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Name: Elektrizität Ü 01 Die Lernziele Atome und ihr Aufbau (Repetition) G) Die drei Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen mit ihren elektrischen Ladungen benennen können. G) Angeben können, wo im Atom sich welche Elementarteilchen befinden. G) Erklären können, was ein Ion, Anion und Kathion ist. G) Bei einem elektrisch neutralen Atom erklären können, wie und was für ein Ion daraus entstehen wird. E) Erklären können, wie die Teilchen eines Atoms zusammengehalten werden. E) Erklären können, was ein Valenzelektron ist. Elektrostatik (Repetition) G) Erklären können, welchen Einfluss elektrisch geladene Teilchen auf andere geladene Teilchen haben. E) Erklären können, was man unter elektrisch neutral versteht. E) Erklären können, wie ein Gegenstand elektrisch geladen werden kann.. Elektrischer Strom G) Die Begriffe Stromkreis, geschlossener Stromkreis, Strom- oder Spannungsquel- le, Schalter, Verbraucher, Leiter, Nichtleiter, Isolator, Widerstand, Spannung und Strom erklären können. G) Die Bestandteile eines elektrischen Stromkreises aufzählen können. G) Bei Alltagsgegenständen in etwa angeben können, wie gut sie elektrischen Strom leiten. G) Die Schaltpläne zu einem elektrischen Stromkreislauf zeichnen können. G) Den elektrischen Stromkreislauf zu einem Schaltplan bauen können. G) Die Schaltplan-Symbole für Spannungsquelle, Leiter, Schalter, Lampe, Widerstand kennen und sie in einem Schaltplan einzeichnen können. G) Die Unterschiede zwischen einer Parallel- und einer Serienschaltung erklären können. E) Erklären können, welche Eigenschaften eines Materials entscheiden, ob es Elektrizität leitet oder nicht. E) Die Schaltplan-Symbole für Wechselschalter kennen und sie in einem Schaltplan einzeichnen können. E) Zu einem Schaltplan angeben können, ob er zu einer beschriebenen Situation passt. E) Bei einem gegebenen Schaltplan verstehen können, wie er funktioniert. E) Die Funktionsweise eines Stromkreislaufes durch den Vergleich mit einem Wasserkreislauf erklären können. E) Erklären können, was bei einem Kurzschluss geschieht und welches die Gefahren dabei sind. A Name: Elektrizität Ü 01 Die Lernziele Atome und ihr Aufbau (Repetition) G) Die drei Elementarteilchen Protonen, Neutronen und Elektronen mit ihren elektrischen Ladungen benennen können. G) Angeben können, wo im Atom sich welche Elementarteilchen befinden. G) Erklären können, was ein Ion, Anion und Kathion ist. E) Bei einem elektrisch neutralen Atom erklären können, wie und was für ein Ion daraus entstehen wird. Elektrostatik (Repetition) G) Erklären können, welchen Einfluss elektrisch geladene Teilchen auf andere geladene Teilchen haben. E) Erklären können, was man unter elektrisch neutral versteht. E) Erklären können, wie ein Gegenstand elektrisch geladen werden kann.. Elektrischer Strom G) Die Begriffe Stromkreis, Strom- oder Spannungsquelle, Schalter, Verbraucher, Leiter, Nichtleiter, Isolator, Widerstand, Spannung und Strom erklären können. G) Die Bestandteile eines elektrischen Stromkreises aufzählen können. G) Bei Alltagsgegenständen in etwa angeben können, wie gut sie elektrischen Strom leiten. G) Die Schaltpläne zu einem elektrischen Stromkreislauf zeichnen können. G) Den elektrischen Stromkreislauf zu einem Schaltplan bauen können. G) Die Unterschiede zwischen einer Parallel- und einer Serienschaltung erklären können. E) Zu einem Schaltplan angeben können, ob er zu einer beschriebenen Situation passt. E) Bei einem gegebenen Schaltplan verstehen können, wie er funktioniert. E) Erklären können, was bei einem Kurzschluss geschieht und welches die Gefahren dabei sind. B Name: Elektrizität T 01 I Was ist Elektrizität? Elektrizität Elektrizität ist der physikalische Oberbegriff für alle Phänomene, die von elektrischen Ladungen verursacht werden. Darunter fallen die Elektrostatik und der elektrische Strom. Elektrostatik Unter der Elektrostatik versteht man die Wirkungen von unbewegten elektrischen Ladungen. Also die gegenseitige Anziehungen oder Abstossungen von elektrisch geladenen Teilchen. Elektrostatische Ladungen können durch Reibung entstehen. Im Alltag entstehen elektrische Ladungen zum Beispiel wenn man über Teppiche läuft. Elektrischer Strom Unter Elektrischem Strom versteht man die Wirkungen von bewegten elektrischen Ladungen, also die Wanderung von geladenen Teilchen. Meist meint man im Alltag mit elektrischem Strom, den menschlich erzeugten technischen Strom in den Stromkabeln, den man für die Betreibung elektrischer Geräte braucht. Elektrische Ladungen bei Gegenständen Alle Gegenstände bestehen aus verbundenen Atomen. Diese können elektrisch geladen oder neutral sein, je nachdem ob die Protonen und die Elektronen sich gegenseitig ausgleichen oder ob die Anzahl eines der beiden Teilchen überwiegt. Sind die Atome eines Gegenstands geladen, so ist es auch der Gegenstand insgesamt. - + - - Elektrische Ladungsausgleiche Elektronen stossen sich gegenseitig ab. Ist ein Gegenstand negativ geladen, hat also zusätzliche Elektronen aufgenommen, so sind diese dichter zusammengedrängt. Es baut sich ein Druck auf. Kommt der Gegenstand in Kontakt mit einem positiv geladenen Gegenstand, indem die Elektronen weniger dicht gedrängt sind, so wandert ein Teil der Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Gegenstand. Dieser Ladungsausgleich nennt man Elektronenwanderung oder elektrischer Strom. Elektrischer Strom Besteht zwischen zwei Gegenständen, die in Kontakt sind, ein Ladungsunterschied, so besteht ein Druck der die Elektronen vom negativerem zum positiverem Gegenstand drängt. Dieser Druck wird elektrische Spannung genannt. Fliessen die Elektronen vom negativem zum positivem Gegenstand, so wird dies ein elektrischer Strom genannt. Elektronen, bzw. elektrische Ströme fliessen sehr schnell, so dauern Ladungsausgleiche in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile. Zu Beginn wusste man nicht was bei einem elektrischen Strom geschieht, daher legte man einfach fest, dass der Strom von positiv zu negativ fliesst. Elektriker benutzen diese Bedeutung noch heute als technischer Strom, obwohl es unterdessen als falsch bewiesen ist. Name: Elektrizität T 02 Leiter und Nichtleiter I Leitfähigkeit In gewissen Materialien können sich Elektronen freier bewegen, als in anderen. Je besser sich die Elektronen im Material bewegen können, umso besser leitet das Material Elektronen, also Strom, weiter. Elektrische Leiter Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das frei bewegliche Ladungsträger besitzt und somit zum Transport von Elektronen benutzt werden kann, diesen Transport nennt man elektrischen Strom. Metalle sind allgemein gute elektrische Leiter, was an ihrem atomarem Aufbau liegt. Die Aussenelektronen (Valenzelektronen) der Metallatome, die sich auf der äußersten Schale befinden, sind nur schwach gebunden und können daher leicht vom Atom abgetrennt werden. So bestehen Metalle aus einem Gitter aus positiv geladenen Metallionen, den sogenannten Atomrümpfen. Die restlichen Elektronen gehören nicht zu einem einzelnen Atom, sondern können sich innerhalb des Gitters nahezu frei bewegen. Das nennt man Elektronengas oder Elektronengaswolke. Besonders gut leitende Metalle sind Platin, Gold, Silber, Kupfer und Aluminium. Weitere Leiter sind beispielsweise Kohle, Säuren, Basen, Salze, Leitungswasser und der menschlichen Körper. Nichtleiter Ein elektrischer Nichtleiter ist ein Material, dessen