prisma - Klett

PRISMA
Lehrerhinweise
Niedersachsen
PHYSIK
9 10
l
Autoren: Marion Barmeier, Joachim Boldt, Heinz Joachim Ciprina, Gitta Heide, Klaus Hell, Michael Maiworm,
Anke Méndez, Silva Wallaschek
1. Auflage
Von diesen Vorlagen ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet.
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 Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2007
Alle Rechte vorbehalten
Internetadresse: www.klett.de
Redaktion: Ute Schuhmacher
Mediengestaltung: Corinna Härtel
Grafiken:
Grafiken : Matthias Balonier, Lützelbach; Karin Mall, Berlin
LabelLabel- und Titel
Titelgestaltung:
gestaltung : KOMA AMOK , Kunstbüro für Gestaltung, Stuttgart
Printed in Germany
ISBN-13: 978-3-12-068741-2
Inhaltsverzeichnis
Körper in Bewegung
4
Bewegungen
Die Geschwindigkeit
Geschwindigkeiten und ihre Darstellung
Die beschleunigte Bewegung
Der freie Fall
Werkstatt: Die Kugel rollt
Strategie: Von der Beobachtung zum Gesetz
Brennpunkt: Sicherheitsabstand im Straßenverkehr
Anhalte- und Bremsweg
Trägheit
Das Newton’sche Grundgesetz
Schlusspunkt
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Elektromagnetismus
17
Strom und Magnetismus
Elektrische Leiter im Magnetfeld
Drehbare Elektromagnete – Elektromotoren
Werkstatt: Ein einfacher Elektromotor
Die elektromagnetische Induktion
Wie lässt sich die Induktionsspannung vergrößern?
Werkstatt: Induktion im Versuch
Wechselspannung und Wechselstrom
Von der Induktion zum Generator
Werkstatt: Der „Mikrogenerator“
Brennpunkt: Generatoren
Der Transformator
Der Transformator liefert Spannung nach Bedarf
Stromstärke beim Transformator
Anwendungen von Hochstromtransformatoren
Schlusspunkt
17
18
19
20
21
22
22
23
24
24
25
26
27
28
29
30
Der elektrische Widerstand
31
Der elektrische Strom wird gehemmt
Der elektrische Widerstandswert
Berechnung von Spannung, Stromstärke und
Widerstandswert
Wovon hängt der Widerstandswert eines Drahtes ab?
Widerstandsberechnung von Leitern
Das Ohm’sche Gesetz
Festwiderstände
Veränderliche Widerstände – das Potenziometer
Der Widerstand bei der Reihenschaltung
Der Widerstand bei der Parallelschaltung
Schlusspunkt
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
42
Der Mensch sammelt Daten
Analog, digital, binär
Daten werden übertragen und gewandelt
Daten werden gespeichert
Messen, Steuern, Regeln mithilfe des Bimetalls
Werkstatt: Variable Widerstände im Test
Halbleiter
Der Leitungsvorgang in Halbleitern
Die Halbleiterdiode
Aus Wechselstrom wird Gleichstrom
Die Solarzelle – ein Minikraftwerk
So funktioniert ein Transistor
Werkstatt: Versuche mit Transistoren
Steuern mit Wärme und Feuchtigkeit
Daten speichern mit dem Transistor
Die Entwicklung des Computers
Werkstatt: Logische Schaltungen
Schlusspunkt
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
57
58
Wärme und Energieumwandlungen
59
Temperatur und Energie
Zeitpunkt: Auf der Suche nach dem Wärmestoff
Teilchenmodell und innere Energie
Formen der Energieübertragung
Wärmeströmung und Wärmeleitung
Wärmestrahlung
Werkstatt: Sonnenkollektoren
Die spezifische Wärmekapazität
Der Heizwert eines Brennstoffs
Brennpunkt: Energie für den menschlichen Körper
Brennpunkt: Energieversorgung eines Hauses
Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie
Regenerative Energien – Solar und Brennstoffzellen
Schlusspunkt
59
59
60
60
61
62
62
63
64
64
65
66
67
68
Radioaktivität
70
Der Radioaktivität auf der Spur
Werkstatt: Radioaktivität wird gemessen
Elementumwandlungen
Die Halbwertszeit
Zerfallreihe – Altersbestimmung
Die Aktivität
Äußere und innere Bestrahlung
Strahlenschäden beim Menschen
Spaltbares Material und Spaltprodukte
Die Kettenreaktion
Sicherheitsvorrichtungen im Kernkraftwerk
Schlusspunkt
70
71
72
73
73
74
75
76
77
78
79
80
3
Körper in Bewegung
Bewegungen (S. 8/9)
Aufgabe
1. Geradlinig bewegen sich z.B. der Radfahrer an der Pfütze
oder der Radfahrer mit der lila Jacke vor dem Kreisverkehr. Auch die Radfahrerin mit der braunen Hose (am
oberen Bildrand) fährt noch geradlinig. Eine Kurvenfahrt
sieht man z.B. bei dem einzelnen Radfahrer an der Ampel, bei dem Rad mit Anhänger und bei dem Rechtsabbieger (gelber Pullover) im Kreisverkehr. Eine Kreisbewegung führt nur die Radfahrerin im Kreisverkehr aus.
Zusatzinformationen
Bewegungen lassen sich allgemein als eine Ortsveränderung
im Laufe der Zeit beschreiben. Wir unterscheiden Bewegungen anhand mess- und beobachtbarer Unterschiede in der
Geschwindigkeit und der Richtung der Fortbewegung. Fast
alle Bewegungen sind nicht einheitlich, d.h. sie enthalten viele
Richtungs- oder Geschwindigkeitsänderungen. Um überhaupt
eine Klassifizierung zu erreichen, werden Bewegungen idealisiert.
Man spricht von einer geradlinigen Bewegung eines Körpers,
wenn keine Richtungsänderung sichtbar ist. Bleibt bei dieser
Bewegung auch noch die Geschwindigkeit konstant, dann ist
es eine geradlinig gleichförmige Bewegung. Lässt man die
Richtungsänderung unbeachtet und beobachtet nur die Veränderung der Geschwindigkeit, dann kann man eine verzögerte oder eine beschleunigte Bewegung feststellen. Bei einer
verzögerten Bewegung verringert der Körper seine Geschwindigkeit, er bremst. Bei einer beschleunigten Bewegung
nimmt die Geschwindigkeit eines Körpers zu, er beginnt sich
zu bewegen oder wird schneller. Idealisiert man diese Bewegungen noch weiter – um einfache Berechnungen zu ermöglichen – und nimmt man an, dass die Ab- oder Zunahme der
Geschwindigkeit gleichmäßig verläuft, dann spricht man von
einer gleichmäßig verzögerten oder gleichmäßig beschleunigten Bewegung.
