Arbeitsblatt: Skript Elektrizität

Naturlehre Elektrizität KSS 3 1. Einführung ins Thema 1.1. Was Versuch 1: Skizze: Versuch 2: Skizze: Versuch 3: Skizze: ist Elektrizität? – Elektrische Erscheinungen Reibe deinen Füllhalter oder Kugelschreiber mit einem Wolltuch und halte danach den Schreiber dicht über kleine Papierschnitzel. Beobachtung: Lege ein Folienblatt auf den Tisch und reibe es mit einem Tuch kräftig fest. Hebe die Folie vom Tisch ab und halte sie über deine Haare. Beobachtung: Stelle am Wasserhahn einen möglichst feinen und gleichmässigen Wasserstrahl ein. Reibe einen Kamm mit Wolle und nähere ihn seitlich dem Wasserfaden. Beobachtung: Versuch 4: Reibe einen Plexiglasstab mit Wolle und berühre ihn anschliessend mit einer Glimmlampe. Eine Glimmlampe zeigt schon geringe Ladungen an. Verfahre ebenso mit einem PVCStab. Skizze: Beobachtung: Durch das Reiben werden die Körper aus Kunststoff elektrisch aufgeladen. Man sagt, sie besitzen elektrische Ladungen. Diese Elektrizität, die aus keiner Steckdose oder Batterie kommt, nennt man auch statische (ruhende) Elektrizität. Es gibt positive und negative elektrische Ladungen. Elektrisch gleichartig geladene Körper stossen sich ab, verschiedenartig geladene ziehen sich an. Durch Reibung erzeugte elektrische Aufladungen und Kraftwirkungen sind alltäglich: Wenn du z. B. deine frisch gewaschene und trockenen Haare kämmst, dann knistert es und die Haare haften am Kamm. Wenn du kunstfaserhaltige Kleidungsstücke ausziehst, dann „kleben sie am Körper und es knistert. Bei Dunkelheit siehst du sogar kleine Lichtblitze. 1 Naturlehre Elektrizität KSS 3 1.2. Das vorelektrische Zeitalter Gehen wir einmal weit zurück in der Geschichte. Im Schweisse deines Angesichts sollst du dein Brot verdienen, heisst es in der Bibel. Das Leben war Arbeit, mühsame Arbeit auf Äckern, im Stall, beim Bau von Häusern, Burgen, Kanälen usw. usw. Die Ägypter, Babylonier, Griechen und Römer fanden eine neue Lösung: Sie unterjochten andere Völker, die für sie als Sklaven die Arbeit zu verrichten hatten. Die Farmer Amerikas setzten diese Tradition bis vor 140 Jahren fort, indem sie Negersklaven für sich arbeiten liessen. Die leibeigenen Bauern im alten Europa waren auch nicht viel besser dran, sie „gehörten ihrem Gutsherrn und mussten für ihn schuften. Immer mussten auch Tiere für die Menschen arbeiten: Lasten ziehen oder tragen, die Äcker pflügen, Mühlen treiben. Sträflinge und Häftlinge ruderten die Galeeren oder liefen stundenlang in grossen Laufrädern herum, um Lasten zu heben. Die Menschen lernten aber auch, die Kräfte der Natur zu nutzen: Die Energie der Bäche, die Energie des Windes und die Energie der Gezeiten der Meere. Die Betriebe mit grossem Energiebedarf siedelten sich am Dorfbach an: Mühlen, Sägewerke und Hammerschmiede. Auch die Gebläse der Hochöfen wurden mit Wasserenergie betrieben. Der nächste Schritt war wohl die Freisetzung der Energie, die in der Kohle steckt. Warum hat wohl der Engländer James Watt 1765 die Dampfmaschine erfunden (und nicht etwa ein Schweizer oder ein Österreicher)? Die Menschen in den Alpen waren nicht so auf Dampfmaschinen angewiesen. Sie hatten ihre Wasserkraft. Einer der grössten „Dorfbäche in der Schweiz war der Rhein. Den Rheinfall bei Schaffhausen hat man für industrielle Zwecke genutzt. Ein langes geschlossenes Stahlseil wurde von einem grossen Wasserrad angetrieben und durch verschiedene Fabriken geführt. Damit wurden die Maschinen angetrieben. Eine ziemlich gefährliche Angelegenheit übrigens. 2 Naturlehre Elektrizität KSS 3 1.3. Die Erfindung der Elektrizität Dann kam die grosse revolutionäre Erfindung: Die Elektrizität. Aber lassen wir das vorderhand noch beiseite und überlegen wir, wie das wohl weitergegangen wäre ohne die Elektrizität. Auch ohne Elektrizität hätte man wohl begonnen, in alle Häuser und Wohnungen Trinkwasserleitungen zu verlegen. Vielleicht hätte man begonnen, mit diesem Wasser aus den Wasserleitungen verschiedene Haushaltsgeräte zu betreiben. Vor etlichen Jahrzehnten waren Wäscheschleudern modern, die mit dem Wasser aus der Wasserleitung betrieben wurden. Lass ein wenig deine Phantasie spielen und „erfinde einen Staubsauger, der mit Wasser betrieben wird. Wie müsste man ein Haus einrichten, wenn man mit diesem Wasser-Staubsauger alle Zimmer reinigen möchte? Eine wichtige Frage wäre wohl der Wasserdruck. Überlege dir Vor- und Nachteile von hohem und von niedrigem Wasserdruck. Vorteile/Nachteile von hohem Druck: Vorteile/Nachteile von niedrigem Druck: Kaum möglich (wenn auch nicht unmöglich) wäre es, mit Druckwasser Wärme oder Licht zu erzeugen, etwa für einen Kochherd oder ein Bügeleisen. Einen Fernsehapparat könnte man damit aber bestimmt nicht betreiben. 1.4. Das elektrische Zeitalter Nun wieder zurück aus unserer Phantasiereise in die wirkliche Geschichte. 1833 1844 1879 1881 1895 1895 (noch vor der Abschaffung der Sklaverei) wurde der Stromgenerator erfunden wurde der Place de la Concorde in Paris mit elektrisch betriebenen Bogenlampen beleuchtet erfand Thomas Alva Edison die Kohlenfaden-Glühlampe wurde das erste Wasserkraft betriebene Kraftwerk in St.Moritz gebaut gab es in der Schweiz bereits 800 Elektrizitätswerke wurde das Elektrizitätswerk Altdorf (EWA) gegründet und das erste UrnerKraftwerk gebaut 3 Naturlehre Elektrizität KSS 3 So ein Elektrizitätswerk funktioniert im Prinzip wie das vom Wasserrad getriebene Stahlseil am Rheinfall in Schaffhausen. Man muss nur das Seil durch den elektrischen Strom ersetzen. Ein Wasserrad (eine Turbine treibt (über einen Generator) den Strom an. Wenn sich beispielsweise der Motor eines Staubsaugers dreht, dann ist es letztlich das Wasser, welches den Strom erzeugt, der dann den Staubsauger antreibt. Unser elektrischer Strom im Haushalt hat eine grosse Ähnlichkeit mit unserem mit Druckwasser betriebenen Phantasiehaus. Aus den „Steckdosen schiesst jedoch nicht Wasser (unter hohem Druck), sondern elektrischer Strom (unter hoher Spannung). Was fliesst eigentlich, wenn ein elektrischer Strom fliesst? Das hat man lange Zeit nicht gewusst, aber heute wissen wir: Es sind elektrisch negativ geladene Teilchen, so genannte Elektronen, die da fliessen. Nicht durch Rohre, wie das Wasser, sondern in sogenannten elektrischen Leitern. Metalle eignen sich hier sehr gut, vor allem Silber, Kupfer und Aluminium. Andere Stoffe eignen sich schlecht als Elektronenleiter, man nennt sie Isolatoren. 