Elektronen fest an die Atome gebunden sind. Dies ist vor allem bei Molekülen und kristalisierten Salzen der Fall. Nichtleitende Moleküle sind Kunststoffe, Silikone, normale trockene Luft oder destilliertes (reines) Wasser. Nichtleitende Salze sind beispielsweise Keramik, oder Glas. Nichtleiter lassen keinen elektrischen Strom durch. Man kann sie also verwenden, um einen elektrischen Strom zu isolieren (einzuschliessen). Daher nennt man sie auch elektrische Isolatoren. Die leitenden Metalldrähte eines Kabels werden beispielsweise mit dem Isolator Plastik überzogen, sodass der Strom nicht aus dem Draht entweichen kann. Leitendes Wasser Oftmals werden jedoch viele Materialien, die den elektrischen Strom von sich aus nicht leiten, mit Wasser zusammen jedoch leitend. Die Ionen werden im Wasser gelöst, sind nun beweglich und können so auch besser die Ladungen übertragen. Bei normalem Leitungswasser oder Wasser in Seen kommen noch die gelösten Salze (Metall- und Nichtmetallionen) dazu. Diese erhöhen die Leitfähigkeit enorm und machen Wasser dadurch zu einem Leiter. Name: Elektrizität T 03 Elektrischer Strom I Elektrischer Strom Negativ geladene Gegenstände enthalten viele Elektronen, die sich gegenseitig abstossen. Es entsteht ein Druck der die Elektronen auseinander drängt. Kommt dieser Gegenstand nun mit einem elektrisch neutralen oder positiv geladenem Gegenstand in Kontakt, in dem es weniger Elektronen hat, so wandert ein Teil der Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Gegenstand. Der Abstossungsdruck der Elektronen wird elektrische Spannung genannt. Fliessen die Elektronen vom negativem zum positivem Gegenstand, so wird dies ein elektrischer Strom genannt. Elektronen, bzw. elektrische Ströme fliessen sehr schnell, so dauern Ladungsausgleiche in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile. Stromkreise Wir Menschen nutzen den Elektrischen Strom, um unsere Geräte zu betreiben. Dazu verlängern wir die Verbindung zwischen dem negativen und positiven Pol einer Stromquelle, indem wir den Strom durch ein Kabel und durch ein elektrisches Gerät lenken. Wir bauen einen sogenannten Stromkreis. Dessen Funktionsweise kann man sich gut anhand eines Wasserkreislaufs vorstellen. Wasserkreislauf Stromkreis Pumpe erzeugt Druck und überträgt Energie aufs Wasser Batterie erzeugt Spannung und überträgt Energie auf die Elektronen Wassermoleküle fliessen durchs Rohr Mühle nutzt Druck und entnimmt dem Wasser Energie Elektronen springen von Atom zu Atom Gerät nutzt Spannung und entnimmt den Elektronen Energie Im Wasserkreislauf fliessen Wassermoleküle durch ein Rohr, im Stromkreislauf die Elektronen durch einen Metalldraht. Die Wassermoleküle fliessen, weil z.B. eine Pumpe Druck im Rohr aufbaut und die Moleküle vorwärts stösst. Die Elektronen fliessen, weil z.B. eine Batterie eine Spannung erzeugt und diese die Elektronen antreibt. Beim Wasser kann mit einem Mühlrad die Bewegungsenergie genutzt werden, um etwas anzutreiben, beim Strom wird die Bewegungsenergie der Elektronen genutzt, um ein elektrisches Gerät anzutreiben. Das elektrische Gerät, das den Elektronen Energie entzieht und diese umwandelt, nennt man in der Fachsprache einen Widerstand. Dies weil es die Elektronen durch das Entziehen der Energie bremst, dem Strom also Widerstand leistet. Kurzschluss Für einen funktionierenden Stromkreis muss der Strom zwingend immer durch einen elektrischen Widerstand fliessen. Direkte Ladungsausgleiche geschehen üblicherweise extrem schnell mit einem extrem grossen elektrischen Strom. Dies erzeugt im Leiter eine grosse Hitze, was Stromkabel schmelzen lässt und sogenannte Kabelbrände auslöst. Dieses Phänomen eines schnellen direkten Ladungsausgleich durch einen fehlenden Widerstand nennt man einen Kurzschluss. Diesen kann man verhindern, indem man den Strom im Stromkreis durch einen Widerstand leitet. Dieser bremst den Strom ab und verhindert, dass er zu schnell fliessen kann und dass zu viel Wärme entsteht. Kurzschlüsse entstehen oftmals, weil die Leiter vom Minus- zum Pluspol neu und direkt verbunden werden und so der Strom den Widerstand umgehen kann. Zum Beispiel wenn ein Gerät ins Wasser fällt und der Strom nun übers Wasser direkt die Ladungen ausgleicht. Name: T 04 Elektrizität Elektrische Schaltungen I Schaltpläne Stromkreise werden auch elektrische Schaltungen genannt. Die Baupläne für einen Stromkreis nennt man einen Schaltplan. Jedes Bauteil hat in einem Schaltplan sein eigenes Zeichen: Stromleiter Leiterverzweigung Spannungsquelle Widerstand Glühbirne On/Off-Schalter Batterie (+ -) Wechselschalter Beispiel eines einfachen Schaltplans Serien- und Parallelschaltung Will man mehrere Verbraucher oder Widerstände an eine Spannungsquelle anhängen, so hat man 2 Möglichkeiten: Mann kann alle in den selben Stromkreis hintereinander einbauen oder man kann jedem Verbraucher einen eigenen Stromkreis geben. Diese zwei Möglichkeiten werden Serien- und Parallelschaltung genannt. Serienschaltung Parallelschaltung Da alle Verbraucher am selben Stromkreis hängen, fliesst durch alle der gleich starke Strom. Jeder Verbraucher der angehängt wird, bremst jedoch den Strom durch alle Verbraucher weiter ab. Jeder Verbraucher hat seinen eigenen Stromkreis, daher kann durch jeden so viel Strom fliessen, wie der Verbraucher jeweils zu lässt. Ein zusätzlicher Verbraucher ändert nichts an den Strömen der anderen Verbrauchern. Spannung Die Spannung der Spannungsquelle verteilt sich auf alle Verbraucher auf, das heisst je mehr Verbraucher man in Serie schaltet, umso weniger Spannung bekommt der einzelne von ihnen. Jeder Stromkreis und somit jeder Verbraucher bekommt die volle Spannung der Spannungsquelle ab, egal wie viele Verbraucher parallel geschaltet werden. Besonderheit Ist ein Verbraucher defekt oder wird herausgeschraubt, so ist der Stromkreis unterbrochen und alle Verbraucher funktionieren nicht mehr. Ist ein Verbraucher defekt oder wird herausgeschraubt, so bleiben die restlichen Stromkreise intakt und die anderen Verbraucher funktionieren weiterhin. Schaltungsbeispiel Schaltplan Stromfluss Name: Elektrizität T 01 II Was ist Elektrizität? Elektrizität Alle Vorgänge, die von elektrischen Ladungen verursacht werden, nennt man Elektrizität. Dabei kann man zwischen Elektrostatischen Vorgängen und dem elektrischen Strom unterscheiden. Elektrostatik Unter der Elektrostatik versteht man das gegenseitige Anziehen oder Abstossen von elektrisch geladenen Teilchen. Gegenstände kann man durch Reibung elektrostatisch aufladen. Im Alltag entstehen elektrische Ladungen zum Beispiel wenn man über Teppiche läuft. Elektrischer Strom Bewegen sich negativ geladene Elektronen spricht man von einem elektrischen Strom. Meist meint man im Alltag mit elektrischem Strom, den von Menschen hergestellten technischen Strom in den Stromkabeln, den man für das Benutzen von elektrischen Geräten braucht. Elektrische Ladungen bei Gegenständen Alle Gegenstände bestehen aus Atomen. Diese bestehen wiederum aus positiv geladenen Protonen und negativ geladenen Elektronen. Haben die Atome gleich viele Elektronen wie Protonen, so heben diese gegenseitig ihre Wirkungen auf und die Atome sind elektrostatisch neutral. Hat es unterschiedlich viele Protonen und Elektronen, so sind die Atome eines Gegenstands geladen und somit ist es auch der Gegenstand insgesamt. - + - - Elektrische Ladungsausgleiche Nimmt ein Gegenstand zusätzliche Elektronen auf, so wird er negativ geladen. Die dicht