Diese Idealisierungen haben sich bewährt, wenn man über
Geschwindigkeiten oder zurückgelegte Wege Vorhersagen
machen und sie berechnen will.
4
Körper in Bewegung
Die Geschwindigkeit (S. 11)
Aufgaben
1. Gegeben:
s = 700 m
t = 28 s
Gesucht:
v = s/t
Lösung:
v = s/t
v = 700 m/28 s
v = 25 m/s
Die Geschwindigkeit beträgt v = 25 m/s
2. Gegeben:
s = 11 km = 11000 m
t = 500 s
Gesucht:
v
Lösung:
v = s/t
v = 11000 m/500 s
v = 22 m/s (79,2 km/h)
Die Geschwindigkeit beträgt v = 22 m/s.
3. Gegeben:
s = 150 m
t = 1 min 23 s = 83 s
Gesucht:
v
Lösung:
v = s/t
v = 150 m/83 s
v ≈ 1,8 m/s (6,5 km/h)
Die Geschwindigkeit beträgt 1,8 m/s.
Zusatzinformationen
Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist der real nachvollziehbare Quotient aus zurückgelegter Wegstrecke und Zeitintervall (Differenzenquotient). Die Momentangeschwindigkeit ist
dessen Idealisierung für ein gegen Null strebendes Zeitintervall (Differenzialquotient). Sie ist nur dann bestimmbar, wenn
die Bewegung im betrachteten Zeitabschnitt durch eine stetige, differenzierbare Funktion (näherungsweise) beschrieben
werden kann und entspricht dem Wert der ersten Ableitung
dieser Funktion in jedem Zeitpunkt.
5
Körper in Bewegung
Geschwindigkeiten und ihre Darstellung (S. 12/13)
Aufgabe
1. Es entsteht eine ansteigende Gerade, d.h. hier handelt es
sich um eine gleichförmige Bewegung. Rechnet man für
jede Teilstrecke die Geschwindigkeit aus, so stellt man
fest, dass diese Geschwindigkeiten geringfügig voneinander abweichen. Das kann im Unterrichtsgespräch erörtert
werden. Auch die Anlaufphase (die ersten 30 Sekunden)
sollte mit den Schülern diskutiert werden, denn hier ist es
noch keine gleichförmige Bewegung.
Zusatzinformationen
Zum Zeit-Weg-Diagramm: Die Wahl der Achsenzuordnung
(Zeit in x-Richtung, Weg in y-Richtung) ist durch die angestrebte physikalische Interpretation des Schaubilds begründet. Die Steigung ist hier ein Maß für die Geschwindigkeit.
6
Körper in Bewegung
Die beschleunigte Bewegung (S. 16/17)
Aufgaben
1. a)
Zeit t in s
Geschwindigkeit v in m/s
0
0
1
3,5
2
7
3
10,5
4
14
5
17,5
6
21
7
24,5
b)
Geschwindigkeit v in m/s
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Zeit t in s
2. Nach 2 Sekunden beträgt s = 5,5 m;
nach 4 Sekunden beträgt s = 22 m;
nach 8 Sekunden beträgt s = 88 m.
7
Körper in Bewegung
Der freie Fall (S. 18/19)
Aufgaben
1. Die Luft bewirkt, dass der Fallschirmspringer nicht mit
450 km/h fällt. Die Reibungskraft der Luft wird mit zunehmender Geschwindigkeit immer größer und ist nach ca.
10 Sekunden genauso groß wie die Gewichtskraft des
Fallschirmspringers. Dann fällt der Sportler mit konstanter
Geschwindigkeit (ca. 200 km/h).
2. Berechnung: Man stellt die Formel s = g/2 · t² nach t um,
berechnet die Fallzeit und kann so mit v = g · t die Geschwindigkeit berechnen. Auf der Erde ist g = 9,81 m/s²,
auf dem Mond ist g = 1,62 m/s². Das Ergebnis dieser
Berechnungen ist eine Aufprallgeschwindigkeit von
14,03 m/s auf der Erde, auf dem Mond beträgt sie
5,69 m/s. Die Kugel auf der Erde kommt mit einer größeren Geschwindigkeit an. Auf der Erde ist die Fallbeschleunigung wesentlich größer als auf dem Mond.
Versuche
1. Je größer die Fallhöhe der Knetkugel ist, desto größer
sind die kinetische Energie und auch die Aufprallgeschwindigkeit der Kugel. Deshalb ist die Verformung
der Knetkugel deutlicher.
2. Dieser Versuch liefert sehr genaue Zeitmessungen. Bei
den Berechnungen kommt man auf eine Fallbeschleunigung von etwa 10 m/s². Im Zeit-Weg-Diagramm entsteht
eine Parabel. Auch daran ist klar erkennbar, dass es sich
beim freien Fall um eine beschleunigte Bewegung handelt.
8
Körper in Bewegung
Werkstatt: Die Kugel rollt (S. 20)
Versuch
Mit diesem Versuch soll der Begriff der gleichmäßig beschleunigten Bewegung nochmals verdeutlicht werden. Dazu
werden die Durchschnittszeiten in jedem Streckenabschnitt
bestimmt. Es zeigt sich, dass der zurückgelegte Weg proportional zum Quadrat der Zeit ist: s ~ t2
9
Körper in Bewegung
Strategie: Von der Beobachtung zum Gesetz (S. 21)
Aufgabe
1. Die Schwingungsdauer des Fadenpendels ist nur von
der Länge l des Fadens und von der Fallbeschleunigung
g abhängig, sie ist von der Masse und – bei kleiner
Amplitude – von der Maximalauslenkung unabhängig.
10
Körper in Bewegung
Brennpunkt: Sicherheitsabstand im Straßenverkehr (S. 23)
Aufgaben
1. Der Sicherheitsabstand nach der „2-Sekunden-Regel“
ist die Strecke, die man in 2 Sekunden durchfährt.
Man merkt sich einen markanten Punkt (z.B. einen Leitpfosten), an dem der Vordermann vorbeifährt und zählt
21, 22. Hat man nach 2 Sekunden oder später diesen
Punkt erreicht, so ist der Sicherheitsabstand eingehalten.
2. Verzögerung, mit der bei der Faustformel zur Abschätzung des Bremswegs gerechnet wird:
Berechnung am Beispiel
sB = 36 m bei v = 60 km/h = 16,7 m/s:
a = v2/2sB
a = 3,9 m/s2
Nach den Werten aus der Faustformel würde die Verzögerung 3,9 m/s2 betragen.
11
Körper in Bewegung
Anhalte- und Bremsweg (S. 24/25)
Aufgaben
1. Ein zu geringer Abstand zum Vordermann bei zu hoher
Geschwindigkeit ist die Hauptursache für Unfälle bei Nebel.
Die Faustformeln für den Bremsweg und den Sicherheitsabstand gelten nur für gute Straßen- und Sichtverhältnisse.