4 Naturlehre Elektrizität KSS 3 1.5. Elektronen – Träger der Elektrizität Elektrizität ist eine grundeigenschaft der Materie. Alle Materie ist aus Atomen aufgebaut. Ein Atom besteht aus dem positiv geladenen Atomkern und den negativ geladenen Elektronen. Sie umkreisen den Atomkern. Elektrische Kräfte halten die Atome zusammen. Was weißt du noch? Ergänze die Lücken. Alle Stoffe bestehen aus A. Das Atom besteht aus einerm K und einer H. Die Teilchen im Kern heissen P, sie sind p_ geladen und N_, sie haben k_ Ladung. Die Teilchen der Hülle heissen E, sie sind n geladen. Die Elektronen auf der äussersten Umlaufbahn sind nur locker an den Atomkern gebunden. Sie können ihre Bahn verlassen. Als freie Elektronen bewegen sie sich dann zwischen den Atomen. Sie sind die Träger der Elektrizität. Wird der Druck auf sie ausgeübt, z. B. durch eine Stromquelle, bewegen sich alle freien Elektronen in die gleiche Richtung. Strom fliesst. 1.6. Leiter und Nichtleiter Hat ein Stoff viel Raum zwischen seinen Atomen, können sich die freien Elektronen leicht bewegen. Dieser Stoff ist ein guter Leiter. Sind die Atome dicht beieinander, bleibt den freien Elektronen wenig Platz zur Bewegung. Diese Stoffe sind schlechte Leiter. Sie keine Zwischenräume vorhanden, ist keine Bewegung möglich. Diese Stoffe sind Isolatoren. Metalle und Gegenstände aus Graphit (Bleistiftmine) leiten den Strom sehr gut. Graphit ist der einzige feste Körper, der als Nichtmetall den Strom leitet. Der beste Leiter ist Silber. Für Metalldrähte in Kabeln verwendet man aber das billigere Kupfer. Gase sind normalerweise Nichtleiter. Unter bestimmten Bedingungen, wie in der Neonröhre oder bei Gewittern, können aber auch Gase zu Leitern werden. Wir untersuchen verschiedene Stoffe auf ihre elektrische Leitfähigkeit. Lampe leuchtet Stoff Gummi Glas Pastik Papier Destilliertes Wasser Hahnenwasser Salzwasser Bleistiftmine Holz trocken Holz feucht Erde trocken Erde feucht Metall Schnur Versuchsaufbau: 5 gut schwach nicht Naturlehre Elektrizität KSS 3 1.7. Die Glühbirne Beobachte mit der Lupe das Innere der grossen Glühlampe. Zeichne alle Teile im Innern der Glühlampe ein und beschrifte die, welche du kennst. Zeichne auch den Glühfaden zwischen den Trägerdrähten. Wieso ist der Glühfaden gewendelt (doppelt gewendelt)? „Im Jahre 1879 exp eri e ntierte der Am erikan r Thomas Alva Edison mit elektrisc e Licht und erfand die erst brauc b r Glühla p . Es war ein Ziel, eine billige und an jed m Strom etz ans hlie s a e Lamp zu baue n. And er Erfinder hatten sch n vor ihm elektrisch s Licht erze gt. Aber dies Lamp n waren entwed r aus e ord ntlich teuer und für den Alltags e r u h ung ei n et od er hatten nur eine kurze Leb n d u r. Edison Lamp be stand aus eine Glask olb n, aus de die Luft abg p m pt word n war und eine d ünne Fad n, welch r von Strom durchflos e wurd e. Das Proble war, eine Fad n zu finden, der nicht gleich brach od er verbrannte. Nach über 60‘000 Brennv er u h n mit den vers hi d n st n Materialien gelang s am 21. Oktober 1879 erstm al s, eine Lamp mit eine verkohlten Nähfad n (Baumw ollfad n zu bau n, die üb er 40 Stund n ein strahlend s Licht verbreitet e. Heute kom e fast aus c hli ßlich Drahtwend eln aus de Metall Wolfram (Sch e lz unkt 3422C zum Einsatz. Die von Edison erfund n Lamp wird bis in uns er Zeit in nur schwa h ver änd rt er Art millione nfa h benutzt. 1.8. Die Batterie Eine Stromquelle Eine Batterie besteht aus mehreren einzelnen elektrischen Zellen. Jede Zelle verfügt über zwei Kammern. In der äusseren Kammer (Minuspol) befinden sich mehr Elektronen als in der inneren Kammer (Pluspol). Die Kammern sind getrennt. Ein Ausgleich kann nur über eine äussere Leitung erfolgen. Werden die Kammern mit einem elektrischen Leiter verbunden, findet ein Ausgleich statt. Die Elektronen fliessen vom Minuspol zum Pluspol. Dabei verrichten sie Arbeit, z.B. leuchtet eine Glühlampe. Befinden sich in beiden Kammern gleich viele Elektronen, kann kein Strom mehr fliessen. Vergleich mit Wassermodell: Behälter ist mit Wasser gefüllt, Behälter ist leer. Beide sind mit einer Leitung, die mit einer Klemme verschlossen ist, verbunden. Die Klemme wird geöffnet. Ergänze die Sätze: Das Wasser fliesst so lange, bis_ Das Wasser verrichtet Arbeit, wenn 6 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Trage nun ein: Elektronenmangel, Elektronenüberschuss, Arbeit wird verrichtet 1. 2. 3. Zeichne die Bewegungsrichtung der Elektronen in die Abbildung. 1. Schliesst die Kabel an die Batterie an und berühre mit den blanken Enden eure Zungenspitzen. Was spürst du? 2. Löst das Kochsalz im Wasser auf. Füllt die Salzlösung in die kleine Kunststoff-Wanne. Legt die beiden Metallplättchen (Kupfer- und Zinkplatte) so in die Flüssigkeit, dass sie sich nicht berühren. Schliesst an jedes einen Draht an und legt die blanken Enden wieder an eure Zungen. Schliesst eure selbst gebaute Batterie an das Messgerät (Die Lehrperson erklärt euch das Gerät!) an und beobachte die Anzeige. Diskutiert eure Feststellungen und Erkenntnisse. Beantworte folgende Fragen. 1. Woher kommen die Elektronen, die von der Batterie im Kreise bewegt werden? 2. Im Versuch haben wir bemerkt das Metall-Flüssigkeitskombinationen (z.B. Salzwasser, Zitronen, saurer Wein, etc.) gleich wie die Batterie „Strom abgeben kann. Stimmt die Aussage? Eine Taschenlampenbatterie hat eine Spannung von 4.5 Volt. Sie besteht aus drei 1.5 Volt-Batterien. Es gibt eine Vielzahl von Spannungsquellen, mit denen du elektrische Geräte betreiben kannst. Bild Name Erzeugt Spannung durch 7 Naturlehre Elektrizität KSS 3 2. Der elektrische Stromkreislauf 2.1. Der einfache Stromkreislauf Aufgabe: Du hast eine Batterie und ein Lämpchen zur Verfügung. Bringe das Lämpchen zum Brennen. Zeichne deine Anordnung! Bravo, du hast es geschafft. Zeichne nun ein, wie man einen Leitungsdraht an der Batterie und der Fassung befestigen muss. Male nun mit einem Rotstift nach, wie der Strom fliesst. Folgendes Material steht dir zur Verfügung: Batterie 4,5 V, Kabel, Glühlämpchen mit Fassung, Schraubenzieher, Hammer, Zange, Büroklammern, Nägel, Schrauben, Metallplättchen, Nieten, Holzbrett Baue eine Schaltung Skizziere dein Schaltbild a) mit einer Stromquelle, einem Lämpchen und einem Ein-/Ausschalter b) mit einer Stromquelle und 2 Lämpchen c) mit einer Stromquelle, zwei Lämpchen und einem Schalter, so dass beide Lämpchen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden können. Wir sehen, dass es nötig ist, beide Pole der Batterie mit dem Lämpchen zu verbinden. Nur so fliessen die Elektronen. Sie sind nämlich ganz gefitzte Kerle. Sie machen sich vom negativen Batteriepol (Minuspol) nur dann auf den Weg, wenn ihr Rückweg zum positiven Batteriepol (Pluspol) gesichert ist. In der Fachsprache heisst das: Der Stromkreis ist geschlossen! 