zusammengedrängten Elektronen stossen sich aber gegenseitig ab. So baut sich ein Druck auf. In positiv geladenen Gegenständen hat es zuwenige Elektronen. Kommen der negative und der positive Gegenstand in Kontakt, so wandert ein Teil der Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Gegenstand. Dieses Wandern von Elektronen nennt man Ladungsausgleich oder elektrischer Strom. Elektrischer Strom Bringt man zwei unterschiedlich geladene Gegenstände zusammen, so besteht ein Druck der die Elektronen vom negativeren zum positiverem Gegenstand drückt. Diesen Druck nennt man die elektrische Spannung. Fliessen die Elektronen vom negativem zum positivem Gegenstand, so wird dies ein elektrischer Strom genannt. Elektronen, bzw. elektrische Ströme fliessen sehr schnell, so dauern Ladungsausgleiche in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile. Zu Beginn wusste man nicht was bei einem elektrischen Strom geschieht. Man bestimmte daher einfach, dass der Strom von der positiven zur negativen Ladung fliesst. Elektriker benutzen diese Bedeutung noch heute, obwohl man heute weiss, dass es umgekehrt ist. Name: Elektrizität T 02 Leiter und Nichtleiter II Leitfähigkeit In einigen Materialien können sich Elektronen von Atom zu Atom bewegen, in anderen nicht. Können sich die Elektronen im Material bewegen, leitet das Material Strom weiter. Elektrische Leiter Elektrische Leiter sind Materialien durch die man elektrischen Strom durchleiten kann. Damit das funktioniert, müssen sich ihre Elektronen im Innern von Atom zu Atom bewegen können. Besonders gut leitende Materialien sind Platin, Gold, Silber, Kupfer und Aluminium. Weitere Leiter sind beispielsweise Kohle, Säuren, Basen, Salze, Leitungswasser und der menschlichen Körper. Metalle sind allgemein gute elektrische Leiter, was an ihrem atomarem Aufbau liegt. Die Elektronen in der äussersten Schale (Valenzelektronen) werden von den Atomkernen nur schwach angezogen. Daher können sie leicht vom Atom weggezogen werden. Metalle bestehen also aus einem Gitter aus positiv geladenen Metallionen, den Atomrümpfen. Die restlichen Elektronen gehören nicht zu einem einzelnen Atom, sondern bewegen sich zwischen den Atomen. Diese Elektronen nennt man zusammen die Elektronengaswolke. Nichtleiter Elektrische Nichtleiter sind Materialien, in denen die Elektronen fest an die Atome gebunden sind. Die meisten Kunststoffe sind Nichtleiter. Ebenso Keramik, Glas, Silikone, Sauerstoff, normale trockene Luft oder destilliertes Wasser. Nichtleiter lassen keinen elektrischen Strom durch. Man kann sie also verwenden, um einen elektrischen Strom einzuschliessen. Daher nennt man sie auch elektrische Isolatoren. Die leitenden Metalldrähte eines Kabels werden beispielsweise mit dem Isolator Plastik überzogen, sodass der Strom nicht aus dem Draht entweichen kann. Leitendes Wasser Reines Wasser ist ein Nichtleiter. Werden jedoch Salze (Metallund Nichtmetallionen) im Wasser aufgelöst, wird das Wasser zum Leiter. Die Ionen aus dem Salz sind beweglich und können Elektronen transportieren und machen Wasser dadurch zu einem Leiter. Normales Leitungswasser oder Seewasser enthält gelöste Salze und ist somit zu einem gewissen Grad leitfähig. Name: Elektrizität T 03 Elektrischer Strom II Elektrischer Strom In negativ geladenen Gegenständen hat es zu viele Elektronen. Die Elektronen stossen sich gegenseitig ab. Dadurch entsteht ein Druck der die Elektronen auseinander drängt. Verbindet man nun den negativen Gegenstand mit einem positiv geladenem Gegenstand, wandert ein Teil der Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Gegenstand. Der Druck der die Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol drückt nennt man die elektrische Spannung. Das Fliessen der Elektronen, vom Minus- zum Plus-Pol, wird der elektrische Strom genannt. Elektronen fliessen sehr schnell. Die Ladungsausgleiche dauern daher in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile. Stromkreise Wir Menschen nutzen den Elektrischen Strom, um unsere Geräte zu betreiben. Dazu verbinden wir den Minus- und Plus-Pol mit einem Kabel. Wir leiten den Strom über das Kabel kontrolliert durch ein elektrisches Gerät. Wir bauen einen sogenannten Stromkreis. Wie ein Stromkreis funktioniert, kann man sich gut mit dem Beispiel eines Wasserkreislaufes vorstellen. Wasserkreislauf Stromkreis Pumpe erzeugt Druck und überträgt Energie aufs Wasser Batterie erzeugt Spannung und überträgt Energie auf die Elektronen Wassermoleküle fliessen durchs Rohr Mühle nutzt Druck und entnimmt dem Wasser Energie Im Wasserkreislauf fliessen Wassermoleküle durch ein Rohr. Die Wassermoleküle fliessen, weil z.B. eine Pumpe Druck im Rohr aufbaut und die Moleküle vorwärts stösst. Beim Wasser kann mit einem Mühlrad die Bewegungsenergie genutzt werden, um etwas anzutreiben. Elektronen springen von Atom zu Atom Gerät nutzt Spannung und entnimmt den Elektronen Energie Im Stromkreislauf fliessen die Elektronen durch einen Metalldraht. Die Elektronen fliessen, weil z.B. eine Batterie eine Spannung erzeugt und diese die Elektronen antreibt. Beim Strom wird die Bewegungsenergie der Elektronen genutzt, um ein elektrisches Gerät anzutreiben. Das Gerät, das mit Strom angetrieben wird, nennt man einen elektrischen Wiederstand. Es entzieht den Elektronen Energie und bremst dadurch den Strom. Kurzschluss Bei Ladungsausgleichen fliessen Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol. Dies geschieht normalerweise extrem schnell mit einem extrem grossen Strom. Dabei entsteht eine grosse Hitze. Dabei können Stromkabel schmelzen und sogenannte Kabelbrände entstehen. Daher muss man in einen Stromkreis immer einen elektrischen Widerstand einbauen. Dieser bremst den Strom ab. So wird verhindert, dass zu viel Strom fliessen kann und dass zu viel Wärme entsteht. Werden der Minus- und der Plus-Pol direkt verbunden, wird der Strom nicht gebremst und fliesst zu schnell. Dies wird ein Kurzschluss genannt. Sie entstehen oft, wenn der Strom eine Abkürzung nehmen und den Widerstand umgehen kann. Zum Beispiel wenn ein Gerät ins Wasser fällt und der Strom nun übers Wasser direkt die Ladungen ausgleicht. Name: T 04 Elektrizität Elektrische Schaltungen II Schaltpläne Stromkreise werden auch elektrische Schaltungen genannt. Die Baupläne für einen Stromkreis nennt man einen Schaltplan. Jedes Bauteil hat in einem Schaltplan sein eigenes Zeichen: Stromleiter Leiterverzweigung Spannungsquelle Widerstand Glühbirne On/Off-Schalter Batterie (+ -) Wechselschalter Beispiel eines einfachen Schaltplans Serien- und Parallelschaltung Will man mehrere Geräte, also Widerstände, an eine Spannungsquelle anhängen, so hat man 2 Möglichkeiten: Man kann alle in den gleichen Stromkreis hintereinander einbauen oder man kann jedem Verbraucher einen eigenen Stromkreis geben. Diese zwei Möglichkeiten werden Serien- und Parallelschaltung genannt. Serienschaltung Parallelschaltung Alle Geräte sind im gleichen Stromkreis. Es fliesst durch alle gleich viel Strom. Je mehr Geräte im Stromkreis sind, umso mehr wird der Strom gebremst, es fliesst also immer weniger Strom. Jedes Gerät hat einen eigenen Stromkreis. Durch jedes fliesst so viel Strom, wie das Gerät zu lässt. Baut man weitere Geräte mit einem parallelen Stromkreise ein, hat das keinen Einfluss auf die anderen Geräte. Spannung Die Spannung (Druck) verteilt sich auf alle Geräte. Das heisst je mehr Geräte im gleichen Stromkreis eingebaut sind, umso weniger Spannung (Druck) bekommt