Bei Nebel hat der Vordermann nur noch eine Helligkeit
von ca. 85 %. Das vermindert die Entfernungseinschätzung erheblich.
2. Gegeben: v = 85 km/h = 23,61 m/s.
Gesucht: t
Lösung:
t=
s
v
t=
31 m
23,61 m/s
t = 1,31 s
Berücksichtigt man noch die Ansprechdauer der Bremsen
mit 0,3 Sekunden, dann ergibt sich eine Reaktionszeit von
t = 1,01 s.
3. Gegeben: v = 100 km/h, aB = 1,2 m/s2
Gesucht: Bremsweg sB
Lösung:
sB =
sB =
v2
2 aB
(27,8 m/s)2
2 · 1,2 m/s2
sB = 322,02 m
Der Bremsweg beträgt bei einer Verzögerung von
1,2 m/s2 etwa 322 m.
12
Körper in Bewegung
Trägheit (S. 26)
Versuch
1. a) Wird an dem unteren Faden langsam gezogen, so reißt
der obere Faden, da die Beschleunigung der Kugel sehr
klein ist.
b) Wird an dem unteren Faden nun ruckartig (also
schnell) gezogen, so ist die Beschleunigung der Kugel
sehr groß. Es reißt der untere Faden. Das geschieht aufgrund der Trägheit der Kugel, die bestrebt ist, im Ruhestand zu verbleiben.
13
Körper in Bewegung
Das Newton’sche Grundgesetz (S. 28/29)
Aufgaben
1. a) Gegeben: m = 1237 kg
a = 2,2 m/s²
Gesucht: F
Lösung: F = m · a F = 2721,4 N
Antwort: Die Kraft zum Beschleunigen des Autos
beträgt 2721,4 N.
b) Gegeben: m = 1537 kg
a = 2,2 m/s²
Gesucht: F
Lösung: F = m · a F = 3381,4 N
Antwort: Bei größerer Masse ist auch die erforderliche
Kraft größer. Sie beträgt nun 3381,4 N.
2. Zuerst sollte geklärt werden, ob man die Mindestmasse
oder die Höchstmasse festlegen muss.
Das Mindestgewicht ist mit 600 kg vorgeschrieben. Zu
diesen 600 kg gehören das Fahrzeug incl. Öl-, Bremsund Kühlflüssigkeit und der Fahrer mit Helm und im
Rennoverall. Je weiter jedoch die Rennautos unter diesem Mindestgewicht liegen, desto gezielter setzt man
Wolfram-Platten aus Schwermetall an verschiedenen
Stellen unter dem Fahrzeug ein. Diese dienen vorrangig
der besseren Balance und der gezielten Verlagerung des
Schwerpunktes.
14
Körper in Bewegung
Schlusspunkt (S. 33)
Aufgaben
1. Gegeben: t = 3 h
s = 2670 km
Gesucht: v
Das Flugzeug hat eine Durchschnittsgeschwindigkeit von
v = 890 km/h.
2. Gegeben: t = 30 min
s = 13,3 km
Gesucht: v
Hier muss zuerst die Zeit in 0,5 h umgerechnet werden.
Dann erhält man eine Durchschnittsgeschwindigkeit von
v = 26,6 km/h.
3. Gegeben: t = 45 min = 2700 s
s = 79 km = 79000 m
Gesucht: v
Die Durchschnittsgeschwindigkeit beträgt v = 29,26 m/s
(105,33 km/h).
4. a) Richtig, denn 130 km/h sind etwa 36 m/s.
b) Richtig, weil sich das Auto gleichförmig bewegt (halbe
Zeit, halbe Strecke).
c) Falsch, es fährt in dieser Zeit 325 km.
d) Richtig, dividiert man 130km/h durch 60 so erhält man
2,16 km/min.
5. a) Cathy Freeman:
v ≈ 8,1 m/s = 29,3 km/h
4x100-Meter-Staffel: v ≈ 9,5 m/s = 34,3 km/h
b) Bei der Staffel sprintete jede der vier Frauen jeweils
nur 100 m, Cathy Freeman musste dagegen 400 m
am Stück laufen.
6. „United States“: v = 36 kn ≈ 66,67km/h = 18,52 m/s
Radrennfahrer: v = 19,9 m/s
Der Radrennfahrer ist schneller.
7. 15 Meilen pro Stunde sind 24,14 km/h.
9. a) Zeit 5 s:
Fahrzeug 1:
ca. 75 m
Fahrzeug 2:
50 m
Fahrzeug 3:
ca. 15 m
Zeit 12 s: Fahrzeug 1:
ca. 170 m
Fahrzeug 2:
ca. 120 m
Fahrzeug 3:
ca. 35 m
Zeit 20 s: Fahrzeug 1:
300 m
Fahrzeug 2:
200 m
Fahrzeug 3:
50 m
b) Fahrzeug 1: v = 15 m/s = 54 km/h
Fahrzeug 2: v = 10 m/s = 36 km/h
Fahrzeug 3: v = 2,5 m/s = 9 km/h
10. Im Zeit-Weg-Diagramm entsteht eine ansteigende Gerade, da sich die Seilbahn gleichförmig bewegt.
Die Seilbahn bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von
etwa v = 3 m/s, das sind 10,8 km/h.
11. Gegeben: t = 5 s
v = 42 km/h = 11,6 m/s
Gesucht: a
Lösung: a = v / t = 11, 6 m/s / 5 s = 2,3 m/s2
Antwort: Die durchschnittliche Beschleunigung beträgt
2,3 m/s2.
t=8s
12. Gegeben: a = 2,45 m/s2
Gesucht: s
Lösung: s = ½ · a · t2 = ½ ·2,45 m/s2 · (8 s)2
s = 156,8 m
Antwort: Das Fahrzeug hat in 8 s eine Strecke von etwa
157 m zurückgelegt.
13. In den ersten 2 s legt der Körper 3 m zurück.
In den nächsten 2 s legt der Körper 9 m zurück.
In den nächsten 2 s legt der Körper 15 m zurück.
Der Weg wird in der gleichen Zeit immer größer, also
muss die Geschwindigkeit des Körpers größer werden. Es
handelt sich um eine beschleunigte Bewegung.
v = s/t = 3 m/2 s = 1,5 m/s
v = 12 m/4 s = 3 m/s
v = 27 m/6 s = 4,5 m/s
v = 48 m/8 s = 6 m/s
Die Geschwindigkeit wird größer, es handelt sich um eine
beschleunigte Bewegung.
Zeichnet man das s-t-Diagramm, so erhält man eine
Parabel. Es handelt sich also um eine beschleunigte Bewegung.