8 Naturlehre Elektrizität KSS 3 In der Abbildung siehst du verschiedene Stromkreise mit einer oder mehreren Batterien. Male die Lämpchen die leuchten gelb aus. Korrigiere falsche Schaltungen. 9 Naturlehre 2.2. Der Elektrizität KSS 3 Schaltplan Symbole im Stromkreislauf Beschrifte folgende Symbole Übungen: Links findest du einen Schaltplan vor. Ergänze, passend zu diesem Schaltplan, das rechte Bild, indem du die Leitungen einzeichnest. Zeichne den zum rechten Bild gehörigen Schaltplan. 10 Naturlehre Elektrizität 11 KSS 3 Naturlehre Elektrizität 2.3. Serieschaltung KSS 3 Parallelschaltung In einem Stromkreislauf können die Elektronen, die von der Stromquelle abgegeben werden, auf verschiedenen Wegen zurück zur Stromquelle fliessen. Diese Wege nennt man auch Stromzweige. Baue mit den Experimentierkästen aus dem Schrank zwei Stromkreise nach folgenden Zeichnungen. Drehe in jedem Stromkreis jeweils eine Glühbirne aus. Welche Feststellung kannst du machen? Serieschaltung Parallelschaltung Ergänze die Sätze: Der Strom kann Der Strom kann Fällt ein Lämpchen aus, Fällt ein Lämpchen aus, Die Lämpchen lassen sich Die Lämpchen lassen sich Vorteile: Vorteile: Was bewirken die jeweiligen Schalter A, B, C, D? 1 1 2 D 12 2 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Baue mit dem Experimentierkasten nach und überprüfe! 2.4. Lichtschalter Übrigens, mit einem Schalter kann ein Stromkreis oder werden. Merke und benenne die beiden Schalterformen und markiere mit einem farbigen Stift jeweils die beiden Kontaktstellen. Versuch zum Wechselschalter: Baue deine Anlage so aus, dass die Glühbirne von einem Schalter aus bedient werden kann, unabhängig von der Stellung des anderen Schalters. Diese Situation treffen wir beispielsweise in einem zweistöckigen Haus an. Die Treppenhausbeleuchtung soll von jedem Stockwerk aus unabhängig ein- und ausgeschaltet werden können. Zeichne deine Lösung mit einem Schaltplan auf. 13 Naturlehre Elektrizität KSS 3 3. Gefahren des elektrischen Stroms Beim Umgang mit dem elektrischen Strom musst du dich grundsätzlich vorsehen. Nur Stromkreise mit Batterien, kleinen Dynamos oder Netzgeräten („Trafos) als Stromquelle sind ungefährlich. Die Gefahr beruht darin, dass auch du selbst ein elektrischer Leiter bist – wenn auch kein so guter wie ein Draht aus Metall. Wie kommt es eigentlich, dass auch der menschliche Körper den Strom leiten kann? Denk an die Leitfähigkeit von Kochsalz. Der Mensch besteht zu fast zwei Dritteln aus salzhaltigem Wasser! Wenn jemand einen Stromschlag bekommt, dann das für ihn ganz böse ausgehen: Seine Muskeln verkrampfen sich und sein Herz kann nicht mehr ungestört arbeiten. Dazu kommen noch Verbrennungen. Das kann tödliche Folgen haben! Bei einem Elektrounfall ist schnelle Hilfeleistung entscheidend: Wenn der Verunglückte sich noch im Stromkreis befindet, darf man ihn auf keinen Fall anfassen. Zuerst muss der Stromkreis unterbrochen werden (Sicherung, Hauptschalter). Auf dem Bild geschehen einige Dinge, die gefährlich sind. Markiere sie mit einem roten X. Nummeriere die Kreuze. Schreibe in dein Notizheft zu jeder Nummer auf, warum man etwas nicht tun soll. Beispiel (nicht auf dem Bild): Flicke nie eine Sicherung selber, weil du dann nicht mehr geschützt bist. 14 Naturlehre Elektrizität KSS 3 4. Elektrische Masse 4.1. Volt, Ampere, Ohm – Wichtige Zusammenhänge Wasser fliesst aus einem Rohr, weil ein gewisser Druck auf die Flüssigkeit wirkt. Strom fliesst durch die Leitung, weil die Batterie einen elektrischen Druck auf die Ladungsteilchen ausübt. Er wird in Volt gemessen. In einem Rohr bestimmter Dicke fliesst eine gewisse Wassermenge: Sie wird unter anderem durch den Rohrdurchmesser bestimmt. In einer Leitung bewegt sich eine grosse Zahl von Elektronen: Die Menge der durchtretenden Elektronen macht die Stärke des Stroms (Stromstärke) aus. Die Stromstärke misst man in Ampere. Wichtige Zusammenhänge: Die Menge der durchtretenden Elektronen (Ampere) wird grösser, wenn der Pumpendruck (Volt wächst. Die Menge der durchtretenden Elektronen (Ampere) wird begrenzt durch die Dicke des Leitungsrohrs. Ein dünnes Rohr lässt weniger Elektronen durchtreten als eine Leitung mit grossem Durchmesser. Es wirkt auf die bewegten Teilchen wie eine Bremse oder wie ein Widerstand. Geringe Widerstände lassen grosse Stromstärken zu (dicke Röhren!). Grosse Widerstände setzen die möglichen Stromstärken herab (dünne Röhren!). Elektrische Widerstände bemessen sich in Ohm (Sie sind auch vom Leitermaterial abhängig). Alle Vorgänge in einem einfachen Stromkreis laufen in gegenseitiger Abhängigkeit zwischen den drei Messgrössen ab. Setze die fehlenden Messgrössen ein: Volt Ohm Stromstärke 15 Naturlehre 4.2. Elektrizität Umgang mit dem Vielfachmessgerät 16 KSS 3 Naturlehre Elektrizität KSS 3 4.3. Die Spannung (U) Je grösser der Druck ist, den die Wasserpumpe erzeugt, desto schneller bewegt sich das Wasser in den Leitungen. Im elektrischen Stromkreis ist es ähnlich. Je grösser der „Druck ist, den eine Stromquelle erzeugen kann, desto grösser ist auch die Bewegung der Elektronen. Dieser „Druck wir im Stromkreis Spannung genannt. Die Spannung wird in Volt gemessen. Formelbuchstabe: 1 1000 mV „Elektrische Fische Es gibt etwa 200 Arten von elektrischen Fischen. Zitterrochen und Zitteraal haben besondere Organe, die Spannungen bis zu 800 Volt erzeugen können. Die Stromstärke ist für Menschen lebensgefährlich. Andere elektrische Fische, wie Nilhecht, Hai oder Messeraal, erzeugen Spannungen von nur einigen Millivolt. Sie rufen damit elektrische Felder hervor. Mit speziellen Sinnesorganen können sie Veränderungen des Feldes durch Gegenstände oder andere Lebewesen feststellen und sich so auch in trüben oder dunklen Gewässern orientieren. Wir messen Spannung: Spannungen misst man mit dem Spannungsmessgerät (Voltmeter). Die Einheit der Spannung ist das Volt (V). Hohe Spannungen werden in Kilovolt angegeben, kleine Spannung in Millivolt. 1 Kilovolt 1 kV 1 Millivolt 1 mV (1 Megavolt (MV) 1 Gigavolt (GV) ) !!Achtung: Das Spannungsmessgerät wird immer parallel geschaltet. Eine falsche Schaltart kann das Messgerät zerstören!! Unverzweigter Stromkreis (Reihenschaltung): Bau den Schaltplan nach, miss die Spannungen und trage sie in die Tabelle ein: U4 Spannung U1 U2 U3 U4 U3 Volt Beobachtung: U2 U1 Die Summe der Teilspannungen ist der Totalspannung an der Spannungsquelle. Schaltung von mehreren Spannungsquellen: Zeichne die Verbindungen ein. Schaltet man mehrere Quellen in Reihe, so addieren sich die Teilspannungen, z.B. Batterie Schaltet man mehrere gleiche Quellen parallel, so hat die gesamte Quelle die gleiche Spannung wie jede Einzelquelle. 