Grundwissen für Schüler

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Grundwissen Physik Klasse 8

 

Unterrichtseinheit E-Lehre (Elektrizitätslehre)

 

Inhalt:

Was man sich als Achtklässler vor einer Arbeit anschauen sollte.

  • Stromkreis
  • Ladungen
  • Faradayscher Käfig
  • Influenz
  • Strom und Wärme
  • Elektrolyse

 

Elektrizitätslehre

Aufgabe / Lösung

Welche Bedeutung hat die Elektrizität in deinem Leben?

Beispiele

Beispiele zu Elektrizität

Versuch

Glühbirne leuchtet durch Flachbatterie

Bringe die Glühbirne mit einer Flachbatterie zum leuchten.
 

Beobachtung

 geschlossener Stromkreis

Ergebnis

Der Glühfaden der Lampe sowie die Batterieanschlüsse stellen einen geschlossenen Stromkreis dar.
"Elektrizität" braucht einen Rückweg; es fließt Strom.

 
 
 

Merke

Strom braucht Hin- und Rückweg. Denn dann ist ein geschlossener Stromkreis vorhanden und es kann Strom fließen.

geschlossener Stromkreis

 
Stromkreis

Versuch

Leiter - Isolatoren

Wir testen, welche Materialien den Strom leiten und welche nicht:
 

Beobachtung

 Leiter - Isolatoren

Ergebnis

Zu den Leitern gehören Eisen, Kupfer, Aluminium,... (Metalle) und Kohle.
Zu den Isolatoren gehören Holz, Kunstoffe, Glas, Keramik, Gummi, ...

 

Versuch

flüssige Leiter - Isolatoren

Wir testen, welche Flüssigkeiten den Strom leiten
  

Beobachtung

Flüssige Leiter - Isolatoren

Ergebnis

Zu den Leitern gehören Säuren, Laugen Salzlösungen, Leitungswasser, feuchte Erde,...
Dagegen sind Petroleum, Terpentin, Spiritus,... Isolatoren.

Der elektrische Strom fließt nur in Leitern. 

 

Versuch

Glimmlampe mit Edelgas Neon

Man baut in den Stromkreis eine Glimmlampe (enthält: Edelgast Neon) ein. 
 

Beobachtung

Stromkreis mit eingebauter Glimmlampe

Ergebnis

In Glimmlampen kann der Strom durch das darin befindliche Gas fließen. Das Gas leuchtet an der Seite der Glimmlampe auf, die mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist.

BlitzeMerke

Auch Gase können den Strom leiten! Unter besonderen Umständen sind auch Luft und andere Gase Stromleiter.

Versuche mit Konduktorkugel

Konduktorkugel transportiert Ladungen

Man versucht eine Konduktorkugel zu beladen und entladen. Wenn dies gelingt leuchten die Glimmlampen.

Beobachtung

Konduktorkugel transportiert Ladung

Ergebnis

Konduktorkugel transportiert
elektrische "Portionen" = elektrische Ladungen.
Sie wird beladen und entladen. Strom bedeutet: Es fließen Ladungen

 
Glimmlampe an negativ geladene Konduktorkugel

Beobachtung

 Glimmlampe an negativ geladene Konduktorkugel

Ergebnis

Entladung der Konduktorkugel durch kurzen Stromstoß.

 
Beladung und Entladung verschieden großer Konduktorkugeln

Beobachtung

Entladung

Ergebnis

Ladungen sind aufteilbar. Sie sind portionsweise transportierbar.

 

Merke

Ladungen werden nicht verbraucht oder erzeugt. Sie werden von der Stromquelle durch den Stromkreis gepumpt. Dazu ist Energie nötig.

Vergleich

Vergleich: Wasser- und elektrischer Stromkreislauf

Merke

Strom ist fließende Ladung.

Oft wird gesagt: In der Steckdose "ist Strom". (falsch) 

Richtige Antwort:
In der Steckdose sind fließbereite ruhende Ladungen!

 

Ladungen

Es gibt zwei Arten von Ladungen: positive und negative. Sie sitzen auf den entsprechenden Polen der Stromquelle.

Versuch

Anziehung - Abstoßung

Bei dem Versuch bringt man eine negative und eine positive Ladung in die nähe von einer positiven Ladung.

Beobachtung

Anziehung - Abstoßung

Ergebnis

Es wirken Kräfte zwischen der Ladungen: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

 

Anwendung

Elektroskop aus starrem Gestell und beweglichem Zeiger. Es dient der Anzeige von Ladungen und beruht auf der Abstoßung gleichnamiger Ladungen.

Elektroskop 

Aufgabe / Lösung

Können damit positive und negative Ladungen unterschieden werden?
Nein. Sowohl pos. als auch neg. Ladungen führen zu einem Ausschlag. Nur durch Entladung über eine Glimmlampe kann das Vorzeichen der Ladung (ihre Polarität) erkannt werden.

Faradayscher Käfig 

Faradayscher Käfig

Das Innere eines geladenen Faraday-Bechers ist ladungsfrei.
Die Ladungen befinden sich wegen der gegenseitigen Abstoßung nur außen.

 
AnwendungenBlitzableiter
z.B. Blitzschutz durch Metallgehäuse und Blitzableiter.

 

Merke

Metallgehäuse, Metallkäfig und sogar nur ein einziges Kabel (Blitzableiter) leiten Ladungen in den Boden ab. Der Innenraum bleibt Ladungsfrei.

Versuch

Neutralisation

Bei dem Versuch verwendet man 2 Elektroskope mit 2 unterschiedlichen Ladungen.

