eine Stauanlage wird das Wasser durch Rohre geleitet, wo es auf Turbinen trifft. Die Bewegungsenergie des Wassers dreht die Turbinen, diese Bewegungsenergie wird durch Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt. Generator Ein elektrischer Generator ist eine Maschine, die Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandelt. Durch Drehbewegungen in einem Magnetfeld wird Spannung erzeugt, bewirkt eine Verlagerung von Elektronen. Wenn es nun eine Wegleitung gibt, fliesst der Strom. Transformatorstation Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Wechselspannungen herauf- oder herunter transformieren, das heißt erhöhen oder verringern, und damit den technischen Erfordernissen des Gebrauchs anpassen. Durch diese Erfindung wurde die Übertragung von elektrischem Strom über weite Strecken mittels Hochspannungsleitungen und damit unser modernes Stromnetz erst möglich. Außerdem lässt sich durch die Verwendung von Trafos in vielen Geräten die Netzspannung auf ungefährliche Werte verringern, z. B. bei Kinderspielzeug. Dies geschieht durch besondere Anordnung von Spulen. Eine Transformatorstation ist also ein Werk, in dem der Strom aus dem Kraftwerk auf die gebrauchsüblichen Spannungen reduziert wird. Turbine Turbinen gehören zu den grössten von Menschen geschaffenen Maschinen überhaupt. Die Turbinen werden verwendet, um Strömungen (Luft, Wasser, Gase) in Bewegungsenergie umzuwandeln. Dabei wird das gleiche Prinzip wie bei einem Propeller gebraucht. Energieträger Unter Energieträgern versteht man Rohstoffe, aus denen durch chemische (Verbrennung) oder nukleare (Kernspaltung) Vorgänge Energie gewonnen wird. Zu den Fossilen Energieträgern gehören: • Steinkohle • Erdöl • Erdgas Diese Energieträger sind beschränkt vorhanden. Im Gegensatz dazu steht die Biomasse, also nachwachsende Energieträger (Holz). Dann gibt es noch die Kernenergie, die vor allem aus Uran gewonnen wird. Kernspaltung Als Kernspaltung bezeichnet man den Prozess, in dem ein Atomkern in zwei oder mehrere Bestandteile zersetzt wird. Uran eignet sich dazu besonders gut, da der Atomkern sehr instabil ist. Durch die Spaltung wird immer auch Wärmeenergie frei, und diese wird bei Kernkraftwerken gebraucht um das Wasser zu erhitzen. Elektrostatik Die Elektrostatik befasst sich mit der Wechselwirkung von elektrisch geladenen Körpern, also der Ladungsverschiebung und elektrischen Feldern. Dazu zählt auch die Reibungselektrizität, die durch den Übergang von Elektronen auf einen anderen Körper bei der Berührung (Reibung) geschieht. Erfindung der Glühlampe Der Amerikaner Thomas Alva Edison erfand die Glühlampe. Er lebte von 1847 bis 1913 im Staat New Jersey. Als junger Forscher entdeckte Edison, dass ein Faden, der aus Kohle gefertigt war, zu glühen begann, wenn man elektrischen Strom hindurchleitete. Aber der Faden verbrannte rasch, wenn Luft zugegen war. So montierte Edison den Kohlefaden in eine Glasbirne, aus der er die Luft herauspumpte. Nun konnte der Faden nicht mehr verbrennen, weil kein Sauerstoff in der Birne war. Er leuchtete hell und verbrauchte sich nur sehr langsam. Die Glühbirne war erfunden. Die Kohlefaden- Glühbirne hatte aber auch Nachteile. Das Licht war nur sehr schwach. Dafür hatte sie den Vorteil: Sie war gegen Erschütterung sehr widerstandsfähig. Aus diesem Grund werden Glühbirnen mit Kohlefäden für bestimmte Zwecke auch heute noch gebraucht. Die Wissenschaftler suchten nun nach Möglichkeiten, helleres Licht zu schaffen. Dabei fanden sie heraus, dass ein Glühfaden umso mehr Licht abgibt, je höher er erhitzt wird. Es musste also ein Metall gefunden werden, das sehr stark erhitzt werden kann, ohne dass es dabei selber schmilzt. So wurden die Glühfäden künftig aus Wolfram hergestellt. Wolfram ist jedoch ein sehr hartes und sprödes Metall, das bei 3370 Grad Celsius schmilzt. Lange Zeit gelang es