17 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Eine Batterie kann nicht beliebig viel Strom liefern. Wenn zwei Lampen parallel geschaltet sind, haben die Elektronen zwei Möglichkeiten (Wege) um durchzufliessen. Es werden mehr Elektronen unterwegs sein. Der Druck (Spannung) wird auf zwei Verbraucher verteilt. Erinnern wir uns an den Wasserkreislauf: Wenn in einem grossen Hotel morgens alle Gäste gleichzeitig duschen, wird der Druck auf der Wasserleitung abfallen. Das Reservoir wird auch schneller leer sein. Auf den Stromkreis bezogen heisst dies: Je mehr Verbraucher angeschlossen sind, desto schneller wird die Batterie erschöpft sein. Dies kann mit einem einfachen Experiment nachgeprüft werden. Schalte zwei Lampen parallel an einen Trafo. Schraube eine Lampe ein und aus. Beobachte das Verhalten der anderen Lampe! Gib eine Erklärung dazu! Weitere Spannungsmessungen: 4.4. Die Stromstärke (I) Im Wasserstromkreis wird von der Pumpe Wasser in Bewegung gesetzt. Im elektrischen Stromkreis werden von der Stromquelle Elektronen bewegt. Je dicker die Wasserleitung ist, desto mehr Wasser kann bewegt werden. Auch im elektrischen Stromkreis kann man sagen: je grösser der Querschnitt eines Drahtes ist, desto mehr Elektronen können bewegt werden. Für die Menge der Elektronen, die in einem bestimmten Zeitraum bewegt werden, hat man die Stromstärke festgelegt. Je mehr Elektronen in einer Sekunde durch den Leiter fliessen, desto grösser ist die Stromstärke. Die Stromstärke (I) gibt an, wie viele Elektronen pro Sekunde durch einen Leiter fliessen. Die Stromstärke wird in Ampère gemessen. Formelbuchstabe: 1 1000 mA Wir messen die Stromstärke: Die Stromstärke (Abkürzung) wird mit dem Ampèremeter gemessen, welches mit dem Verbraucher in Serie geschaltet ist. Die Masseinheit ist das Ampère. 1 Milliampère (1mA) 1 Mikroampère (A) 1 Nanoampère (nA) 18 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Das Strommessgerät benutzt die magnetische Wirkung des Stromes: Grosse Stromstärke grosse Wirkung (grosser Zeigerausschlag) Kleine Stromstärke kleine Wirkung (kleiner Zeigerausschlag) Voltmeter und Ampèremeter werden nicht gleich in einen Stromkreis eingefügt! Mit dem Voltmeter möchten wir ja den Druck zwischen zwei Polen messen, mit dem Ampèremeter aber die Menge der durchfliessenden Elektronen. !!Achtung: Das Amperemessgerät wird immer in Serie geschaltet. Eine falsche Schaltart kann das Messgerät zerstören!! Erkenntnis: Einige Beispiele für Stromspannungen U: Monozelle 1,5 Flache Taschenlampenbatterie 4,5 Blockbatterie 9 Autobatterie 12 Lastwagenbatterie 24 Haushaltnetz (Licht) 230 Tram in Zürich 600 SBB Fahrleitungen 1500 Viehzaun 2000 Hochspannungsleitung 38000 Röntgenanlage 20000 Volt Volt Volt Volt Volt Volt Volt Volt Volt Volt Volt 19 Einige Beispiele für Stromstärke l: Glühbirne 0,2 Ampere Kochplatte 10 Ampere Lokomotive 6000 Ampere Naturlehre Elektrizität KSS 3 4.5. Zusammenfassung Spannung und Stromstärke Stelle in einer Tabelle die Gesetze zu Stromstärke und Spannung in verschiedenen Stromkreisen zusammen. Kennzeichne die Messgeräte (mit und A) und gib Beispiele für die Anwendungen dieser Schaltungen an! unverzweigter Stromkreis (Reihenschaltung) Schaltart verzweigter Stromkreis (Parallelschaltung) Schaltskizze 3 3 B Gesetze für den skizzierten Fall 1 2 1 2 Anwendungen Aufgabe: Beide Widerstände sind gleich groß. Welche Werte ergeben sich bei Anwendungen der Gesetze für Spannungen und Strom-stärken? Ergänze die fehlenden Werte! Unverzweigter Stromkreis Spannung Stromstärke Verzweigter Stromkreis 6V 6V U1 U1 U1 U1 12 U2 U2 5 U2 U2 I1 9 mA I1 I1 120 mA I1 mA I2 mA I2 1,2 mA I2 mA I2 1,5 mA I3 mA I3 I3 mA I3 mA mA 20 mA Naturlehre 4.6. Der Elektrizität KSS 3 elektrische Widerstand in Drähten Drähte aus unterschiedlichen Metallen leiten den Strom unterschiedlich gut. Das erklären wir uns so: Jeder Leiter behindert den Strom bei seinem Durchgang durch den Draht. Diese Eigenschaft ist bei jedem Leitermaterial verschieden. Je nachdem, um welches Material es sich handelt, fliesst ein stärkerer oder schwächerer Strom. Die Behinderung, die der elektrische Strom in jeder Leitung erfährt, wird elektrischer Widerstand genannt. Manche Metalle leiten den elektrischen Strom besonders gut; sie haben einen elektrischen Widerstand. Andere Metalle (und die Kohle) leiten ihn weniger gut; ihr elektrischer Widerstand ist. Der Widerstand ist auch von der des Leiters abhängig, durch den der Strom fliesst: Je der Draht, desto sein Widerstand. Der Widerstand hängt ausserdem von der des Leitungsdrahtes ab: Je der Draht, desto sein Widerstand. Versuch: Spanne gemäss Abbildung einen 1 langen Konstantandraht zwischen zwei Isolierstiele. Schalte einen Strommesser in den Stromkreis. Ein Spannungsmesser wird parallel geschaltet. Nun stellst du am Speisegerät nacheinander die Spannung von 2 V, 4 V, usw. ein. Lies die dazugehörige Stromstärke ab und trage sie in die Tabelle ein. Führe den Versuch auch mit der halben Drahtlänge durch! 2V 4V 6V 8V (1 m) U/I (0,5 m) U/I Graphische Darstellung: 21 10 12 14 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Feststellung: Die Stromstärke im gleichen Mass, wie die Spannung gesteigert wird. Spannung und Stromstärke verhalten sich somit zueinander. Bildet man den Quotienten aus Spannung und Stromstärke, stellt man fest, dass dieser Wert annähernd gleich bleibt. Man nennt diesen Quotienten elektrischer Widerstand. Elektrischer Widerstand -------------------------------- RU:I Stromstärke -------------------------------- Spannung U Widerstände (Abkürzung R) einzelner elektrischer Stromverbraucher können wir messen. Die Masseinheit heisst Ohm (Abkürzung ). Rechenbeispiele: 1. Ein Heizstrahler hat einen Anschlusswert von 220 Volt. Dabei fliessen 4,55 A. Berechne seinen Widerstand. 2. Ein Radiowiderstand ist an 6 Volt angelegt. Welcher Strom fliesst, wenn sein Widerstand 2 beträgt? 3. Bei welcher Spannung fliessen in einer Kochplatte 5,5 Ampère, wenn ihr Widerstand 40 beträgt? 4. Die Scheinwerferlampe beim Auto hat bei einer Spannung von 12 einen Widerstand von 2,4 . Wie gross ist die Stromstärke im Stromkreis dieser Lampe? 