Aufbau

Aufbau

Beobachtung

Neutralisation

Ergebnis

Neutralisation. Entgegengesetzte Ladungen heben sich in ihrer Wirkung nach außen hin auf, wenn man sie in gleichen Mengen zusammenbringt. Sie neutralisieren sich. 

 

Merke

Positive und negative Ladungen haben sich durchmischt. Ein ungeladener Körper und ein Körper, der gleich viele positive wie negative Ladungen enthält sind nicht unterscheidbar.

 

Influenz

Versuch

Enthalten auch neutrale Körper Ladungen (Q)?

In diesem Versuch versucht man heraus zu finden ob neutrale Körper auch Ladungen enthalten.

Aufbau

Aufbau

Beobachtung

elektrische Influenz

Ergebnis

Zeigerausschlag durch elektrische Influenz (Beeinflussung).

 

Merke

Leiter (und auch alle anderen Körper) enthalten auch im neutralen Zustand bewegliche elektrische Ladungen. Diese werden beim Annähern eines geladenen Körpers teilweise getrennt. Dies nennt man elektrische Influenz.

 

Versuch

Hydrolyse des Wassers

Wir nähern eine geladene Konduktorkugel einem neutralen Kügelchen. Was kann man beobachten?

Beobachtung

 neutrales Kügelchen wird angezogen

Neutrales Kügelchen wird angezogen. 

Ergebnis

Anziehung pos. Ladung überwiegt gegenüber abstoßung der neg. LadungLadungstrennung im Kügelchen durch elektrische Influenz. Positive Influenzladungen sind näher an Konduktorkugel als negative Ladungen. Anziehung der pos. Lad. überwiegt gegenüber Abstoßung der neg. Ladung. 

 

Strom und Wärme

Versuch

Glimmlampe an Steckdose anschließen

Bei dem Versuch schließt man eine Glimmlampe an eine Steckdose an. Man denkt eigentlich, dass nur eine Elektrode der Glimmlampe leuchten wird, aber...

Beobachtung

leuchtende Glimmlampe 

Ergebnis

Beide Elektroden  der Glimmlampe leuchten. 

Versuch

Hat die Steckdose 2 Minuspole?

Bei dem Versuch lässt man die Glimmlampe (die an einer Steckdose angeschlossen ist) im Dunkeln pendeln.

Beobachtung

Gimmlampe pendelt

Ergebnis

Die Elektroden leuchten abwechselnd.

 

Merke

Die Steckdose ist eine Wechselstromquelle mit der Frequenz 50Hz. Der Strom wechselt 100mal pro Sekunde seine Polarität und damit Fließrichtung.

Wechselstromquelle

Wirkungen des Elektrischen Stroms

Beispiele:
Fön, Ofen, Lampe, Toaster...

Merke

Strom hat eine Wärmewirkung. Stromdurchflossene Leiter können sich erwärmen.

Versuch

Erwärmunng

Man lässt durch verschiedene Stromleiter Strom fließen. Jetzt untersucht man wie unterschiedlich diese Materialien sich erwärmen.

Beobachtung

Ergebnis

Die Erwärmung hängt...

...vom Material des Drahtes ab.
...vom Durchmesser des Drahtes ab. Dünner Draht glüht heller.
...von der Form des Drahtes ab. Gewendelter Draht glüht heller. 

Weitere Anwendungen: Schmelzsicherung

Bei zu großer Stromstärke (z.B. Kurzschluss) brennt der Draht in der Schmelzsicherung und unterbricht den Stromkreis. Dadurch wird ein unkontrolliertes Durchbrennen einer Leitung an einer gefährlichen Stelle verhindert (Brandgefahr!)

 

Elektrolyse

Andwendungen: Hitzdrahtstrommessgerät

Hitzedrahtstrommessgerät

Strom fließt durch dünnen gespannten Draht, der sich ausdehnt. Diese Ausdehnung wird über das Zeigerwerk angezeigt.
Die Wärmewirkung ist von der Stromrichtung unabhängig. (Es ist daher egal wenn man die Pole vertauscht). Das Messgerät ist also auch für Wechselstrom geeignet.

 
Weitere Wirkungen des Stromes

Versuch

Salzwasser unter Strom

Man schließt eine Stromquelle an (salzhaltiges) Wasser an.
 

Beobachtung

Stromquelle anschließen an Salzwasser

 

Der Strom bewirkt eine Zersetzung des Wassers (H2O) in seine chemischen Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), die gasförmig an den beiden Elektroden aufsteigen.

Ergebnis

Strom hat eine elektrolytische Wirkung. Strom kann Stoffe zersetzen.

Achtung Da auch das Salz in seine Bestandteile zerlegt wird (Na+ und Cl-), werden bei dem Versuch geringe Mengen von giftigem Chlorgas frei!
 

Versuch

Elektrolytische Wirkung

Man Schließt die pos. Elektrode (Anode) an Kupfer und die neg. Elektrode (Katode) an Eisen an.

Beobachtung

Der Strom bewirkt durch die Flüssigkeit, dass Kuperteilchen von der Anode zur Katode wandern. Das Eisen bekommt einen Kupferüberzug. So kann man Materialien mit Metall überziehen.  

Ergebnis

Strom hat eine elektrolytische Wirkung. Strom kann Stoffe transportieren.

 

Aufgabe / Lösung

Ist auch in den Leitungen etwas bewegt worden? Dann müsste sich Kuper in Eisenleitungen finden lassen!?
Das ist nicht so! Also gilt dies nur in Flüssigkeit!


     
 

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