nicht, daraus dünne Drähte zu ziehen. Heute ist das mit moderner Technik kein Problem mehr. Auf dem Markt werden darum fast nur noch Glühbirnen mit Wolfram- Wendel- so nennt man den Glühfaden- hergestellt. Glühlampe Die Glühlampe (auch häufig Glühbirne genannt), Glühfadenlampe und früher Glühlicht genannt, ist eine künstliche Lichtquelle, in der ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten angeregt wird. Funktionsprinzip In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter (Glühfaden) durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Die aufgenommene elektrische Leistung wird in Form von elektromagnetischer Strahlung (Infrarot- und sichtbares Licht) abgestrahlt und über Wärmeleitung und Wärmekonvektion an das Füllgas abgegeben. Der Glühfaden strahlt entsprechend dem Planckschen Strahlungsgesetz, so dass sich dessen Strahlung mit steigender Temperatur zu kleineren Wellenlängen hin verschiebt. Um eine möglichst hohe Ausbeute an sichtbarem Licht zu erhalten und auch, damit das Licht möglichst natürlich „weiß erscheint, strebt man danach, das Strahlungsmaximum durch Temperaturerhöhung aus dem Bereich der langwelligen Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) in den Bereich des sichtbaren Lichtes zu verschieben. Die Höchsttemperatur wird allerdings durch die Eigenschaften des Glühfadenmaterials begrenzt. Um möglichst hohe Temperaturen zu ermöglichen, verwendet man heute für Glühfäden das hochschmelzende Metall Wolfram (Schmelztemperatur (3422 C). Allerdings lässt sich auch mit diesem Material die für weißes Licht wünschenswerte Temperatur von etwa 6200 nicht erreichen, da Wolfram bei dieser Temperatur bereits flüssig beziehungsweise gasförmig ist. Bei den praktisch erreichbaren Temperaturen von etwa 2300 bis 2900 C erreicht man kein weißes Licht und auch nicht die Farbe von Tageslicht, Glühlampenlicht ist daher immer deutlich gelb-rötlicher als weißes oder Tageslicht. Diese so genannte Farbtemperatur wird auch zur Charakterisierung anderer Lichtquellen herangezogen. Aufbau Die Glühlampe besteht aus einem Befestigungssockel einschließlich der elektrischen Stromzuführungen und einem Glaskolben, der den Glühfaden und dessen Halterung vor der Außenumgebung abschirmt. Glaskolben In normaler Umgebungsluft würde der Glühfaden aufgrund des anwesenden Sauerstoffs und der hohen Betriebstemperaturen sofort verbrennen; er wird deshalb durch den Glaskolben von der Umgebungsluft abgeschirmt. Schutzgas Früher wurde der Glaskolben evakuiert. Heute sind die Glühlampen mit einem Schutzgas gefüllt. Das vereinfacht die Herstellung und reduziert die Sublimationsrate. Die bei einer Gasfüllung auftretenden Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion begrenzt man durch die Wahl von möglichst schweren Inertgasmolekülen oder -atomen. Glühfaden Die ersten Glühlampen enthielten einen Faden aus Kohle (Sublimationspunkt: 3.550 C). Bei der um 1900 gebräuchlichen Nernstlampe wurde der elektrolytische Leiter Zirkoniumoxid (mit Zusätzen) verwendet. Später wurde Osmium verwendet, und heute kommen fast ausschließlich Drahtwendeln aus Wolfram (Schmelzpunkt: 3.422 /- 15 C) zum Einsatz. Alle in Frage kommenden Materialien sind aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur und ihrer Sprödigkeit schwierig zu verarbeiten. Der Draht ist oft doppelt gewendelt, um durch eine kleine Langmuirschicht (Irving Langmuir, Nobelpreis 1932) die Wärmekonvektion zu begrenzen. Aufgrund der positiven Temperatur-Widerstands-Charakteristik (Kaltleiter) fließt beim Einschalten einer Metalldrahtglühlampe ein sehr hoher Einschaltstrom (das drei- bis fünffache des Nennstromes), der die Glühwendel schnell auf die Betriebstemperatur aufheizt. Durch die Zunahme des elektrischen Widerstands bei steigender Temperatur wird der Strom dann stabil auf den Betriebswert begrenzt. Entsorgung Glühlampen müssen