5. Der Widerstand eines Warmwasserbereiters beträgt 53 . Welche Stromstärke entsteht, wenn das Gerät mit einer Spannung von 230 betrieben wird? 6. Bei einem Lötkolben wird während des Betriebes eine Stromstärke von 1,7 gemessen. Sein Widerstand beträgt 135 . Welche Spannung liegt an? 7. Beim Betrieb eines Dampfbügeleisens wird eine Stromstärke von 7 gemessen. Der Widerstand des Bügeleisens beträgt 33 . Wie hoch ist die Spannung, mit der das Bügeleisen betrieben wird? 22 Naturlehre Elektrizität 4.7. Stromverbraucher KSS 3 und Widerstand Elektrische Geräte werden allgemein als Verbraucher bezeichnet. Dabei werden aber nicht etwa Elektronen verbraucht, die in diesen Geräten fliessen, sondern lediglich die Energie, die diese Elektronen mitführen. Vergleiche dazu auch den Wasserstromkreis, auch hier treibt das Wasser das Wasserrad an, das Wasser wird also nicht verbraucht, sondern nur die Energie, die dieses Wasser mitführt. Der elektrische Strom muss durch einen Verbraucher hindurch einen Weg finden. Ziehe diesen Weg des Stromes rot nach und verdeutliche Zuleitung und Rückleitung durch Pfeile. Glühlampe: Wärmegeräte: Klingel: Füge die „Widerstände den obigen Verbrauchern zu: Glühwendel, Heizspirale, Magnetspule Die Rückleitung muss nicht immer ein Draht sein. Trage die jeweilige Rückleitung rot ein. Hier ist die Rückleitung: die der der die Setze die folgenden Lückenwörter ein: Karosserie, Metallboden, Rahmen, Schienen Aufgabe: Betrachte bei der nächsten Zugfahrt den Schienenstrang der SBB, was fällt dir dabei auf? Verbraucher mit geringem Stromdurchfluss setzen dem Strom einen grossen Widerstand entgegen, Verbraucher mit einem grossen Stromdurchfluss haben einen kleinen Widerstand. Wie können wir das verstehen? Vergleichen wir wieder einmal mit einem Wasserkreislauf. Wir lassen Wasser aus einem Gartenschlauch fliessen. Wenn wir nun auf den Gartenschlauch treten, fliesst weniger Wasser durch, der Widerstand wird durch unsere Druckstelle grösser. Der Wasserhahn ist nichts anderes als ein regulierbarer Widerstand. Je grösser der Widerstand (Hahn schliessen) wird, desto weniger Wasser kann fliessen. Bei zugedrehtem Hahn ist der Widerstand unendlich gross, bei ganz geöffnetem Wasserhahn ist der Widerstand sehr klein. Genauso verhält es sich bei der Elektrizität. Verschiedene Verbraucher setzen dem Strom mehr oder weniger Widerstand entgegen, es fliesst demzufolge weniger oder mehr Strom. Wenn du eine Glühlampe genau betrachtest, stellst du fest, dass im Lampeninnern der Draht sehr dünn ist. Hier müssen sich die Elektronen auf kleinstem Raum durchzwängen, wie die Autos bei einer einspurigen Autobahnbaustelle. 23 Naturlehre Elektrizität KSS 3 4.8. Parallel- und Serieschaltung von Widerständen Gesamtwiderstände lassen sich wie folgt berechnen: Parallelschaltung: Serieschaltung: 1 1 1 1 . Rtot R1 2 Rn Rtotal R1 R2 Rn Berechne folgende Widerstände: 4 0 1 2 0 2 2 0k 5 6 0k 8 0k Versuch: Baue zwei Stromkreise mit je zwei Lampen. Im einen Stromkreis sind die Lampen parallel, im anderen in Serie geschaltet. Verwende bei beiden Schaltungen die gleiche Spannung. Wo fliesst der grössere Strom? In welchem Stromkreis ist der Gesamtwiderstand grösser? 4.9. Wann ist elektrischer Strom gefährlich? Dass Steckdosen gefährlich sind, lernen schon die kleinen Kinder. Ebenso wissen sie, dass man sich an einer Taschenlampenbatterie nicht ernsthaft elektrisieren kann. Wie steht es aber mit einem Kuhdraht oder einer Autobatterie? Wechselströme von mehr als ca. 50 Milliampere (0.05 A), welche mehr als Sekunden durch den Körper fliessen, sind tödlich. Im Lichtnetz fliessen aber viel grössere Ströme (6 bis 10 A). Wie kommt es, dass man immer wieder von Leuten hört, die einen Stromschlag überleben? Dies hängt mit dem Widerstand des Körpers zusammen. Widerstand zwischen isoliertem Schraubenzieher in der Hand und dem Boden Widerstand zwischen Hand und Schuhsohle Widerstand bei trockener Haut Mittlerer Widerstand (Mensch) Widerstand bei feuchter Haut sehr gross gross bis 10‘000 1‘000 300 Der Widerstand kann also sehr unterschiedlich sein. Elektrisiert sich jemand mit einer Spannung von 220 V, so fliesst bei einem angenommen Widerstand von 1000 ein Strom von 220 mA. Wenn es nicht gelingt, den Strom innert ca. 0,2 Sekunden auszuschalten, geht dieser Unfall tödlich aus. Benutzt man hingegen isoliertes Material, so ist die Stromstärke sehr viel kleiner. Man sieht, dass einem die richtige Isolation das Leben retten kann. 24 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Experiment: Blitze aus deinen Fingern Hochspannungen sind eine gefährliche Sache. Trotzdem kannst du eine Spannung von gegen 30‘000 erzeugen und sogar aus einem Finger Blitze abgeben, ohne Schaden zu leiden. Material: 4 dicke Trinkgläser als Isolation, 1 Stück Pelz, 1 Wasserhahn, 2 Personen Nun schlägst du der Person mit dem Stück Fell etwa zwanzig- oder dreissigmal auf den Rücken. Sie wird dabei elektrisch aufgeladen. Sofort hält sie einen Zeigefinger nahe zum Wasserhahn. Ein Funken, ein kleiner Blitz, schlägt vom Finger auf den Wasserhahn über. Solche Funken können bei einer Spannung von 3000 bis 30‘000 Volt oder mehr erzeugt werden. Das Experiment gelingt nur bei trockener Luft, z.B. im Winter, im geheizten Raum. 5. Die Sicherungen im Stromkreis 5.1. Der Kurzschluss Versuch: Beobachtung: Erklärung: Bei einem Kurzschluss fliesst die Elektrizität praktisch nur noch durch die Leitungsdrähte und nicht mehr durch die angeschlossenen Geräte (ohne Verbraucher). Da die Drähte dem Strom nur einen geringen Widerstand entgegensetzen, steigt die Stromstärke sehr hoch an. Dadurch erhitzen sich die Leitungsdrähte und es besteht Brandgefahr. Übung: Fülle folgende Lückenwörter ein: Berührungsstelle, Sicherungen, Gerät, heiss, unterbrechen, defekt, kürzeren, Isolierung, nicht, berühren, Stromstärke, Brand Ein Kurzschluss ergibt sich häufig dann, wenn die der Anschlusskabel von elektrischen Geräten geworden ist. Dann können sich die beiden Leitungsdrähte., Der elektrische sondern nimmt Strom den fliesst mehr durch das Weg über die von einem zum anderen Kabel. Die kann dabei so gross werden, dass die Zuleitungsdrähte werden und einen verursachen können. Zum Schutze werden in den Stromkreis eingebaut. Sie sollen den Stromkreis , wenn eine bestimmte Stromstärke überschritten wird. Aufgabe: Welche Lampen brennen in den abgebildeten Schaltkreisen? Zeichne sie rot ein. Kennzeichne Kurzschlüsse durch . Überprüfe mit dem Versuchsmaterial. 25 Naturlehre Elektrizität KSS 3 5.2. Die Überlastung Wenn zu viele Elektrogeräte (parallel) in einem Stromkreis sind und angeschaltet wurden, liegt eine Überlastung vor. Dabei ist die Stromstärke in der Zuleitung sehr hoch – und zwar so hoch, wie alle Stromstärken, die an den angeschlossenen Elektrogeräten gemessen werden können, zusammengenommen. Auch hier besteht wegen der Erhitzung der Zuleitung Brandgefahr. 