jedes einzelne von ihnen. Jeder Stromkreis und jedes Gerät bekommt die volle Spannung (Druck), egal wie viele Geräte parallel geschaltet werden. Besonderheit Ist ein Gerät kaputt, so ist der Stromkreis Ist ein Gerät kaputt, so kann der Strom unterbrochen und alle Geräte funktionie- weiter durch die anderen Stromkreise ren nicht mehr. fliessen und die anderen Geräte funktionieren weiterhin. Schaltungsbeispiel Schaltplan Stromfluss Name: Elektrizität T 01 III Was ist Elektrizität? Elektrizität Alle was wegen elektrischen Ladungen geschieht, nennt man Elektrizität. Man unterscheidet dabei zwischen elektrostatischen Vorgängen und dem elektrischen Strom. Elektrostatik Wenn sich geladene Gegenstände gegenseitige anziehen oder abstossen nennt man das Elektrostatik. Gegenstände kann man durch Reibung elektrostatisch aufladen. Im Alltag entstehen elektrische Ladungen zum Beispiel wenn man über Teppiche läuft. Elektrischer Strom Wenn sich negativ geladene Elektronen bewegen, spricht man von einem elektrischen Strom. Im Alltag meint man damit den vom Menschen hergestellten elektrischen Strom. Elektrische Ladungen bei Gegenständen Alle Gegenstände bestehen aus Atomen. Diese bestehen wiederum aus positiven Protonen und negativen Elektronen. Bei Atomen mit gleich vielen Elektronen wie Protonen heben diese gegenseitig ihre Wirkungen auf. Das Atom hat darum keine elektrostatische Wirkung und ist neutral. Hat es unterschiedlich viele Protonen und Elektronen, so sind die Atome eines Gegenstands geladen und somit ist es auch der Gegenstand insgesamt. - + - - Elektrische Ladungsausgleiche Bekommt ein Gegenstand zusätzliche Elektronen, so wird er negativ geladen. Dabei werden Elektronen dicht zusammengedrückt. Elektronen stossen sich aber gegenseitig ab. So baut sich ein Druck auf. In positiv geladenen Gegenständen hat es zu wenige Elektronen. Kommen der negative und der positive Gegenstand in Kontakt, wird ein Teil der Elektronen aus dem negativen in den positiven Gegenstand gedrückt. Dieses Wandern von Elektronen nennt man Ladungsausgleich oder elektrischen Strom. Elektrischer Strom Bringt man zwei unterschiedlich geladene Gegenstände zusammen, so werden Elektronen vom negativeren zum positiverem Gegenstand gedrückt. Diesen Druck nennt man die elektrische Spannung. Fliessen die Elektronen vom negativem zum positivem Gegenstand, so wird dies ein elektrischer Strom genannt. Elektronen, bzw. elektrische Ströme, fliessen sehr schnell. Die Ladungsausgleiche dauern in der Regel nur wenige Sekundenbruchteile. Zu Beginn wusste man nicht was bei einem elektrischen Strom geschieht. Man bestimmte daher einfach, dass der Strom von der positiven zur negativen Ladung fliesst. Elektriker benutzen diese Bedeutung noch heute, obwohl man heute weiss, dass es umgekehrt ist. Name: Elektrizität T 02 Leiter und Nichtleiter III Leitfähigkeit Durch einige Materialien können Elektronen fliessen, durch andere nicht. Können die Elektronen sich durch ein Material bewegen, leitet es Strom weiter. Elektrische Leiter Elektrische Leiter sind Materialien, durch die man elektrischen Strom durchleiten kann. Damit das funktioniert, müssen sich die Elektronen durch das Material bewegen können. Besonders gut leitende Materialien sind Metalle, wie Platin, Gold, Silber, Kupfer und Aluminium. Kohle, Säuren, Basen, gelöste Salze, Leitungswasser und der menschlichen Körper sind ebenfalls elektrische Leiter. Metalle sind besonders gute elektrische Leiter. Da liegt an der Art wie ihre Atome verbunden sind. Zwischen den Atomkernen schwirren einige Elekronen frei herum. Man nennt sie die Elektronengaswolke. Da sich Elektronen in Metallen so frei bewegen können, können sie gut durch die Metalle hindurch wandern. Und das bedeutet wiederum, dass Metall elektrischen Strom besonders gut leiten. Nichtleiter Elektrische Nichtleiter sind Materialien, durch die man elektrischen Strom nicht durchleiten kann. Durch sie können keine Elektronen durchwandern. Die meisten Kunststoffe sind Nichtleiter. Ebenso Keramik, Glas, Silikone, Sauerstoff, normale trockene Luft oder destilliertes Wasser. Nichtleiter lassen keinen elektrischen Strom durch. Man kann sie also verwenden, um einen elektrischen Strom einzuschliessen. Daher nennt man sie auch elektrische Isolatoren. Die leitenden Metalldrähte eines Kabels werden beispielsweise in den Isolator Plastik eingepackt. So kann der Strom nicht aus dem Draht entweichen und man kann das Stromkabel gefahrlos anfassen. Leitendes Wasser Wasser in dem Salz gelöst sind, leitet Strom. Die geladenen Teilchen im Wasser können Elektronen transportieren und machen das Wasser dadurch zu einem Leiter. Normales Leitungswasser oder Seewasser enthält gelöste Salze und ist somit zu einem gewissen Grad leitfähig. Name: Elektrizität T 03 Elektrischer Strom III Elektrischer Strom Beim Minus-Pol hat es zu viele Elektronen. Verbindet man nun den Minus-Pol mit dem Plus-Pol, dann wandern Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol. Der Druck der die Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol drückt nennt man die elektrische Spannung. Das Fliessen der Elektronen, vom Minus- zum Plus-Pol, wird der elektrische Strom genannt. Stromkreise Wir Menschen nutzen den Elektrischen Strom, um unsere Geräte zu betreiben. Dazu verbinden wir den Minus- und Plus-Pol mit einem Kabel. Wir leiten den Strom kontrolliert durch das Kabel und durch ein elektrisches Gerät. Wir bauen dabei einen sogenannten Stromkreis. Wie ein Stromkreis funktioniert, kann man sich gut mit dem Beispiel eines Wasserkreislaufes vorstellen. Wasserkreislauf Stromkreis Batterie drückt durch Spannung die Elektronen vorwärts Pumpe drückt das Wasser vorwärts Wassermoleküle fliessen durchs Rohr Wasser treibt etwas an Im Wasserkreislauf fliessen Wassermoleküle durch ein Rohr. Die Wassermoleküle fliessen, weil z.B. eine Pumpe Druck im Rohr aufbaut und die Moleküle vorwärts stösst. Beim Wasser kann mit einem Mühlrad die Bewegungsenergie genutzt werden, um etwas anzutreiben. Elektronen fliessen durchs Kabel Elektronen treiben etwas an Im Stromkreislauf fliessen die Elektronen durch einen Metalldraht. Die Elektronen fliessen, weil z.B. eine Batterie eine Spannung erzeugt und diese die Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol drückt. Beim Strom wird die Bewegungsenergie der Elektronen genutzt, um ein elektrisches Gerät anzutreiben. Das Gerät, das mit Strom angetrieben wird, nennt man einen elektrischen Wiederstand. Es entzieht den Elektronen Energie und bremst dadurch den Strom. Kurzschluss Elektronen fliessen vom Minus- zum Plus-Pol. Dies geschieht normalerweise extrem schnell mit einem extrem grossen Strom. Dabei entsteht eine grosse Hitze. Dabei können Stromkabel schmelzen und sogenannte Kabelbrände entstehen. Daher muss man in einen Stromkreis immer einen elektrischen Widerstand einbauen. Dieser bremst den Strom ab. So wird verhindert, dass zu viel Strom fliessen kann und dass zu viel Wärme entsteht. Werden der Minus- und der Plus-Pol direkt verbunden, wird der Strom nicht gebremst und fliesst zu schnell. Dies wird ein Kurzschluss genannt. Sie entstehen oft, wenn der Strom eine Abkürzung nehmen und den Widerstand umgehen kann. Zum Beispiel wenn ein Gerät ins Wasser fällt und der Strom nun übers Wasser direkt die Ladungen ausgleicht. Name: T 04 Elektrizität Elektrische Schaltungen III Schaltpläne Stromkreise werden auch elektrische Schaltungen genannt. Die Baupläne für einen Stromkreis nennt