14. a) Im Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm entsteht eine
ansteigende Gerade, das Fahrzeug bewegt sich also
gleichmäßig beschleunigt.
b) Berechnung der Beschleunigung:
a = v/t
v = 108 km/h = 30 m/s
a = 30 m/s / 20 s
a = 1,5 m/s2
c) Zurückgelegter Weg des Fahrzeugs:
s = ½ · a · t2
t=0s
s=0m
t=2s
s=3m
t=4s
s = 12 m
t = 10 s
s = 75 m
t = 15 s
s = 169 m
t = 20 s
s = 300 m
15. Gegeben: g = 9,81 m/s, t = 2s
Gesucht: s
Lösung: s = ½ g t2
s = ½ · 9,81 m/s2 / (2 s)2
s = 19,6 m
Antwort: Der Schacht ist 19,6 m tief.
16. Gegeben: v = 100 km/h = 27,8 m/s aB = 8,5 m/s²
tF = 0,7 s
tB = 0,3 s
Gesucht: Anhalteweg
Lösung: Anhalteweg = Reaktionsweg + Ansprechweg +
Bremsweg
Reaktionsweg + Ansprechweg:
s = v · t = 27,8 m/s · (0,7 s + 0,3 s)
s = 27,8 m
Bremsweg: s = a/2 · t² mit t = v/a ist s = v²/2a
s = 45,5 m
Anhalteweg: 27,8 m + 45,5 m = 73,3 m
Antwort: Der PKW hat einen 73,3 m langen Anhalteweg.
15
Körper in Bewegung
17. Zunächst beschleunigt die Regionalbahn stark bis sie eine
Geschwindigkeit von etwa 22 m/s erreicht hat. Im nächsten Streckenabschnitt führt sie eine gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit durch. Anschließend
beschleunigt das Fahrzeug nochmals auf eine Geschwindigkeit von etwa 29 m/s. Die Fahrt verläuft zunächst mit
konstanter Geschwindigkeit, bis die Bahn plötzlich stark
abbremsen muss, dann aber kurz darauf wieder auf die
Ausgangsgeschwindigkeit beschleunigt.
18. Faustregel für den Bremsweg:
sB = v2/100
Faustregel für den Sicherheitsabstand:
„Halber Tacho“, d. h. s = ½ v
19. Die Wäschetrommel dreht sich mit einer hohen Geschwindigkeit. Dadurch werden die Wäschestücke an die
Trommel gepresst. Die Wäsche wird in der Trommel auf
einer Kreisbahn bewegt. Dabei wirkt eine auf den Mittelpunkt der Drehung gerichtete Kraft auf die Wäsche. Durch
diese Kraft werden die Wäschestücke an die Wand der
rotierenden Trommel gepresst. Die Trommel ist mit Löchern versehen. Durch diese Löcher kann das in der Wäsche enthaltene Wasser austreten.
16
20. Aufgrund der Trägheit des hinteren Fahrzeugs würde
wahrscheinlich das Seil reißen.
21. Gegeben: m = 1,5 t = 1500 kg
a = 3,9 m/s²
Gesucht: F
Lösung: F = m · a
F = 5850 N
Antwort: Die Kraft zum Beschleunigen beträgt 5850 N.
22. Gegeben: m = 900 kg F = 7,5 kN
Gesucht: a
Lösung: F = m · a
a = F/m = 7500 N/900 kg = 8,3 m/s2
Antwort: Das Fahrzeug erfährt eine Beschleunigung von
8,3 m/s2.
23. Das heißt, der Wagen beschleunigt aus dem Stand in
10,9 s auf eine Geschwindigkeit von 100 km/h.
Wird das Fahrzeug dabei gleichmäßig beschleunigt,
nimmt die Geschwindigkeit in jeder Sekunde um fast
10 km/h zu. Der Wagen hat also nach 1 s eine Geschwindigkeit von ca. 10 km/h erreicht, nach 2 s ca. 20 km/h
usw.
Elektromagnetismus
Strom und Magnetismus (S. 38/39)
Aufgaben
1.
a) In diesem Versuch soll die Stärke der Nadelbewegung in Abhängigkeit von der Windungszahl der Spulen untersucht werden. Deshalb muss die Stromstärke
durch alle Spulen konstant gehalten werden. Bei einer
Reihenschaltung ist die Stromstärke an allen Stellen
gleich.
b) Die Stärke des Magnetfeldes eines Elektromagneten
lässt sich verringern durch:
– eine geringere Windungszahl der Spule
– Weglassen des Eisenkernes
– eine geringere Stromstärke durch die Spule
2.
Dauermagnet
Elektromagnet
Dauermagnete sind von
einem Magnetfeld umgeben. Durch Eisenfeilspäne oder kleine Kompassnadeln kann der Verlauf
der Feldlinien sichtbar
gemacht werden.
Auch in der Umgebung
von stromdurchflossenen
Elektromagneten existieren Magnetfelder, die
durch Eisenfeilspäne
oder kleine Magnetnadeln nachgewiesen
werden können.
Dauermagnete haben
Nord- und Südpol. Die
Pole liegen fest.
Elektromagnete haben
ebenfalls Nord- und Südpol. Durch Umkehrung
der Stromrichtung lassen
sich die Magnetfelder
umpolen.
Die Stärke eines Dauermagneten bleibt normalerweise erhalten. Nur
durch sehr starke Erschütterungen oder Erwärmung kann er seine
Magnetkraft verlieren.
Die Stärke von Elektromagneten ist regelbar.
Elektromagnete kann
man abschalten.
Gleichnamige Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen einander an.
Auch hier gelten die Polgesetze.
Zwischen Magneten und
Körpern, die Eisen, Nickel oder Cobalt enthalten, wirken Anziehungskräfte.
Es gibt Anziehungskräfte
zwischen Elektromagneten und Körpern, die Eisen, Nickel oder Cobalt
enthalten.
Die magnetische Kraft
wirkt durch Papier, Pappe, Holz, Kunststoffe
usw. hindurch. Sie kann
durch Eisen, Nickel und
Cobalt abgeschirmt werden.
Die magnetische Kraft
wirkt durch Papier, Pappe, Holz, Kunststoffe
usw. hindurch. Sie kann
durch Eisen, Nickel und
Cobalt abgeschirmt werden.
17
Elektromagnetismus
Elektrische Leiter im Magnetfeld (S. 41)
Versuch
1. Zwischen die Pole eines Hufeisenmagneten wird ein
bewegliches Leiterstück gehängt.
a) Bei einem Strom durch das Leiterstück wird dieses
ausgelenkt.
b) Vertauscht man die Pole an den Anschlüssen des
Leiterstücks, so wird dieses in die entgegengesetzte
Richtung ausgelenkt.
c) Gleiches lässt sich durch Vertauschen der Magnetpole erreichen.
18
Elektromagnetismus
Drehbare Elektromagnete – Elektromotoren (S. 42/43)
Versuche
Durch die beiden Versuche sollen die Problematiken aufgezeigt werden, die bei der Entwicklung eines Elektromotors
auftreten.