5.3. Die Sicherung Um Brandgefahren durch Kurzschlüsse oder Überlastungen abzuwenden, muss jeder Stromkreis im Haus durch eine passende Sicherung (Schmelzsicherung, Leitungsschutzschalter) abgesichert werden. Eine Schmelzsicherung enthält einen dünnen Faden, der nur eine genau bestimmte und auf der Patrone angegebene Menge Strom durchfliessen lässt. Fliesst mehr Strom, so schmilzt der Faden durch und unterbricht den Stromkreis. Für den Haushalt gibt es Schmelzsicherungen, die eine Stromstärke von z. B. 6A oder 10 zulassen. In elektrischen Geräten sind vielfach zusätzliche Feinsicherungen eingebaut, die das Gerät vor Zerstörung schützen sollen. Feinsicherungen funktionieren gleich wie normale Schmelzsicherungen. Aufgabe: Beschrifte den Querschnitt der Sicherung mit folgenden Begriffen: Kontaktkappe (2mal), Quarzsand, Schmelzleiter, Sicherungskörper. Zeichne farbig den Stromweg ein. 26 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Gerät, Anlage 5.4. Der Leitungsschutzschalter (Der Sicherungsautomat) Häufig werden heute Leitungsschutzschalter angewendet anstelle von Schmelzsicherungen. Sie haben folgende Vorteile: Wie funktioniert der Leitungsschutzschalter (Sicherungsautomat)? Er hat ein thermisches System. Es reagiert auf Überströme. Das heisst, wenn bei einem Leitungsschutzschalter ein höherer Strom fliesst als für ihn vorgesehen ist, erfolgt eine Auslösung. 5.5. Der Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schutzschalter) Funktionsprinzip Viele Elektrounfälle mit Todesfolgen können mit einer FI-Schaltung vermieden werden. Diese „Sicherung vergleicht ständig den Strom der Zuleitung und der Rückleitung. Wenn sich nun jemand elektrisiert und den Strom gegen den Boden ableitet, fliesst nicht mehr gleich viel Strom durch die beiden Leitungen. Die wird von dem Gerät innert Sekundenbruchteilen registriert und es schaltet sofort aus. Beim Basteln, in Kinderzimmern und in Werkstätten sollten unbedingt solche Schalter verwendet werden, um tödliche Unfälle zu vermeiden. 5.6. Der Schutzleiter 27 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Bis jetzt bist du bei deinen Experimenten in der Elektrizitätslehre mit einer Hin- und einer Rückleitung ausgekommen – also eigentlich mit einem zweiadrigen Kabel. Tatsächlich würde ein zweiadriges Kabel ausreichen, um z.B. eine Lampe, einen Staubsauger oder einen Kühlschrank anzuschliessen. Auch beim Bügeleisen siehst du, dass der Heizdraht nur mit zweien der drei Leiter verbunden ist. Was soll da noch der dritte (gelb-grün gestreifte) Leiter in einem dreiadrigen Kabel? Auch das Kabel, das die Steckdose versorgt, zeigt diese drei verschiedenfarbigen Leitungsdrähte. Damit man die Aufgabe des gelb-grünen Leiters erkennt, muss man etwas über die beiden anderen erfahren. Der blaue und der braune (manchmal auch schwarze oder rote) Leiter unterschieden sich nicht nur in ihrer Farbe. Der eine Leiter (blau) ist mit der Erde verbunden; man sagt, er ist geerdet. Den geerdeten Leiter nennt der Elektriker Neutralleiter. Er ist der Rückweg der Elektronen. Den anderen Leiter (braun) bezeichnet man als Polleiter. In ihm fliessen die Elektronen von der Stromquelle zum Verbraucher. Was geschieht, wenn das Metallgehäuse eines Gerätes (durch eine schadhafte Isolierung) unter Spannung steht? Das kann z.B. bei einem Bügeleisen passieren, wenn sein Heizdraht durch eine Erschütterung Kontakt mit dem Gehäuse bekommt. Man nennt das Körperschluss, weil dann der Metallkörper des Bügeleisens mit den stromführenden Leitungen Kontakt hat. Jetzt kommt es darauf an, ob das elektrische Gerät mit einem Schutzkontakt versehen wurde oder nicht. Fall 1: Gerät mit Schutzkontakt: Fall 2: Gerät ohne Schutzkontakt: Ein sogenannter Schutzleiter (gelb-grün) ist fest mit dem Gehäuse verbunden und geerdet. Wenn bei diesem Gerät ein Körperschluss vorliegt und das Gerät eingeschaltet wird, fliesst der Strom sofort über die Erde ab. Da der Schutzleiter aus gut leitendem Kupfer besteht, ist der Strom dabei so stark, dass der Schmelzdraht in der Sicherung durchschmilzt. So wird der Stromkreis unterbrochen. Hier fehlt der Schutzleiter ganz, weil das Kabel nur zweiadrig ist. Vielleicht wurde aber auch der gelbgrüne Leiter eines dreiadrigen Kabels nicht sachgerecht angeschlossen. Wenn jetzt jemand bei einem Körperschluss das Gehäuse berührt, fliesst ein elektrischer Strom durch seinen Körper hindurch zur Erde. Dieser Strom ist tödlich, wenn man dabei gleichzeitig ein Heizungs-, Gas- oder Wasserrohr berührt oder sonst gut leitend mit der Erde verbunden ist. Der „Trick mit dem dreiadrigen Kabel verhindert also, dass ein elektrisches Gerät mit Körperschluss in Betrieb genommen wird und den Benutzer in Lebensgefahr bringt. 28 Naturlehre 6. AC Elektrizität KSS 3 DC Es gibt zwei Arten von elektrischen Strömen: den Gleichstrom und den Wechselstrom. Bei beiden strömen Elektrizitätsteilchen (in Metallen Elektronen), die in jedem Leiter stets vorhanden sind. 6.1. Gleichstrom DC (direct current) Wird z.B. eine Glühlampe an eine Batterie angeschlossen, so bewegen sich die Elektronen in den Leitungsdrähten immer in einer Richtung – und zwar vom Minuspol der Stromquelle in Richtung des Pluspols. Also hat hier der Elektronenstrom immer die gleiche Richtung; daher bezeichnet man ihn als Gleichstrom (Zeichen oder ). 6.2. Wechselstrom AC (alternating current) Auch beim Wechselstrom strömen die Elektronen immer vom Minuspol zum Pluspol. Die Wechselstromquelle ändert hier jedoch dauernd ihre Polung. Der eine Anschluss ist also zum Beispiel Pluspol, dann wieder Minuspol, dann wieder Pluspol usw. Der andere Anschluss ist dementsprechend Minuspol, Pluspol, Minuspol, Die Folge ist also, dass der Elektronenstrom bei jedem Umpolen seine Richtung wechselt daher auch der Name Wechselstrom. Der Vorgang im Wechselstromkreis kann durch ein Modell veranschaulicht werden. Wird der Kolben dieser Pumpe hin und her bewegt, so strömt das Wasser im Schlauch erst in die eine Richtung und dann in die andere. Die Wasserteilchen schwingen dabei praktisch nur hin und her. Auch die Elektrizitätsteilchen im Wechselstromkreis pendeln. Ihre Strömungsrichtung ändert sich aber unglaublich schnell. Die Polung einer Steckdose wechselt nämlich in jeder Sekunde 100mal; es wirkt also 50mal der Antrieb in die eine Richtung und 50mal in die andere. 