man einen Schaltplan. Jedes Bauteil hat in einem Schaltplan sein eigenes Zeichen: Stromleiter Leiterverzweigung Spannungsquelle Widerstand Glühbirne On/Off-Schalter Batterie (+ -) Wechselschalter Beispiel eines einfachen Schaltplans Serien- und Parallelschaltung Will man mehrere Geräte an eine Batterie oder Steckdose anschliessen, hat man 2 Möglichkeiten: Man kann alle Geräte in den gleichen Stromkreis hintereinander einbauen oder man kann jedem Verbraucher einen eigenen Stromkreis geben. Diese zwei Möglichkeiten werden Serien- und Parallelschaltung genannt. Serienschaltung Parallelschaltung Alle Geräte sind im gleichen Stromkreis. Es fliesst durch alle gleich viel Strom. Je mehr Geräte im Stromkreis sind, umso mehr wird der Strom gebremst, es fliesst also immer weniger Strom. Jedes Gerät hat einen eigenen Stromkreis. Durch jedes fliesst so viel Strom, wie das Gerät zu lässt. Baut man weitere Geräte mit einem parallelen Stromkreise ein, hat das keinen Einfluss auf die anderen Geräte. Spannung Die Spannung (Druck) verteilt sich auf alle Geräte. Das heisst je mehr Geräte im gleichen Stromkreis eingebaut sind, umso weniger Spannung (Druck) bekommt jedes einzelne von ihnen. Jeder Stromkreis und jedes Gerät bekommt die volle Spannung (Druck), egal wie viele Geräte parallel geschaltet werden. Besonderheit Ist ein Gerät kaputt, so ist der Stromkreis Ist ein Gerät kaputt, so kann der Strom unterbrochen und alle Geräte funktionie- weiter durch die anderen Stromkreise ren nicht mehr. fliessen und die anderen Geräte funktionieren weiterhin. Schaltungsbeispiel Schaltplan Stromfluss Name: A 01 Elektrizität Aufbau der Materie - Repetition Woraus die Welt besteht 01) Beschrifte die unsichtbaren Bestandteile der Welt: Nukleon Atom Molekül Atomkern Quark Der Aufbau des Atoms 02) Das Atom unterteilt man in zwei Bereiche. Beschrifte diese in den Darstellungen unten. Atomkern Atomhülle 03) Das Atom besteht aus 3 Teilchen. Gib an wie diese heissen, mit welchem Zeichen man sie beschreibt, wo im Atom sie sich befinden und welche elektrischen Ladungen sie besitzen. Teilchen Zeichen Lage im Atom elektrische Ladung Elektron e- Atomhülle negativ Proton p+ Atomkern positiv Neutron n0 Atomkern neutral I Name: A 02 Elektrizität Aufbau der Materie - Repetition I Die Elektrostatik 04) Was versteht man unter dem Begriff Elektrostatik? Wie wirkt sie / worauf hat sie eine Wirkung? Die Elektrostatik nennt man die Elektrostatischen Kräfte. Diese wirken auf alle positiv oder negativ geladenen Teilchen. Sie bewirken entweder eine Anziehung oder eine Abstossung. 05) Gegenstände können elektrische Ladungen besitzen. Sie können positiv geladen oder entgegengesetzt negativ geladen sein. Je nach Kombination ziehen sie sich an oder stossen sich ab. Zeichne in den Kombinationen mit Pfeilen ein, ob sich die Gegenstände gegenseitig anziehen (→←) oder abstossen (←→). a) + c) + - negativ und negativ: - d) positiv und negativ: + 06) b) positiv und positiv: - negativ und positiv: - + Halte in einem Satz fest, wie sich elektrische geladene Gegenstände gegenseitig beeinflussen. Gleiche geladene Gegenstände stossen sich ab und ungleich geladene Teilchen ziehen sich an. 07) Was ist ein Ion, Anion, Kation? Welcher andere Atomtyp gibt es noch? Ionen sind elektrisch geladene Atome, das heisst es hat nicht gleich viele Protonen wie Elektronen. Ist es negativ geladen nennt man es Anion, ist es positiv geladen Kation. Atome können auch elektrisch neutral sein (gleich viele Elektronen wie Protonen), diese sind jedoch in der Natur sehr selten. Name: Elektrizität A 03 Elektrische Ladungen I Wie elektrische Ladungen entstehen Finde durch das Lösen der folgenden Aufgaben heraus, wie Gegenstände elektrische Ladungen bekommen können. 08) Nimm einen elektrisch neutralen Plastikstab und halte ihn über einen Teller mit Salz. Notiere was geschieht. Reibe den Stab nun mit einem Fell oder Kunstpelz ab. Halte ihn wieder über den Salzteller. Was stellst du nun fest? Was ist mit dem Stab geschehen? Beim elektrisch neutralen Stab geschieht nichts. Reibt man ihn aber mit dem Pelz ab, so wird er elektrisch geladen und zieht deshalb nun das Salz an. 09) Wodurch könnte der Stab bei Aufgabe 08) elektrisch geladen worden sein? Was muss mit den Atomen geschehen sein, dass sie nun geladen sind? Die Atome müssen Protonen bekommen oder Elektronen verloren haben, sodass diese ihre Ladungen nicht mehr komplett gegenseitig ausgleichen und die Atome nun geladen sind. 10) Welche der beiden Teilchen, Protonen oder Elektronen, werden wohl durchs Reiben entfernt oder hinzugefügt? Die Protonen sind im Kern und von den Elektronen eingeschlossen. Also müssen die Elektronen aussen in der Hülle verändert werden. 11) Fasse in eigenen Worten zusammen, wie Gegenstände positiv oder negativ geladen werden können. Durch Reibung können den Atomen im Gegenstand Elektronen entrissen oder hinzugefügt werden. Werden Elektronen entrissen, so können die restlichen im Atom die positiven Ladungen der Protonen im Kern nicht mehr völlig ausgleichen und die Atome (bzw. der Gegenstand) sind positiv geladen. Werden Elektronen hinzugefügt, so können die Protonen im Kern die zusätzlichen negativen Ladungen der Hüllen nicht mehr völlig ausgleichen und die Atome (bzw. der Gegenstand) sind negativ geladen. Name: Elektrizität 12) A 04 Ladungsausgleiche I Die Influenzmaschine trennt durchs Drehen Elektronen von ihren Atomen ab und baut so auf der einen Seite in der Kugel eine positive Ladung und auf der anderen Seite in der Kugel eine negative Ladung auf. Die zwei Ladungsregionen nennt man die elektrischen Pole. Was könnte geschehen, wenn die zwei Pole sich berühren? hier eine Vermutung. 13) Überprüfe nun deine Vermutung. Lass die positiv und die negativ geladenen Kugeln sich berühren. Beobachte (sehen, fühlen, hören) genau, was geschieht und schreibe deine Beobachtungen auf. Es knistert, man fühlt die Ladungen nicht mehr und manchmal sieht man einen Blitz von der einen Kugel zur Anderen. 14) Wir Menschen sind normalerweise elektrisch neutral geladen. Was geschieht, wenn du eine der Kugeln berührst. Man erhält einen Schlag / es kribbelt / es funkt / es blitzt 15) Fasse in eigenen Worten zusammen, was geschieht wenn sich ein positiv und ein negativ geladener Gegenstand berühren. Verwende die Begriffe postiver Pol, negativer Pol, Elektronen, elektrisch neutral, elektrischer Strom. Berühren sich ein positiver und ein negativer elektrischer Pol, so fliessen Elektronen blitzschnell vom negativen zum positiven Pol. Die Ladungen werden ausgeglichen und die Pole sind wieder elektrisch neutral. Das Fliessen der Elektronen wird elektrischer Strom oder kurz einfach Strom genannt. Name: Elektrizität 16) A 05 Elektrische Leiter I Lasse für diesen Versuch Strom durch eine Glühbirne fliessen, die dadurch brennt. Mit Klemmen kannst du nun Gegenstände oder Flüssigkeiten zwischen die Kabeln einbauen und den Strom auch durch diese leiten. Probiere diverse Materialien aus und gib an, wie gut sie den elektrischen Strom leiten. Je besser sie leiten umso heller brennt die Glühbirne. Leiten: Leiten nicht: Metalle, Salzwasser, Säuren Destilliertes Wasser, Glas, Holz, Kunststoffe 17) Erkläre in eigenen Worten, was bestimmt ob ein Material elektrischen Strom leitet oder nicht. Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials hängt davon ab, wie gut sich die Elektronen im Material bewegen können. Je besser sie sich von Atom zu Atom bewegen können, umso besser leitet das Material Strom. 