Im Versuch 1a wird ein Elektromagnet hergestellt, indem ein
Kupferdraht auf eine Pappröhre oder einen runden Holzstab
gewickelt wird. Dieser Elektromagnet wird an eine Spannungsquelle (z.B. ein regelbares Netzgerät) angeschlossen
und in das homogene Magnetfeld eines Bügel- oder Hufeisenmagneten gehalten. Der Elektromagnet dreht sich, bis
sich ungleiche Pole von Elektromagnet und Hufeisenmagnet
gegenüber stehen. Den Schülerinnen und Schülern ist diese
Beobachtung bekannt, sie können deshalb erklären, wieso
eine Drehung des Elektromagneten zu beobachten ist.
Wenn die Anschlüsse der Spule vertauscht werden (Versuch
1b), dann polt sich das Magnetfeld des Elektromagneten um,
und es findet eine weitere Drehung statt. Durch diese Beobachtung können die Schülerinnen und Schüler erkennen,
dass zum Erreichen einer Drehbewegung ein ständiges
Umpolen der Spule nötig ist.
Auch die zweite Problematik wird erkennbar: Wenn sich der
Elektromagnet dreht, werden auch die Zuleitungen verdreht.
Dieses führt zur Einsicht, dass die Stromzuführung zum Rotor
eines Elektromotors nur mithilfe von Schleifkontakten erfolgen kann.
Die Funktion des Kommutators („Stromwenders“) wird im
Basistext und in den Abbildungen 4a – 4c näher erläutert.
Zusatzinformationen
Geschichte der Elektromotoren:
Nach der Entdeckung des Elektromagnetismus durch HANS
CHRISTIAN OERSTED setzte eine stürmische Entwicklung bei
der Konstruktion eines elektrisch betriebenen Motors ein.
Allein in den Jahren 1832 bis 1842 bauten mehr als 20 Konstrukteure die unterschiedlichsten Modelle. Es gibt deshalb
nicht „den“ Erfinder des Elektromotors, die Forscher entwickelten parallel die verschiedensten Typen und Bauformen.
Eines war bei allen Motoren gleich: Sie benötigten eine sehr
große Stromstärke und leisteten dafür sehr wenig. Für die
Dampfmaschinen, die damals vor allem Lokomotiven antrieben, waren diese Elektromotoren noch keine Konkurrenz.
Der Durchbruch für die Elektromotoren begann, als die ersten
Kraftwerke eine Versorgung mit elektrischer Energie sicherstellten. Durch die Schienen oder durch Oberleitungen konnten jetzt die Motoren in den Schienenfahrzeugen dauerhaft
mit elektrischer Energie versorgt werden. Im Jahr 1881 wurde
in Berlin die erste elektrisch betriebene Straßenbahn in Betrieb genommen, wenige Jahre später folgten Bahnen in
England und den USA. Das Ende der von Pferden gezogenen Bahnen hatte begonnen: In den USA stieg innerhalb der
nächsten zehn Jahre die Zahl der elektrischen Straßenbahnen von 200 auf 40 000 Fahrzeuge!
motoren, auch die ersten Automobilrennen wurden von Elektroautos gewonnen. Allerdings setzte das hohe Batteriegewicht ihrer weiteren Verbreitung eine Grenze – erst in der
heutigen Zeit gibt es Entwicklungen, diese Grenze zu überwinden.
Wechselstrommotoren:
Gleichstrommotoren, wie sie im Text des Schülerbuches
beschrieben werden, findet man hauptsächlich im KFZBereich und in batteriebetriebenen Spielzeugen wieder. Die
meisten der im Haushalt verwendeten Elektromotoren sind
„Wechselstrommotoren“.
Diese Motoren besitzen im Stator keine Dauermagnete,
sondern feststehende Statorspulen. Wenn sowohl die Rotorspule als auch die Statorspule an Wechselstrom angeschlossen werden, ändern sich ihre Magnetfelder im gleichen Takt.
Es spielt für die Funktion des Motors keine Rolle, ob sich im
Rotor und Stator zwei Nordpole oder zwei Südpole gegenüber stehen. Die Wirkung der Magnetpole aufeinander ist die
gleiche!
Literaturhinweis
Albert Kloss: Von der Electricität zur Elektrizität –
Ein Streifzug durch die Geschichte der Elektrotechnik,
Elektroenergetik und Elektronik
Birkhäuser Verlag Basel, Boston Stuttgart, 1987
Propyläen Technikgeschichte (herausgegeben von Wolfgang
König), Vierter Band (Netzwerke, Stahl und Strom,
1840 – 1918) und fünfter Band (Energiewirtschaft – Automatisierung – Information, seit 1914),
Ullstein Buchverlage GmbH, Berlin 1997
Aufgabe
Zusatzaufgaben:
1. Erkläre die Begriffe „Stator“, „Rotor“ und „Kommutator“.
Lösung:
Stator: Der feststehende Teil des Elektromotors. Er besteht aus dem Gehäuse und einem Dauer- oder Elektromagneten; Rotor: Der drehbare Teil des Elektromotors;
Kommutator: Er vertauscht bei jeder Umdrehung des Rotors zweimal die Anschlüsse der Rotorspule.
2. Wozu wird der Kommutator im Elektromotor verwendet?
Lösung:
Der Kommutator vertauscht bei jeder Umdrehung des Rotors zweimal die Anschlüsse der Rotorspule. Dadurch
sorgt der Kommutator für ein Umpolen des Magnetfeldes
an der Rotorspule.
3. Was verstehst du unter dem „Totpunkt“ des Rotors? Wie
lässt sich dieser Punkt vermeiden?
Lösung:
Wenn sich die ungleichen Magnetpole des Rotors und
des Stators genau gegenüber stehen, ist der Rotor im
Totpunkt. Mit einem Dreifachanker als Rotor gibt es keinen Totpunkt mehr.
Auch bei den Personenkraftwagen hatten die Elektroautos
anfangs die Nase vorn. In der Zeit um das Jahr 1900 waren
die Elektroautos eine ernsthafte Konkurrenz zu den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Viele Taxis fuhren mit Elektro-
19
Elektromagnetismus
Werkstatt: Ein einfacher Elektromotor (S. 44/45)
Zusatzinformationen
Hinweis: Bei der Herstellung der Spule muss besonders
sorgfältig gearbeitet werden, damit keine Unwucht entsteht.
Eventuell sollte man die Wicklung mithilfe von Klebeband
fixieren, da sich die Spule nach dem Wickeln wieder etwas
aufweitet.
Auch beim Entfernen des Lacks muss sorgfältig vorgegangen
werden, es ist darauf zu achten, dass beide Haltedrähte
tatsächlich gleichzeitig Kontakt zur Halterung haben.