ordnungsgemäß entsorgt werden. Normal- und Halogenglühlampen enthalten keine umweltbelastenden Inhaltsstoffe – sie bestehen im Wesentlichen aus Metall und Glas. Die geringen Halogenmengen in Halogenglühlampen können als unschädlich angesehen werden. Anders ist es bei Entladungslampen wie Leuchtstofflampen, Energiesparlampen und Hochdruck-Entladungslampen, wo Quecksilber für die Lichterzeugung gebraucht wird. Diese sind nach dem amtlichen Abfallkatalog Sondermüll. Die Entsorgung von Entladungslampen aus dem Privathaushalt übernehmen die kommunalen Sonderabfall-Sammelstellen. Wichtig ist, dass die Lampen unbeschädigt dort abgegeben werden, sie können dann entsprechenden Recyclingunternehmen zugeführt werden. Im Abfallgesetz ist festgelegt, dass der Besitzer von Abfällen zu deren Entsorgung verpflichtet ist, und die Wiederverwertung Vorrang vor sonstiger Entsorgung hat. Elektrizität im Alltag Haushalt Rund 25% der elektrischen Energie werden in Haushalten verwendet. Ihr Bedarf seitgt an, da die Nachfrage nach Geschirrspülern, Wäschetrockner, Haarföns etc. unseren Lebensstandart beträchtlich steigern. Doch wie gelangt der elektrische Strom zu unseren Steckdosen? Die Elektrizitätsversorgung erfolgt durch das Leitungsnetz. In Elektrizitätswerken, wie Wasser – Sonnen – oder Windkraftwerken wird die gewonnene Energie in Strom umgewandelt, über Transformatoren und schliesslich über Hochspannungsleitungen zu unserem Haushalt transportiert. Gefahren/Unfälle mit Strom Elektrizität gehört zu den häufigsten Brandursachen in Privathaushalten. Eingeschaltete Elektrogeräte wie Bügeleisen, Herd oder Heizstrahler erzeugen so viel Wärme, dass sie in der Nähe liegende brennbare Gegenstände entzünden können. Besonders gefährlich ist das Arbeiten an Sicherungen. Dies sollte ganz unterlassen werden. Auf keinen Fall dürfen Sicherungen überbrückt oder repariert werden. Hier kommt nur der komplette Austausch in betracht. Zum Schutz der Leitungen gegen Überbelastung wird die Stromstärke in den einzelnen Stromkreisen mit Werten zwischen 6 und 16 begrenzt. Jeder Versuch, diese Stromstärke zu erhöhen, kann daher zu Wohnungsbränden führen. Bei angeschlossenen Elektrogeräten soll beachtet werden, dass ihr Leistungsbedarf durch das vorhandene Stromnetz gedeckt werden kann. Die eingebauten Sicherungen schützen zwar die Leitungen, jedoch nicht den Menschen. Jede Berührung des Neutralleiters mit einer Hand ist mit grosser Wahrscheinlichkeit tödlich. Je nach dem, wie lange die Einwirkzeit des Stroms ist, können die Folgen von starken Verbrennungen bis zum Herzflimmern variieren, also zum Tod führen. (Verkrampfungen ab etwa 15mA; Herzflimmern ab etwa 50ma). Der Widerstand des menschlichen Körpers für die gefährlichste Strombahn (von der linken Hand zu beiden Füssen) liegt für den Wechselstrom bei etwa 1k. Daraus ergibt sich, dass Spannungen ab 50V lebensgefärlich sind. Eine häufige Unfallursache im Haushalt ist der Konrakt eines Phasenleiters mit dem Metallgehäuse eines Gerätes. Berührt man das Gerät, so kann durch den Körper ein Strom zur Erde (und damit zum Umspannwerk – dort ist der Neutralleiter geerdet) abfliessen, der um so grösser ist, je schlechter die Isolation gegen die Erde ist. Berührt man gleichzeitig ein geerdetes Objekt, wird der Strom besonders gross (die Sicherung der Leitung schützt uns dabei nicht). Schutzmassnahmen Häufige Ursache für Elektrounfälle ist der sorglose Umgang mit Srom. Es gilt also, dass alle Kabel und Geräte isoliert sein müssen, dass im Notfall ein Berühren spannungsführender Teile nicht möglich ist, dies gilt ebenso für Steckdosen. Kabel, an denen durch Verletzung blanke Drähte sichtbar werden, dürfen nicht verwendet werden. Für alle Geräte mit Metallgehäuse bietet die Erdung des Gerätes den erforderlichen zusätzlichen Schutz. Dabei wird das Gehäuse an die Erdungsleitung angeschlossen. In