18) Wie nennt man Materialien die elektrischen Strom leiten und wie diejenigen, die ihn nicht leiten? Materialien die den elektrischen Strom leiten nennt man elektrische Leiter, solche die ihn nicht leiten nennt man elektrische Nichtleiter oder Isolatoren. 19) Gib Beispiele aus deinem Alltag für elektrische Leiter und Nichtleiter an. Leiter: Badewasser, Leitungswasser, Mineralwasser, Zitronensaft, Stromkabel, Mensch, Alufolie, Nägel Nichtleiter: Schuhgummisohlen, Gläser, Holz, Lineal, Teetasse, Papier Name: Elektrizität 20) A 06 Stromkreise I Erkläre, aus welchen drei Bauteilen ein Stromkreis immer besteht. Ein Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle, einem elektrischen Leiter vom negativen zum positiven Pol der Spannungsquelle und einem Verbraucher / Widerstand dazwischen. 21) Gib an, wo im Stromkreis der Widerstand, der Strom und die Spannung vorkommen. Die Batterie erzeugt eine Spannung, die über den ganzen Stromkreis wirkt. Der Strom sind die fliessenden Elektronen im Kabel. Der Widerstand ist die Lampe, die den Elektronen Energie entzieht und den Strom bremst. 22) Erkläre, was ein Kurzschluss ist und warum er gefährlich sein kann. Gibt es eine direkte und widerstandlose Verbindung vom Minus- zum Pluspol, so gibt es einen schnellen Ladungsausgleich mit einem grossen Strom. Dies ist gefährlich, weil der grosse Stromfluss im Leiter eine hohe Hitze erzeugt, was Feuer, sogenannte Kabelbrände, auslösen kann oder die Plastikteile in Geräten schmelzen kann. Name: Elektrizität A 07 Elektrische Schaltungen 1 I 23) Zeichne den Schaltplan zum abgebildeten Stromkreis. 24) Baue die Schaltung zu diesem Schaltplan. Zeige die Schaltung deiner Lehrperson. 25) Nutze die Schaltung aus der Aufgabe 24). Baue eine zweite Glühbirne in die Schaltung ein. Dies kann auf 2 Arten geschehen: In einer Serienschaltung oder einer Parallelschaltung. Zeichne die Schaltpläne zu beiden Varianten und beschrifte sie mit ihren Namen. Variante 1: Variante 2: Serienschaltung 26) Parallelschaltung Nutze die Serienschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was bedeutet das? Bei einer Lampe brennt diese heller, bei zweien sind beide dunkler. => Je mehr Verbraucher man in Reihe schaltet, umso weniger Strom fliesst durch diese, umso weniger hell leuchten sie. 27) Nutze die Parallelschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was bedeutet das? Ob mit einer oder mit zwei Glühbirnen, brennen diese immer gleich hell. Egal wie viele Verbraucher man parallel schaltet, es fliesst immer gleich viel Strom durch die Verbraucher, sie leuchten somit immer gleich hell. Name: Elektrizität 28) A 08 Elektrische Schaltungen 2 I Nutze die Schaltungen aus der Aufgabe 25). Schraube jeweils eine der zwei Glühbirnen heraus und schalte den Strom wieder an. Was geschieht? Die zweite Lampe in der Serienschaltung brennt nicht, in der Parallelschaltung schon. 29) Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen, die beide durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. 30) 31) Wieso werden die Lampen in der abgebildeten Schaltung nicht brennen? Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen. Nur eine der Glühbirnen soll durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. Es gibt eine “Abkürzung“ für den Strom ohne durch die Lampen zu gehen. Es gibt somit einen Kurzschluss. 32) Was kannst du über die Helligkeit der drei Lampen in der abgebildeten Schaltung sagen? Zwei Parallele Schaltungen mit je gleich viel Spannung und Strom. Die obere Lampe erhält die volle Spannung und den vollen Strom. Die unteren Lampen teilen sich den Strom, bekommen nur halb so viel Strom und leuchten schwächer. Name: Elektrizität 33) A 09 Elektrische Schaltungen 3 I Wie ist es möglich, dass nur ein Kabel vom Dynamo zu den Fahrradlichtern führt? Zeichne den sinnvollsten Schaltplan der Fahrradbeleuchtung. Um was für eine Schaltungsart handelt es sich? Im Kabel sind zwei Drähte verpackt (hin und zurück). Es ist eine Parallelschaltung. 34) Welche der Lampen leuchten in diesem Stromkreis wenn der Schalter offen ist, welche wenn der Schalter zu ist? Alle 4 Lampen brennen wenn der Schalter offen ist, ab nur die beiden oberen wenn er zu ist. 35) Warum können Vögel auf einer Hochspannungsleitung unter Strom sitzen ohne einen Schlag zu bekommen. Die Vögel berühren nur eine Leitung. Der Strom müsste durch die Vögel einen Umweg machen, daher fliesst er direkt durchs Kabel. (Prinzip Kurzschluss) 36) Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen, die durch einen Wechselschalter an- oder ausgeknipst werden kann, sodass entweder die eine oder die andere brennt.Zeichne den Schaltplan. 37) Baue eine Parallelschaltung mit einer Glühbirne, die durch zwei Wechselschalter an- oder ausgeknipst werden kann, ohne das beide betätigt werden müssen.Zeichne den Schaltplan. Name: A 02 Elektrizität Aufbau der Materie - Repetition II Die Elektrostatik 04) Was ist die Elektrostatik? Wie wirkt sie / worauf hat sie eine Wirkung? Die Elektrostatik nennt man die Elektrostatischen Kräfte. Diese wirken auf alle positiv oder negativ geladenen Teilchen. Sie bewirken entweder eine Anziehung oder eine Abstossung. 05) Gegenstände können elektrische Ladungen besitzen. Sie können positiv geladen oder entgegengesetzt negativ geladen sein. Je nach Kombination ziehen sie sich an oder stossen sich ab. Zeichne in den Kombinationen mit Pfeilen ein, ob sich die Gegenstände gegenseitig anziehen (→←) oder abstossen (←→). a) + c) + - negativ und negativ: - d) positiv und negativ: + 06) b) positiv und positiv: - negativ und positiv: - + Halte in einem Satz fest, wie elektrisch geladene Gegenstände auf einander wirken. Gleiche geladene Gegenstände stossen sich ab und verschieden geladene ziehen sich an. 07) Was ist ein Ion, Anion, Kation? Welcher andere Atomtyp gibt es noch? Ionen sind elektrisch geladene Atome. Negativ geladene Atome nennt man Anionen, positiv geladene Kationen. Atome können auch elektrisch neutral sein (gleich viele Elektronen wie Protonen). Name: Elektrizität A 03 Elektrische Ladungen II Wie elektrische Ladungen entstehen Finde durch das Lösen der folgenden Aufgaben heraus, wie Gegenstände elektrische Ladungen bekommen können. 08) Nimm einen elektrisch neutralen Plastikstab und halte ihn über einen Teller mit Salz. Notiere was geschieht. Reibe den Stab nun mit einem Fell oder Kunstpelz ab. Halte ihn wieder über den Salzteller. Was stellst du nun fest? Was muss mit dem Stab geschehen sein? (Tipp: Elektrostatik) Beim elektrisch neutralen Stab geschieht nichts. Reibt man ihn aber mit dem Pelz ab, so wird er elektrisch geladen und zieht deshalb nun das Salz an. 09) Weshalb wird der Stab bei Aufgabe 08) durchs Reiben elektrisch aufgeladen? Was muss mit den Teilchen in seinen Atomen geschehen sein? Die Atome müssen Protonen bekommen oder Elektronen verloren haben, sodass diese ihre Ladungen nicht mehr komplett gegenseitig ausgleichen und die Atome nun geladen sind. Die Protonen sind im Kern und von den Elektronen eingeschlossen. Also müssen die Elektronen aussen in der Hülle verloren gehen. 