20
Elektromagnetismus
Die elektromagnetische Induktion (S. 46/47)
Aufgaben
1. Wenn sich eine Spule in einem veränderlichen Magnetfeld befindet, dann wird eine Spannung induziert. Durch
das veränderliche Magnetfeld werden die Elektronen angetrieben, es entsteht zwischen den Leiterenden der Spule eine Ladungsdifferenz, also eine Spannung.
2. Das Lämpchen leuchtet nicht. In einer Spule findet nur
Induktion statt, wenn sie sich in einem veränderlichen
Magnetfeld befindet. Ruht der Magnet in der Spule, befindet diese sich aber im Einfluss eines konstanten Magnetfeldes.
3. Die Veränderlichkeit des Magnetfeldes wird durch Bewegung von Spule oder Magnet erreicht.
4. Ein Induktionsstrom fließt nur dann, wenn ein geschlossener Stromkreis verhanden ist.
5. Die Richtung des Induktionsstromes lässt sich umkehren
durch:
– die Umkehrung der Bewegungsrichtung von Spule oder
Magnet
– das Vertauschen der Magnetpole
6. Die Magnetfeldänderungen wurden in allen Versuchen
immer nur durch kurzzeitige Bewegungen erreicht.
21
Elektromagnetismus
Wie lässt sich die Induktionsspannung
vergrößern? (S. 48)
Zusatzinformationen
Aufgabe
1. – Je größer die Windungszahl der Spule, desto größer ist
Uind.
– Je stärker der Magnet, desto größer ist Uind.
– Je schneller die Bewegung von Magnet oder Spule
erfolgt, desto größer ist Uind.
Werkstatt: Induktion im Versuch (S. 49)
Versuche
1. Durch diesen Versuch soll FARADAYs historisches Experiment zur Entdeckung der Induktion verdeutlicht werden.
Dazu wird ein kleiner Transformator aufgebaut, dessen
Eisenkern aus einer einfachen M6- oder M8-Stahlschraube besteht. Durch die in der Schraube entstehenden Wirbelströme sind die „Verluste“ allerdings sehr
hoch, deswegen lässt sich der Induktionsstrom nur mithilfe einer so genannten „low-current-LED“ nachweisen, die
bereits bei einer Stromstärke von ca. 1 mA aufleuchtet.
Der höchste Induktionsstrom entsteht, wenn der Stromfluss zur ersten Spule unterbrochen wird. Da Leuchtdioden nur eine Stromrichtung zulassen, muss man evtl. die
Batterieanschlüsse an der ersten Spule vertauschen.
Der Kupferlackdraht lässt sich – ebenso wie für Versuch 2 – am besten in einer Ankerwicklerei besorgen.
Die Adressen findet man in den „gelben Seiten“ des Telefonbuches (nachschlagen unter „Elektromaschinen und
-motoren“). Dort wird der Kupferdraht meistens nach Gewicht und nicht nach Länge abgerechnet. Der Preis ist
erheblich günstiger als beim Kauf im Elektronik- oder
Baumarkt.
2. Damit dieses aufwändigere Experiment sicher gelingt,
sollte man auf mehrere Dinge achten. Die Rundmagnete
müssen möglichst stark sein und einen Durchmesser besitzen, der nicht viel kleiner als der Innendurchmesser der
Kugelschreiberhülle ist. Je stärker die Magnete sind, desto heller blitzt die Mikroglühlampe auf. Leuchtdioden eignen sich für diesen Versuch nicht, sie benötigen eine bestimmt Mindestspannung, bei der sie leitend werden.
Unter Umständen wird diese Mindestspannung nicht erreicht.
Es ist zeitaufwändig, die 70 m Kupferlackdraht „von
Hand“ auf die Hülle des Kugelschreibers zu wickeln. Außerdem gelingt es häufig nicht, die einzelnen Windungen
dicht zu wickeln. Spannt man – unter Beachtung der Sicherheitsvorschriften – die Kugelschreiberhülle in das
Futter eines Akkuschraubers ein, lassen sich die Windungen direkt auf die Kugelschreiberhülle aufwickeln.
Das Aufblitzen der Mikroglühlampe kann man in einem
abgedunkelten Raum besser erkennen. Bein Schütteln
kommt es darauf an, dass sich der Magnet möglichst
schnell bewegt, durch kräftiges Schütteln „aus dem
Handgelenk“ lässt sich das am besten erreichen.
22
Schon vor 1830 führte MICHAEL FARADAY Versuche zur Umwandlung von „Magnetismus“ in „Elektrizität“ durch. Die ersten Versuche scheiterten jedoch an der mangelnden Empfindlichkeit der Messgeräte zu seiner Zeit. So gelang
FARADAY erst im August 1831 das bahnbrechende Experiment: FARADAY entwickelte einen ringförmigen Kern aus
Weicheisen, der mit zwei Wicklungen aus Kupferdraht umgeben ist. Eine Spule (die Primärspule) verband er mit einer
Batterie, die zweite Spule (Sekundärspule) schloss er an ein
empfindliches Galvanometer an. Beim Öffnen und Schließen
des Batterieanschlusses beobachtete er einen Ausschlag des
Galvanometers. Er schloss daraus: „Durch den … Versuch
zeigte sich also eine deutliche Umsetzung von Magnetismus
in Elektrizität …“.
Literaturhinweis
Michael Faraday: 1791 – 1867
Beck, München 1991
Experimentaluntersuchungen über Elektricität, von Michael
Faraday
Wilhelm Engelmann, Leipzig, 1896
Michael Faradays Leben und Wirken. Neudruck der Ausgabe
von 1900
Dr. Martin Sändig oHG, Wiesbaden 1965
Elektromagnetismus
Wechselspannung und Wechselstrom (S. 50/51)
Aufgaben
1. Bei der Wechselspannung ändern sich Betrag und Polung mit der Zeit, beim Wechselstrom ändern sich der
Betrag und die Stromrichtung.
2. Gleichspannung:
– Pole liegen fest
– konstanter Betrag der Spannung
Wechselspannung:
– Polung wechselt ständig
– veränderlicher Betrag der Spannung
Gleichstrom:
– konstante Stromrichtung
– konstanter Betrag der Stromstärke
Wechselstrom:
– Stromrichtung wechselt ständig
– veränderlicher Betrag der Stromstärke
23
Elektromagnetismus
Von der Induktion zum Generator (S. 52)
Versuche
Der Aufbau und die Funktion eines Generators wird anhand
eines Bauteils aufgezeigt, das jedem Schüler bekannt ist:
dem Fahrraddynamo.
Im ersten Teil des Versuches wird das Antriebsrädchen mit
der Hand angedreht. Dabei kann man zwei Beobachtungen
machen. Erstens leuchtet das Lämpchen bei schneller Drehung heller auf – ein Hinweis auf das Induktionsgesetz (je
schneller sich das Magnetfeld ändert, desto größer ist die
Induktionsspannung). Zweitens flackert das Lämpchen – ein
Hinweis auf den entstehenden Wechselstrom. Wenn eine
Leuchtdiode anstelle des Lämpchens verwendet wird, muss
das Antriebsrädchen nicht so schnell gedreht werden und
das ständige An- und Ausgehen lässt sich besser beobachten.