7. Wirkung des elektrischen Stroms 7.1. Die Wärmewirkung 29 Naturlehre Elektrizität 7.2. Die Lichtwirkung 7.3. Die magnetische Wirkung 7.4. Die chemische Wirkung 30 KSS 3 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Aufgabe: Die nachfolgende Zusammenstellung enthält einige elektrisch betriebene Geräte. Schreibe auf, welche elektrischen Wirkungen ihnen zugrunde liegen. GERÄT WIRKUNG DES STROMES Glühlampe Bohrmaschine, Türklingel Kochherd, Wasserkocher Haartrockner Akkumulator und Batterie 8. Elektrische Nutzung 8.1. Einen Magnet herstellen Versuch: Wickelt den Draht zehnmal um den grossen Nagel. Klemmt die beiden Enden des Drahtes jeweils an einen Pol der Batterie. Der Nagel wird zum Magneten und hebt einige Büroklammern. Was passiert, wenn du die Windungen um den Nagel verdoppelst? Was passiert, wenn du verschieden grosse Nägel umwickelst? Wer kann am meisten Klammern anheben? Experimentiert. 8.2. Der Elektromagnet Elektromagnetische Kräne haben einen Lastmagneten. Mit ihm kann man Schrott und Eisenteile heben, ohne dass diese befestigt werden müssen. Um sie abzuwerfen, braucht der Kranführer nur den Strom abzuschalten. Baue einen Stromkreis aus einer Stromquelle (5 Volt), einem Schalter und einer Spule mit 600 Windungen auf. Lege kleine Nägel unter die Spule. Schliesse und öffne mit dem Schalter den Stromkreis. Was kannst du beobachten? 2. Befestige im Innern der Spule einen Eisenkern. Wiederhole den Versuch. Was passiert? 3. Tausche die Spule gegen eine mit 1200 Windungen aus. Und wiederhole den Versuch. Beschreibe das Beobachtete. 4. Wähle an der Stromquelle eine höhere Spannung (10 Volt) und erhöhe so die Stromstärke. Was kannst du beobachten? Vergleiche die Ergebnisse. 1. 31 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Betrachte die Abbildungen und ergänze die Sätze. 8.3. Elektromagnetische Induktion Wir wissen, dass in der Umgebung eines stromdurchflossenen Leiters magnetische Felder entstehen. Eine stromdurchflossene Spule benutzen wir als Elektromagneten. Wir stellen uns nun die Frage, ob man mit Hilfe eines Magneten umgekehrt elektrische Energie gewinnen könnte. Versuch 1: Baue den Versuch gemäss Abbildung auf. Ein kleiner Stabmagnet wird nacheinander jeweils gleich schnell in verschiedene Spulen hinein bewegt. Vergleiche die entstehenden Induktionsspannungen am Messgerät. Experimentiere auch mit einem Hufeisenmagneten. Tauche die Magneten unterschiedlich schnell in die Spule. Beobachtung: Erklärung: 32 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Versuch 2: Ein Magnet wird gegenüber einer Spule in unterschiedlicher Weise bewegt. In welchem Fall entsteht eine Induktionsspannung, in welchem nicht? Begründe. Begründung: Versuch 3: Setze auf die Kerne des Elektromagneten zwei Spulen von 600 Windungen. Verbinde sie gemäss Zeichnung und gib eine Strom von max. 5 A. Lege auf die Kerne der Reihe nach eine Stricknadel, dann einen Eisenstab und das Joch mit dem Griff. Lege anschliessend auf die beiden Kerne eine Kunststoffwanne mit kleinen Nägeln. Feststellung: Versuch 4: Setze zwei Polschuhe auf die Eisenkerne, so dass nur ein schmaler Spalt übrig bleibt. Versuche einen Eisenstab hindurchzubewegen. Feststellung: 33 Naturlehre Elektrizität KSS 3 8.4. Der Dynamo Jeder, der schon einmal bei Dunkelheit Fahrrad gefahren ist, weiss, was es heisst, mit einem Dynamo die Fahrradlampe leuchten zu lassen. Er muss nämlich ganz schön fest treten, damit ausser dem Fahrrad selbst auch noch das Antriebsrad des Dynamos gedreht wird. Der Radfahrer liefert so beim Treten Energie: zum einen, um das Rad fortzubewegen, zum anderen, um die Kraft mit dem Dynamo in elektrische Energie umzuwandeln. Diese elektrische Energie bringt die Lampe zum Leuchten. Der Dynamo besteht aus einem Magneten und einer Spule das ist ein mit Draht umwickelter Eisenkern. Das durch unsere Muskelkraft bewegte Antriebsrad dreht den Magneten in der Spule. Und allein dadurch fliesst in der Spule Strom. (Das haben wir im letzten Kapitel festgestellt.) Die Lampe leuchtet nun auf. Dieser erstaunliche Zusammenhang ist die Grundlage unserer modernen Stromversorgung, denn so wie der Strom im Dynamo eures Fahrrades entsteht, so ähnlich wird er auch im Kraftwerk gewonnen. Beantworte folgende Fragen: 1. Aus welchen wichtigen Teilen besteht ein Dynamo? 2. Woraus besteht die Spule? 3. Wann dreht sich der Magnet im Innern des Dynamos? 4. Was geschieht, wenn sich der Magnet an der Spule vorbei dreht? 5. Wie geht der Satz weiter? „Durch den Dynamo wird meine Muskelkraft in 6. Wieso leuchtet das Licht am Fahrrad nicht, wenn du stehst? 7. Wie geht der Satz weiter? „Der Dynamo liefert den Strom für die Fahrradlampe. Er ist eine. 34 Naturlehre Elektrizität KSS 3 8.5. Der Generator Ein grosser Teil der Strommengen die wir in der Schweiz täglich benötigen, werden in Kraftwerken erzeugt. So wie der Dynamo Strom erzeugt, so ähnlich wird auch Strom in den Kraftwerken gewonnen. Es gibt zwar verschiedene Arten von Kraftwerken, aber fast alle funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Eine Turbine (das ist ein Schaufelrad oder eine Art Propeller) dreht sich und setzt einen Magneten im Generator in Gang. Der Generator arbeitet ähnlich wie der Fahrraddynamo. Der Magnet im Generator dreht sich an Drahtspulen (mit Draht umwickelte Eisenstangen) vorbei. Allein dadurch fliesst Strom. Demonstrationsversuch: Baue die Abbildung nach und erkläre was die Glühlampe zum Leuchten bringt. 8.6. Kraftwerke Beschreibe den Vorgang der einzelnen Kraftwerke. Windpark Wasserkraftwerk 35 Naturlehre Elektrizität Wärmekraftwerk Kernkraftwerk Sonnenanlage (Solaranlage) 36 KSS 3 Naturlehre Elektrizität KSS 3 8.7. Der Elektromotor Was sind Elektromotoren? Ein moderner Haushalt Ordne die folgenden Haushaltsmaschinen den Handwerkzeugen zu, welche sie ersetzen. Spülmaschine, Kühlschrank, Waschmaschine, Kaffeemahlwerk, elektrische Nähmaschine, Mikrowellenofen, Staubsauger, Elektroherd, Mixer, elektrische Raffel. Schwingbesen schattiger Ort Kaffeemühle Bircherraffel Holzherd Teppichklopfer Tretnähmaschine Waschbrett, Zuber, Trog, Waschbürste_ Waschbecken, Spülmittel, Abwaschbürste Vorkochen und Aufwärmen In welchen dieser Geräte steckt ein Elektromotor? Unterstreiche sie. Nicht nur in der Küche und im Haushalt braucht man Elektromotoren. Wo bist du auch schon Geräten und Maschinen begegnet, welche einen oder sogar mehrere Elektromotoren besitzen? (In deinem Zimmer, in der Wohnung, auf der Strasse, in der Werkstatt, im Büro, in der Schule ) Warum sind Elektromotoren so verbreitet? Welches sind ihre Vorteile? Haben Elektromotoren auch Nachteile? 