Steckdosen ist dafür der sogenannte Schutzkontakt vergesehen. Zur eindeutigen Kennzeichnung ist für die Schutzleitung eine zweifarbige Isolation, nämlich gelb und grün, vorgeschrieben. Bei einer Beschädigung des Gerätes, bei dem das Gehäuse unter Spannung steht, kann nun Strom zur Erde abfliessen – bei gleichzeitigem Berühren darf im parallelen Stromweg durch den menschlichen Körper zur Erde kein Strom fliessen. Da bei diesem Erdschluss jedoch nicht sicher ist, dass die Leitungssicherungen den Stromkreis unterbrechen, ist ein Fehlerstromschutzschalter, ein FI – Schalter, der beste Schutz. Der FI – Schalter unterbricht den Stromkreis, wenn die Ströme durch die Phasenleiter und den Neutrallteiter verschieden gross sind, was bei einem Erdschluss der Fall ist. Der FI – Schalter erkennt durch Magnetfeldern, ob die Ströme verschieden gross sind: Wenn die Ströme gleich gross sind, so heben sich die magnetfelder auf, sind sie aber verschieden, so tritt der FI – Schalter in Kraft. In jedem Haushalt sind Sicherungen vorhanden. Diese Sicherungen verhindern Stromschläge, die tödlich sein können. Die Sicherungen schützen, wenn es einen Kurzschluss gab. In den meisten Fällen ist die Isolation eines Kabels im Laufe der Zeit durchgescheuert. Die Kupferdrähte berühren sich und lösen einen Kurzschluss aus. Aber auch Fehler in der Installation, defekte angeschlossene Apparate oder wenn der Anschluss durch zu viele Apparate überbelastet ist, kann ein Kurzschluss zur Folge haben. Die Sicherung besteht aus einem Keramikkörper. In ihm befindet sich, feuersicher in Sand verpackt, ein kurzer dünner Draht (in der Fachsprache wird er Schmelzleiter genannt). Ist die Sicherung in den Sicherungshalter eingesetzt und die Verschlusskappe festgeschraubt, so fleisst der elektrische Strom der angeschlossenen Leitung durch diesen Schmelzleiter. Tritt ein Fehler auf, es sind zum Beispiel zu viele Apparate angeschlossen, so erhitzt sich der Schmelzleiter so stark, dass er schmilzt udn den Stromkreis unterbricht. Vorne bei der Sicherung ist ein rundes Plättchen angebracht. Dies ist der Kennmelder, der beim Durchbrennen der Sicherung wegspringt und dadurch kann man feststellen, ob die Sicherung durchgebrannt ist, oder nicht. Allgemein sollten Elektrogeräte nie unbeaufsichtigt gelassen werden. Geräte, die heiss werden wie Kochgeräte, Bügeleisen oder Tauchsieder sollten stets nur auf feuerfeste Unterlagen abgestellt werden. Diese können durch ihren Betreib soviel Wärme erzeugen, dass sie in der Nähe liegende brennbare Gegenstände erhitzen und entzünden können. Besonders gefährlich ist das Arbeiten an Sicherungen. Dies sollte ganz unterlassen werden. Sollte es trotz allem zu einem Unfall kommen, muss der Verunglückte möglichst schnell aus dem Stromkreis gebracht werden. Er darf dabei nur von einem isoliert stehenden Helfer berührt werden, da der Helfer dabei ebenfalls in den Stromkreis gerät. Andernfalls muss zuerst die Stromversorgung unterbrochen werden. Entstehung eines Gewitters Gewitterwolken entstehen, wenn zwischen bodennaher, feuchter Luft und Höhenluft sehr grosse Temperaturunterschiede herrschen. Sie bestehen aus Zellen, in denen die warme Luft durch starke Auftriebskräfte nach oben gerissen wird. Mit wachsender Höhe kühlt die feuchte Luft stark ab, es bilden sich Wassertröpfchen und Wolken, in noch grösserer Höhe auch Eiskristalle. Wassertröpfchen vereinigen sich zu Regentropfen, Eiskristalle wachsen zu Hagelkörnern zusammen. Ist die Wolke zu schwer, leert sie aus. Gewitterwolken sind im unteren Teil stark negativ, im oberen Teil stark positiv geladen. Dabei spielen die heftigen Aufwinde eine grosse Rolle, die durch die Erwärmung der Erdoberfläche durch die Sonneneinstrahlung entstehen. Sie wirbeln die Teilchen durcheinander, somit kommt es auch zu Zusammenstössen von Wassertröpfchen aus dem unteren Teil der Wolke (die negativ geladen sind) und Eiskristallen aus dem oberen Teil (die positiv geladen sind). Die positiven Ionen befinden sich übrigens im oberen Teil der Wolke, weil sie leichter sind und so automatisch vom Aufwind nach oben getragen werden. Die Eiskristalle geben an die Wassertröpfchen Elektronen ab. Die Wassertröpfchen haben somit mehr Elektronen, der untere Teil der Wolke ist also negativ geladen. Blitze treffen die Erdoberfläche, da unterhalb der Gewitterwolke negative Ladungen verdrängt werden und dadurch hohe Spannungen zwischen positiver Erde und negativer Wolkenunterseite auftreten. Es entstehen Spannungen von mehreren 100 Millionen Volt! Schönwetterfeld In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Potentialdifferenz von etwa 300000V zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (ca. 50km). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluß dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke 1000 vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab, es ist daher ein Ladevorgang notwendig, dieses Aufladen des Erdkondensators wird durch Gewitter besorgt Ladungstrennung in der Wolke Durch verschiedene Prozesse innerhalb der Gewitterwolke findet eine Trennung von elektrischen Ladungen statt. Diese Ladungstrennung ist mikroskopischer und makroskopischer Natur. Im Resultat von Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozesse zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen positive geladen während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine großräumige Separation dieser Teilchen erfolgt dann durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke. Die leichten Eispartikel finden sich im oberen Teil der Wolke, wo sich somit ein positives Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum. Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker. Leitblitz Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative Ladungsträger in Form des sogenannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche zuzubewegen. Dieser Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterläßt einen dünnen ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die typischen Verästelungen. Hauptblitz Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche. Wenn schließlich die lokale Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet, kommt dem stepped leader vom Erdboden aus eine Fangentladung entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort die maximalen Feldstärken erreicht werden. Wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals. Durch den Stromfluß heizt sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der Stromfluß auf einen dünnen Kanal begrenzt in dessen Zentrum bis zu 30000 erreicht werden können. Der Strom kann über 100 kA betragen. Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus, es entsteht eine Schockwelle, an der intensive Schallwellen, der Donner, generiert werden. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab. Schutzmassnahmen Jedes Jahr entstehen durch Blitzeinschläge grosse Schäden. Neben Sachschäden vor allem durch Brände sind auch tausende von Verletzten und Toten zu beklagen. Wenn man im Freien durch ein Gewitter überrascht wird, sollte man Vorsichtsmassnahmen ergreifen: Die Entfernung eines Gewitters lässt sich abschätzen durch die Zeit die zwischen Blitz und Donner verstreicht. Sie beträgt pro Entfernungskilometer etwa 3 Sekunden. Man soll die höchsten Punkte der Umgebung meiden, da sich an denen positive Ladung bevorzugt sammelt. Deshalb sind vor allem Wasseroberflächen und offene Gelände zu meiden. Auch frei stehende Bäume sind gefährlich, da ihre Kronen Blitze anziehen. Der Baum kann zu brennen beginnen oder explodieren. Gut geschützt ist man in Gebäuden mit Blitzableitern, Flugzeugen und Autos. Die Ströme werden nämlich in die Erde abgeleitet (Faraday- Käfig!).