Beide Hinweise werden im zweiten Teil des Versuches durch
das Amperemeter verdeutlicht. Hier lässt sich die Stromstärke ablesen und zusätzlich beobachten, dass sich die Richtung des Stromes ständig ändert.
Zusatzinformationen
Der Fahrraddynamo ist eine Anwendung des Innenpolgenerators. Zu der Vorstellung, dass durch die Rotation des Magneten in der Spule Wechselspannung erzeugt wird, kommt
ein weiterer Aspekt: Ganz wesentlich ist nämlich der Eisenkäfig, in den die Spule eingelassen ist. Würde man diesen
ausbauen und den Magneten – so wie oben gesagt – nur in
der Spule rotieren lassen, würde man eine viel geringere
Spannung erhalten. Im Weiteren soll daher die Funktionsweise des Fahrraddynamos genauer betrachtet werden.
Aufbau
Induktionsspule: Ein Ende des Spulendrahtes ist mit dem
Dynamogehäuse, das andere mit dem isoliert herausgeführten Anschluss auf der Dynamounterseite verbunden.
Die Spule ist mit einem Weicheisenkern ausgefüllt, an dessen Unterseite vier Streifen aus Weicheisen angebracht sind,
die an der Spulenaußenseite nach oben gezogen sind.
Auf der Oberseite der Spule sitzt wiederum ein Weicheisenkäfig, dessen Eisenstreifen sind gegenüber denen des unteren Käfigs versetzt.
In dem aus den acht Eisenstreifen gebildeten Käfig rotiert ein
Magnet, der mehrere Nord- und Südpole besitzt. Das Feld
dieses komplexen Magneten aus Keramikmaterial kann
durch Eisenfeilspäne dargestellt werden (siehe Abbildung).
Funktionsweise
Die Pole des rotierenden Magneten erzeugen durch magnetische Influenz in dem Eisenstreifen, an dem sie gerade vorbei
rotieren, einen magnetischen Gegenpol.
Wenn im unteren Käfig ein magnetischer Nordpol entsteht,
dann entsteht zum gleichen Zeitpunkt im oberen Käfig ein
magnetischer Südpol.
Bei Rotation des Magneten ändert sich also ständig die Richtung des Magnetfeldes, welches die Spule durchsetzt. Dadurch entsteht durch Induktion eine höhere Wechselspannung in der Spule.
Medienhinweise
Es gibt im Internet viele animierte Abbildungen zur Funktion
eines Fahrraddynamos. Sehr gut sind auch die entsprechenden Web-Seiten des Deutschen Museums in München
Aufgaben
Zusatzaufgaben:
1. Der Fahrraddynamo erzeugt Wechselstrom. Müssten
nicht ständig die Glühlampen am Fahrrad flackern?
Begründe!
(Das Flackern der Lampe ist aufgrund der hohen Frequenz des erzeugten Wechselstroms nicht zu erkennen.)
2. Welche Vorteile hat es, wenn der rotierende Magnet im
Fahrraddynamo mehrere Nord- und Südpole besitzt?
(Durch die höhere Anzahl von Magnetpolen ändert sich
das Magnetfeld häufiger, dadurch steigen die Stärke und
die Frequenz des induzierten Wechselstroms.)
Werkstatt: Der „Mikrogenerator“ (S. 53)
Zusatzinformationen
Der „Mikrogenerator“ ist einfach nachzubauen und funktioniert zuverlässig, wenn entsprechend starke Dauermagnete
verwendet werden. Bewährte Dauermagnete bietet z. B. die
Firma „Conrad-Electronic“ (www.conrad.de) an. Der „NdFeBMagnet“ mit den Abmessungen 20 x 10 x 4 mm (Best. Nr. 50
36 22 – 07) bringt die Mikroglühlampe auch bei geringerer
Umdrehungszahl zum Leuchten.
Auch eine 40-mA-Taschenlampen-Glühlampe leuchtet gut
sichtbar bei Verwendung dieses Magneten auf, allerdings
muss der Rotor dann sehr schnell gedreht werden.
Der Kupferlackdraht sollte günstig in einer Ankerwicklerei
besorgt werden. Die Adressen findet man in den „gelben
Seiten“ des Telefonbuches (nachschlagen unter „Elektromaschinen und -motoren“). Dort wird der Kupferdraht meistens nach Gewicht und nicht nach Länge abgerechnet, der
Preis ist meistens erheblich günstiger als im Elektronik- oder
Baumarkt.
24
Elektromagnetismus
Brennpunkt: Generatoren (S. 54/55)
Versuche
Im Versuch 1 a wird ein Innenpolgenerator aufgebaut. Die
drehbare Spule (die Rotorspule) wird an den Gleichspannungsausgang eines Netzgerätes angeschlossen und erzeugt das Magnetfeld. Wenn man die Rotorspule dreht, verändert sich an den feststehenden Spulen (den Statorspulen)
das Magnetfeld und es wird ein Wechselstrom induziert, der
vom Amperemeter angezeigt wird.
Viele schultypische Netzgeräte besitzen zwar einen Gleichspannungsanschluss, an diesem steht jedoch häufig nur eine
pulsierende Gleichspannung zur Verfügung, d.h. eine Spannung, die nicht konstant ist. Dadurch kann es schon ohne
Drehung des Rotors zu einer Induktion an den Statorspulen
kommen.
Tauscht man die Statorspulen gegen einen Dauermagneten
aus (z.B. durch einen Hufeisen- oder Bügelmagneten), erhält
man einen Außenpolgenerator (Versuch 1b). Auch er erzeugt
Wechselstrom, den man durch das Amperemeter nachweisen
kann. An dieser Stelle ist es sinnvoll, einmal den Gleichstrombereich des Amperemeters einzustellen. Es wird nur
einen kleinen Ausschlag zeigen.
Anders im Versuch 1c. Der Kommutator vertauscht periodisch die Pole des Rotors, sodass ein pulsierender Gleichstrom entsteht. Jetzt zeigt das Amperemeter auch im Gleichstrombereich einen Wert an.
Zusatzinformationen
Der erste Generator wurde 1832 von den Franzosen PIXII
gebaut. Er bestand aus einem Hufeisenmagneten der vor
zwei hintereinander geschalteten Spulen rotierte. Dabei
änderte sich an den Spulen das Magnetfeld und es wurde so
eine Wechselspannung induziert. Da man zu dieser Zeit nur
an Gleichstrom interessiert war, baute man einen Kommutator ein, der dann pulsierenden Gleichstrom lieferte.
durch eine oder mehrere Spulen erzeugt, die von Gleichstrom durchflossen werden.