11) Fasse in eigenen Worten zusammen, wie Gegenstände positiv oder negativ geladen werden können. Durch Reibung können den Atomen im Gegenstand Elektronen entrissen oder hinzugefügt werden. Werden Elektronen entrissen, so können die restlichen im Atom die positiven Ladungen der Protonen im Kern nicht mehr völlig ausgleichen und die Atome (bzw. der Gegenstand) sind positiv geladen. Werden Elektronen hinzugefügt, so können die Protonen im Kern die zusätzlichen negativen Ladungen der Hüllen nicht mehr völlig ausgleichen und die Atome (bzw. der Gegenstand) sind negativ geladen. Name: Elektrizität 12) A 04 Ladungsausgleiche II Die Influenzmaschine reisst den Atomen auf den Scheiben beim Drehen Elektronen ab. So wird eine der Kugeln positiv geladen und die andere negativ. Die zwei geladenen Bereiche nennt man die elektrischen Pole. Schreibe eine Vermutung auf: Was könnte geschehen, wenn die zwei Pole sich berühren? hier eine Vermutung. 13) Überprüfe nun deine Vermutung. Lass die positiv und die negativ geladenen Kugeln sich berühren. Beobachte (sehen, fühlen, hören) genau, was geschieht und schreibe deine Beobachtungen auf. Es knistert, man fühlt die Ladungen nicht mehr und manchmal sieht man einen Blitz von der einen Kugel zur Anderen. 14) Wir Menschen sind normalerweise elektrisch neutral geladen. Was geschieht, wenn du eine der Kugeln berührst. Man erhält einen Schlag / es kribbelt / es funkt / es blitzt 15) Fasse in eigenen Worten zusammen, was geschieht wenn sich ein positiv und ein negativ geladener Gegenstand berühren. Verwende die Begriffe postiver Pol, negativer Pol, Elektronen, elektrischer Strom. Berühren sich ein positiver und ein negativer elektrischer Pol, so fliessen Elektronen blitzschnell vom negativen zum positiven Pol. Die Ladungen werden ausgeglichen und die Pole sind wieder elektrisch neutral. Das Fliessen der Elektronen wird elektrischer Strom oder kurz einfach Strom genannt. Name: Elektrizität 16) A 05 Elektrische Leiter II Lass für diesen Versuch Strom durch eine Glühbirne fliessen. Wenn der Strom fliesst brennt die Birne. Mit Klemmen kannst du nun Gegenstände oder Flüssigkeiten zwischen die Kabeln einbauen. Probiere diverse Materialien aus und gib an, wie gut sie den elektrischen Strom leiten. Je besser sie leiten umso heller brennt die Glühbirne. Leiten: Leiten nicht: Metalle, Salzwasser, Säuren Destilliertes Wasser, Glas, Holz, Kunststoffe 17) Was muss ein Material können, damit es elektrischen Strom leitet? Das Material muss Elektronen durch sich hindurch wandern lassen können. Je besser die Elektronen sich von Atom zu Atom bewegen können, umso besser leitet das Material Strom. 18) Wie nennt man Materialien die elektrischen Strom leiten und wie diejenigen, die ihn nicht leiten? Materialien die den elektrischen Strom leiten nennt man elektrische Leiter, solche die ihn nicht leiten nennt man elektrische Nichtleiter oder Isolatoren. 19) Gib Beispiele aus deinem Alltag für elektrische Leiter und Nichtleiter an. Leiter: Badewasser, Leitungswasser, Mineralwasser, Zitronensaft, Stromkabel, Mensch, Alufolie, Nägel Nichtleiter: Schuhgummisohlen, Gläser, Holz, Lineal, Teetasse, Papier Name: Elektrizität 20) A 06 Stromkreise II Erkläre, aus welchen drei Bauteilen ein Stromkreis immer besteht. Ein Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle (Steckdose, Batterie, etc.), einem elektrischen Leiter (Kabel) und einem Verbraucher / Widerstand (elektrisches Gerät) dazwischen. 21) Gib an, wo im Stromkreis der Widerstand, der Strom und die Spannung vorkommen. Die Batterie produziert eine Spannung, die über den ganzen Stromkreis wirkt. Der Strom sind die fliessenden Elektronen im Kabel und im Verbraucher / Gerät. Der Widerstand ist die Lampe / das Gerät, die den Elektronen Energie entzieht und den Strom bremst. 22) Erkläre, was ein Kurzschluss ist und warum er gefährlich sein kann. Bei einer direkten Verbindung vom Minus- zum Pluspol gibt es einen Kurzschluss. Der Strom Strom fliesst ungebremst sehr schnell. Dies ist gefährlich, weil dabei viel Hitze ensteht. Dadurch kann sich ein Feuer, ein sogenannte Kabelbrand, entstehen. Name: Elektrizität A 07 Elektrische Schaltungen 1 II 23) Zeichne den Schaltplan zum abgebildeten Stromkreis. 24) Baue die Schaltung zu diesem Schaltplan. Zeige die Schaltung deiner Lehrperson. 25) Nutze die Schaltung aus der Aufgabe 24). Baue eine zweite Glühbirne in die Schaltung ein. Dies kann auf 2 Arten geschehen: In einer Serienschaltung oder einer Parallelschaltung. Zeichne die Schaltpläne zu beiden Varianten und beschrifte sie mit ihren Namen. Variante 1: Variante 2: Serienschaltung 26) Parallelschaltung Nutze die Serienschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was gilt für eine Regel? Bei einer Lampe brennt diese heller, bei zweien sind beide dunkler. => Je mehr Lampen man in einen Schaltkreis einbaut, umso weniger hell leuchten sie. 27) Nutze die Parallelschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was gilt für eine Regel? Die Lampen brennen immer gleich hell. Egal wie viele Lampen man parallel schaltet, sie leuchten immer gleich hell. Name: Elektrizität 28) A 08 Elektrische Schaltungen 2 II Nutze die Schaltungen aus der Aufgabe 25). Schraube jeweils eine der zwei Glühbirnen heraus und schalte den Strom wieder an. Was geschieht? Die zweite Lampe in der Serienschaltung brennt nicht, in der Parallelschaltung schon. 29) Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen, die beide durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. 30) 31) Wieso werden die Lampen in der abgebildeten Schaltung nicht brennen? Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen. Nur eine der Glühbirnen soll durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. Es gibt eine “Abkürzung“ für den Strom ohne durch die Lampen zu gehen. Es gibt somit einen Kurzschluss. 32) Was kannst du über die Helligkeit der drei Lampen in der abgebildeten Schaltung sagen? Zwei Parallele Schaltungen mit je gleich viel Spannung und Strom. Die obere Lampe erhält die volle Spannung und den vollen Strom. Die unteren Lampen teilen sich den Strom, bekommen nur halb so viel Strom und leuchten schwächer. Name: Elektrizität 33) A 09 Elektrische Schaltungen 3 II Wie ist es möglich, dass nur ein Kabel vom Dynamo zu den Fahrradlichtern führt? Zeichne den sinnvollsten Schaltplan der Fahrradbeleuchtung. Um was für eine Schaltungsart handelt es sich? Im Kabel sind zwei Drähte verpackt (hin und zurück). Es ist eine Parallelschaltung. 34) Welche der Lampen leuchten in diesem Stromkreis wenn der Schalter offen ist, welche wenn der Schalter zu ist? Alle 4 Lampen brennen wenn der Schalter offen ist, aber nur die beiden oberen wenn er zu ist. 35) Warum können Vögel auf einer Hochspannungsleitung unter Strom sitzen ohne einen Schlag zu bekommen. Die Vögel berühren nur eine Leitung. Der Strom müsste durch die Vögel einen Umweg machen, daher fliesst er direkt durchs Kabel. (Prinzip Kurzschluss) 36) Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen, die durch einen Wechselschalter an- oder ausgeknipst werden kann, sodass entweder die eine oder die andere brennt.Zeichne den Schaltplan. 37) Baue eine Parallelschaltung mit einer Glühbirne, die durch zwei Wechselschalter an- oder ausgeknipst werden kann, ohne das beide betätigt werden müssen.Zeichne den Schaltplan. Name: A 02 Elektrizität Aufbau der Materie - Repetition III Die Elektrostatik 04) Was sind elektrostatische Kräfte? Worauf haben sie eine Wirkung? Elektrostatischen Kräfte wirken bei positiv oder negativ geladenen Teilchen. Sie bewirken entweder eine Anziehung oder eine Abstossung. 