37 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Magnetmotor Material: 2 Stabmagnete, davon einer mit Loch Halterung (senkrechte Achse) Durchführung: Nimm einen Magnet in beide Hände und nähere ihn dem drehbar gelagerten so, dass sich gleiche Pole gegenüberstehen. Nach jeder halben Umdrehung musst du den Magnet in deinen Händen drehen. Auf diese Weise stehen sich immer gleiche Pole gegenüber, die sich gegenseitig abstossen oder ungleiche, die sich anziehen. Mit etwas Übung bringst du eine gleichmässige Drehbewegung des gelagerten Magneten zustande. Prinzip des Elektromotors Als einfachstes Modell eines Motors kann man sich zwei Magnete vorstellen: Einer ist drehbar und einer steht still. Da sich ungleiche Pole anziehen, wird der drehbare Magnet so weit drehen, bis sich jeweils zwei ungleiche Pole gegenüberstehen. Jetzt müsste man die Pole des einen Magnaten vertauschen, um die Drehung weiterführen zu können. Dies ist mit einem Permanentmagnet nicht möglich, mit einem Elektromagneten hingegen schon, wenn man nämlich die Pole der Batterie vertauscht. Bau und Funktion eines Elektromotors Der Elektromotor dient der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, mit der mechanische Arbeit verrichtet wird. Dabei wird eine Drehbewegung erzeugt, die zum Antrieb von Geräten und Anlagen verwendet wird. In der Abbildung siehst du das stark vereinfachte Modell eines funktionstüchtigen Elektromotors. Wir erkennen drei Teile: Einen unbeweglichen Teil, „Stator genannt, und einen drehbaren Teil, den „Rotor. Wichtig sind ausserdem jene Bauteile, die zur Übertragung des Stromes auf die beweglichen Teile dienen. Der Statormagnet besteht in der Abbildung aus einem permanenten Hufeisenmagnet, der Rotor aus einem Spulenmagnet. Elektromotor: 1 Stator, 2 Rotor, 3 Polwender Schaltet man den Strom ein, so wird in der Rotorspule ein Magnetfeld erzeugt. Das grüne Ende des Magnetes (Bild links, 1) wird zum roten Pol des Statorts (Bild links, N) gezogen. Der Rotor wird also in Drehung versetzt. Funktionsweise des Polwenders: 1 Halbringe, 2 Schleifkontakte 38 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Wenn der Rotor-Pol 1 beim roten Stator-Pol angelant ist, wird die Drehung gebremst, da die beiden Polen sich jetzt wieder voneinander entfernen müssen Um dies zu verhindern, wechselt man sofort die Stromrichtung im Roto. Dies hat zur Folge, dass jetzt zwei rote Polen zusammenkommen (Bild rechts, 1 und N). Diese stossen sich ab, und die Drehung geht weiter. Die Einrichtung, welche im richtigen Augenblick die Stromrichtung wechselt, heisst „Polwender und besteht aus zwei Halbringen und zwei Kohlestiften, welche als Schleifkontakte den Strom auf die Spule übertragen. Die beiden Anschlüsse der Rotorspule sind mit den Halbringen verbunden. Da die Halbringe auf der Achse des Rotors sitzen, schleifen sie jeweils eine halbe Drehung über den Anschluss des positiven und dann wieder über jenen des negativen Pols der Spannungsquelle. Dadurch wird auch das Magnetfeld jede halbe Drehung umgepolt. Geschieht die im richtigen Moment, so dreht der Motor stetig. Die nachfolgenden Skizzen zeigen einzelne Phasen der Bewegung des Rotors im Magnetfeld des Stators. Beschreibe sie. a) b) c) Das Prinzip des Elektromotors theoretisch zu verstehen, ist alles andere als einfach. Aus diesem Grund beziehst du jetzt einen Elektromotor-Bausatz bei der Lehrperson. Studiere den Plan und die Anweisungen genau und erstelle deine eigenen Elektromotor. Beschrifte die Abbildung korrekt. Erkläre das Prinzip des Elektromotors nun in eigenen Worten: 39 d) Naturlehre Elektrizität KSS 3 8.8. Der Transformator Folgende Aussagen haben wir in den letzten Kapiteln bereits festgestellt: Fliesst ein elektrischer Strom durch eine Spule; so Bewegen wir eine Spule in einem magnetischen Feld, so Das Haushaltnetz führt eine Spannung von 230 V. Würde man diese Spannung z.B. in einen elektronischen Taschenrechner leiten, so würde das Gerät sofort zerstört. Die Spannung wird darum zuerst auf wenige Volt heruntertransformiert (umgewandelt). Der Apparat, der die Spannung verändert, heisst Transformator. Er besteht aus zwei Spulen und einem Eisenkern. An die erste Spule (Primärspule) wird die Netzspannung angelegt. Ein magnetisches Feld baut sich auf, das die Elektronen in der zweiten Spule in Bewegung versetzt und so einen elektrischen Stromstoss erzeugt. Allerdings fliesst der Strom in der zweiten Spule (Sekundärspule) nur so lange, als sich das Magnetfeld ändert oder die Spule bewegt wird. Der Transformator funktioniert daher ausschliesslich mit Wechselspannung. Diese ändert das Magnetfeld in der Primärspule stetig und erzeugt dadurch in der zweiten Spule ebenfalls eine Wechselspannung. Welche Spannung ein Transformator erzeugt, wird durch die Windungszahl der Spulen bestimmt. Beispiel 1: Primärspule 600 Windungen 230 Sekundärspule 200 Windungen ?V Rechnung: Windungen 600 Volt 230 1 200 Benutze die Tabelle für weitere Berechnungen. Beispiel 2: Primärspule 600 Windungen 230 Sekundärspule 26 Windungen 40 Naturlehre Beispiel 3: Beispiel 4: Elektrizität KSS 3 Primärspule 600 Windungen 320 Sekundärspule 60 Windungen Primärspule 1200 Windungen 230 Sekundärspule 80 Windungen Mit einem Transformator kann man also Spannungen verändern. Gewinnt man oder verliert man dabei etwas? Keineswegs. Verringert sich die Spannung an der zweiten Spule, so wird dafür die Stromstärke grösser. Erhöht sich die Spannung, so verringert sich die Stromstärke. Die Leistung bleibt immer ungefähr gleich: Windungen Spannung Stromstärke Leistung Primärspule 600 Wd 230 1A 230 (Watt) Sekundärspule 26 Wd 10 23 230 (Watt) Versuch: Strecke auf einen Schenkel des Eisenkerns für Trafo eine Spule von 200 Windungen und auf den anderen eine Spule von 600 Windungen. Schliesse die Sekundärspule (600 Wdg.) mit einem Amperemeter kurz. Erhöhe die Spannung an der Primärspule so, bis durch diese ein Strom von 3 fliesst. Feststellung: Demonstrationsversuch 1 mit FI-Schalter: Baue ein Trafo mit primär 600 Wdg und sekundär 300 Wdg. Schalte beidseitig Volt- und Amperemeter dazu. Lege primär eine Wechselspannung von 220 an und vergleiche die Leistungen. Feststellung: 41 Naturlehre Elektrizität KSS 3 Demonstrationsversuch 2 mit FI-Schalter: Nimm primär 600 Wdg und sekundär 8 Wdg. Spanne in die Klemme der Spule mit 8 Wdg einen Nagel und parallel eine Glühlampe (2,5 / 1 A). Lege an die Primärspule eine Wechselspannung von 220 V. Feststellung: Demonstrationsversuch 2 mit FI-Schalter: Nimm primär 66 Wdg und sekundär 30‘000 Wdg (Hochspannungsspule). Befestige auf zwei Isolierklemmen die beiden Funkenhörner und verbinde sie mit der sekundärspule. Bringe sie auf 4-5- mm Abstand zu einander und lege an die Primärspule 220 V. (Vorsicht: Berühre ausschliesslich die isolierten Teile!) Feststellung: 42