05) Gegenstände können elektrische Ladungen besitzen. Sie können positiv geladen oder entgegengesetzt negativ geladen sein. Je nach Kombination ziehen sie sich an oder stossen sich ab. Zeichne in den Kombinationen mit Pfeilen ein, ob sich die Gegenstände gegenseitig anziehen (→←) oder abstossen (←→). a) + c) + - negativ und negativ: - d) positiv und negativ: + 06) b) positiv und positiv: - negativ und positiv: - + Halte in einem Satz fest, wie elektrisch geladene Gegenstände auf einander wirken. Gleiche geladene Gegenstände stossen sich ab und verschieden geladene ziehen sich an. 07) Was ist ein Ion, Anion, Kation? Welcher andere Atomtyp gibt es noch? Ionen sind elektrisch geladene Atome. Negativ geladene Atome nennt man Anionen, positiv geladene Kationen. Atome können auch elektrisch neutral sein (gleich viele Elektronen wie Protonen). Name: Elektrizität A 03 Elektrische Ladungen III Wie elektrische Ladungen entstehen Finde durch das Lösen der folgenden Aufgaben heraus, wie Gegenstände elektrische Ladungen bekommen können. 08) Nimm einen nicht geladenen Plastikstab. Halte ihn über einen Teller mit Salz. Notiere was geschieht. Reibe den Stab nun an einem Fell oder Stoffstück. Halte ihn wieder über den Salzteller. Was stellst du nun fest? Was muss mit dem Stab geschehen sein? (Tipp: Elektrostatik) Beim elektrisch neutralen Stab geschieht nichts. Reibt man den Stab an Stoff, zieht er das Salz an. Er muss durchs Reiben elektrostatisch geladen worden sein. 09) Wird der Stab bei Aufgabe 08) durchs Reiben elektrisch aufgeladen, dann müssen auch seine Atome geladen werden. Was muss mit den Atomen geschehen, damit sie geladen werden? Die Atome müssen Protonen bekommen oder Elektronen verlieren. Die Protonen sind im Kern und von den Elektronen eingeschlossen. Also müssen die Elektronen aussen in der Hülle verloren gehen. 11) Fasse in eigenen Worten zusammen, wie Gegenstände positiv oder negativ geladen werden können. Durch Reibung werden Elektronen bei den äusseren Atomen eines Gegenstands entrissen oder hinzugefügt. Verlieren die Atome Elektronen ist der Gegenstand positiv geladen. Bekommen die Atome Elektronen ist der Gegenstand negativ geladen. Name: Elektrizität 12) A 04 Ladungsausgleiche III Die Influenzmaschine lädt zwei Kugeln elektrostatisch auf. Eine der Kugeln wird positiv geladen und die andere negativ. Die zwei geladenen Bereiche nennt man die elektrischen Pole. Schreibe eine Vermutung auf: Was könnte geschehen, wenn die zwei Pole sich berühren? hier eine Vermutung. 13) Überprüfe nun deine Vermutung. Lass die positiv und die negativ geladenen Kugeln sich berühren. Beobachte (sehen, fühlen, hören) genau, was geschieht und schreibe deine Beobachtungen auf. Es knistert, man fühlt die Ladungen nicht mehr und manchmal sieht man einen Blitz von der einen Kugel zur Anderen. 14) Wir Menschen sind normalerweise elektrisch neutral geladen. Was geschieht, wenn du eine der Kugeln berührst. Man erhält einen Schlag / es kribbelt / es funkt / es blitzt 15) Fasse in eigenen Worten zusammen, was geschieht wenn sich ein positiv und ein negativ geladener Gegenstand berühren. Verwende die Begriffe postiver Pol, negativer Pol, Elektronen, elektrischer Strom. Berühren sich ein positiver und ein negativer elektrischer Pol, dann fliessen die Elektronen vom negativen zum positiven Pol. Die Elektronen fliessen nicht mehr, wenn beide Pole wieder gleich viele Elektronen wie Protonen haben. Das Fliessen der Elektronen wird elektrischer Strom oder kurz einfach Strom genannt. Name: Elektrizität 16) A 05 Elektrische Leiter III Lass für diesen Versuch Strom durch eine Glühbirne fliessen. Wenn der Strom fliesst, brennt die Birne. Mit Klemmen kannst du nun Gegenstände oder Flüssigkeiten zwischen die Kabeln einbauen. Probiere diverse Materialien aus und gib an, wie gut sie den elektrischen Strom leiten. Je besser sie leiten umso heller brennt die Glühbirne. Leiten: Leiten nicht: Metalle, Salzwasser, Säuren Destilliertes Wasser, Glas, Holz, Kunststoffe 17) Was muss bei einem Material möglich sein, damit es elektrischen Strom leitet? Elektronen müssen durch das Material durch wandern können. 18) Wie nennt man Materialien die elektrischen Strom leiten und wie die, die ihn nicht leiten? Materialien die den elektrischen Strom leiten nennt man elektrische Leiter. Materialien die den elektrischen Strom nicht leiten nennt man elektrische Nichtleiter oder Isolatoren. 19) Gib Beispiele aus deinem Alltag für elektrische Leiter und Nichtleiter an. Leiter: Badewasser, Leitungswasser, Mineralwasser, Zitronensaft, Stromkabel, Mensch, Alufolie, Nägel Nichtleiter: Schuhgummisohlen, Gläser, Holz, Lineal, Teetasse, Papier Name: Elektrizität 20) A 06 Stromkreise III Erkläre, aus welchen drei Bauteilen ein Stromkreis immer besteht. Ein Stromkreis besteht aus einer Spannungsquelle (Steckdose, Batterie, etc.), einem elektrischen Leiter (Kabel) und einem Verbraucher / Widerstand (elektrisches Gerät) dazwischen. 21) Was ist der Widerstand, der Strom und die Spannung? Die Spannung ist der Druck, der die Elektronen vom Minus- zum Plus-Pol drückt. Der Strom sind die fliessenden Elektronen im Kabel und im Verbraucher / Gerät. Der Widerstand ist das elektrische Gerät, das den Strom bremst. 22) Erkläre, was ein Kurzschluss ist und warum er gefährlich sein kann. Bei einer direkten Verbindung vom Minus- zum Pluspol gibt es einen Kurzschluss. Der Strom Strom fliesst ungebremst sehr schnell. Dies ist gefährlich, weil dabei viel Hitze ensteht. Dadurch kann sich ein Feuer, ein sogenannte Kabelbrand, entstehen. Name: Elektrizität A 07 Elektrische Schaltungen 1 III 23) Zeichne den Schaltplan zum abgebildeten Stromkreis. 24) Baue die Schaltung zu diesem Schaltplan. Zeige die Schaltung deiner Lehrperson. 25) Nimm die Schaltung aus der Aufgabe 24). Baue eine zweite Glühbirne in die Schaltung ein. Dies kann auf 2 Arten geschehen: In einer Serienschaltung oder einer Parallelschaltung. Zeichne die Schaltpläne zu beiden Varianten und beschrifte sie mit ihren Namen. Variante 1: Variante 2: Serienschaltung 26) Parallelschaltung Nimm die Serienschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was gilt für eine Regel? Bei einer Lampe brennt diese heller, bei zweien sind beide dunkler. => Je mehr Lampen man in einen Schaltkreis einbaut, umso weniger hell leuchten sie. 27) Nimm die Parallelschaltung aus der Aufgabe 25). Vergleiche den Stromkreis mit einer Glühbirne, mit dem mit zweien. Was geschieht mit der Helligkeit der Glühbirnen? Was gilt für eine Regel? Die Lampen brennen immer gleich hell. Egal wie viele Lampen man parallel schaltet, sie leuchten immer gleich hell. Name: Elektrizität 28) A 08 Elektrische Schaltungen 2 III Nimm die Schaltungen aus der Aufgabe 25). Schraube jeweils eine der zwei Glühbirnen heraus und schalte den Strom wieder an. Was geschieht? Die zweite Lampe in der Serienschaltung brennt nicht, in der Parallelschaltung schon. 29) Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen, die beide durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. 30) 31) Wieso werden die Lampen in der abgebildeten Schaltung nicht brennen? Baue eine Parallelschaltung mit zwei Glühbirnen. Nur eine der Glühbirnen soll durch einen Schalter an- oder ausgeknipst werden können. Zeichne den Schaltplan. Es gibt eine “Abkürzung“ für den Strom ohne durch die Lampen zu gehen. Es gibt somit einen Kurzschluss. 32) Was kannst du über die Helligkeit der drei Lampen in der abgebildeten Schaltung sagen? Zwei Parallele Schaltungen mit je gleich viel Spannung und Strom. Die obere Lampe erhält die volle Spannung und den vollen Strom. Die unteren Lampen teilen sich den Strom, bekommen nur halb so viel Strom und leuchten schwächer.