Von einem Innenpol-Generator spricht man, wenn sich die
Spulen für das Erregerfeld am Rotor befinden. Die Stromzuführung zum Rotor erfolgt über Schleifringe. In diesem Fall
durchsetzen die magnetischen Feldlinien des Rotors die
Wicklungen des Stators und induzieren in ihnen eine Wechselspannung. Die Generatoren in den Kraftwerken sind Innenpolmaschinen.
Wenn sich die Spulen für das Erregerfeld am Stator befinden,
spricht man von einem Außenpol-Generator. In diesem Fall
durchsetzen die magnetischen Feldlinien des Stators die
Wicklungen des Rotors und induzieren in ihnen eine Wechselspannung. Über einen Kommutator, auch Polwender
genannt, wird die erzeugte Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Außenpolmaschinen werden vorwiegend
nur als Hilfsgeneratoren oder Erregermaschinen verwendet.
Mit ihnen wird die Spannung erzeugt, die für das Magnetfeld
notwendig ist
Literaturhinweis
Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland –
Teil 1: Die Anfänge bis etwa 1890
Hrsg. G. Dettmar
1989
ISBN: 3-8007-1568-6
Die Entwicklung der Starkstromtechnik in Deutschland –
Teil 2: Von 1890 bis 1920
Hrsg. G. Dettmar und K. Humburg
1991
ISBN: 3-8007-1699-2
Lexikon der Elektrotechniker
Hrsg. Kurt Jäger
Berlin, Offenbach: 1996
ISBN: 3-8007-2120-1
Nach 1854 baute man verschiedene Generatoren, um damit
die Energie für Bogenlampen in Leuchttürmen bereitzustellen. Um aber höhere Spannungen und Stromstärken zu
produzieren, reichten die einfachen Stab- oder Hufeisenmagnete nicht aus. Dafür brauchte man Elektromagnete, weil
diese stärker sind und die Magnetfeldstärke nicht mit der Zeit
abnimmt. Diese mussten allerdings mit Batterien oder einem
zweiten Generator betrieben werden.
WERNER VON SIEMENS machte dazu 1866 die entscheidende
Entwicklung. Er nutzte dabei einen Teil des im Generator
erzeugten Stromes zur Erregung des Magnetfeldes. Je mehr
Strom der Generator erzeugt, desto mehr Strom steht zur
Erregung des Magnetfeldes zur Verfügung. Dieser Prozess
setzt sich so lange fort, bis der Generator die vorgesehene
Energie liefert, diese Generatoren nennt man dann Dynamomaschinen. Durch diese Entdeckung konnte man nun größere und leistungsfähigere Generatoren zur Stromerzeugung
bauen. So wurde 1884 in Berlin ein Elektrizitätswerk in Betrieb genommen, das zwei Gaststätten beleuchtete.
Ein Generator besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: dem
feststehenden Teil, dem Stator, und dem rotierenden Teil,
dem Rotor. Das Magnetfeld, auch Erregerfeld genannt, wird
25
Elektromagnetismus
Der Transformator (S. 56/57)
Auf dieser Doppelseite geht es hauptsächlich um qualitative
Betrachtungen der Vorgänge bei einem Transformator, noch
nicht um die entsprechenden Formeln. Mithilfe der vorgeschlagenen Versuche sollen die Schüler die grundsätzliche
Funktionsweise eines Trafos kennen lernen. Dabei geht es
zunächst um zwei Erkenntnisse:
1. Mithilfe eines Trafos kann elektrische Energie ohne leitende Verbindung von einem Stromkreis auf einen zweiten übertragen werden.
2. Mithilfe eines Trafos können Spannungen (Stromstärken)
verändert werden. Dabei sollte unbedingt auf die mögliche
Gefährdung von Menschen beim Umgang mit Trafos eingegangen werden. Da das vorhandene Versuchsmaterial an
den Schulen sehr unterschiedlich ist, müssen sämtliche Versuche an die Gegebenheiten angepasst und vor Durchführung vom Lehrer kontrolliert werden.
Versuche
1.
26
a) und b) Bei beiden Versuchen sind die Windungszahlen gleich und werden nicht verändert. Ohne Eisenkern leuchtet ein angeschlossenes Lämpchen nur
äußerst schwach. Wird gleichzeitig der Eisenkern
eingeschoben, leuchtet das Lämpchen immer heller.
Bei Verwendung eines geschlossenen Eisenkerns
leuchtet das Lämpchen am hellsten. Mögliche Erklärung durch die Schülerinnen und Schüler je nach
Kenntnisstand: Auch ohne leitende Verbindung zwischen den zwei Spulen wird Energie von der ersten
auf die zweite Spule übertragen. Bei Verwendung eines Eisenkerns erfolgt eine wesentlich bessere Energieübertragung vom Primär- auf den Sekundärkreis
des Trafos.
Oder: Der Eisenkern verstärkt das Magnetfeld der
Primärspule und überträgt es auf die Sekundärspule.
Dadurch wird auch in der Sekundärspule eine höhere
Spannung induziert.
c) und d) Wegen der unterschiedlichen Windungszahlen
leuchtet das Lämpchen unterschiedlich hell. Vermutung: Da jeweils das gleiche Lämpchen verwendet
wird, liegen an der Sekundärspule unterschiedliche
Spannungen an. Diese hängen von der verwendeten
Spulenkombination ab.
d) Durch Verwendung anderer Spulen und Spulenkombinationen bzw. durch Anlegen einer höheren Primärspannung kann das Lämpchen noch heller leuchten.
Spulenkombination: Die Sekundärspule hat mehr
Windungen als die Primärspule. Sicherheitshinweis:
Der Lehrer bzw. die Lehrerin muss die Versuchsvorschläge der Schülerinnen und Schüler unbedingt vor
der Durchführung kontrollieren, damit eine Gefährdung der Schüler sowie die Zerstörung des Lämpchens vermieden werden kann.
Aufgaben
1. Der Transformator funktioniert nur mit Wechselspannung.
Bei Verwendung von Gleichspannung leuchtet das
Lämpchen nur jeweils beim Einschalten und Ausschalten
kurz auf. Wenn Gleichstrom fließt, bleibt das Magnetfeld
konstant. Nur beim Ein- und Ausschalten ändert sich das
Magnetfeld, somit wird auch nur dabei eine Sekundärspannung induziert.
2. Die Primärspule (Feldspule) ist die Spule, mit der das
wechselnde magnetische Feld erzeugt wird. Die Sekundärspule wird auch als Induktionsspule bezeichnet, weil in
ihr eine Spannung induziert wird.
3. Anhand der Beobachtungen zu den Versuchen 1c) und
1d) können die Schüler Überlegungen anstellen, wie z.B.
ein Trafo für ein Handy aufgebaut sein könnte. Dabei
geht es auch hier wieder um grundsätzliche Betrachtungen, nicht um z.B. genaue Spulenkombinationen. Vorschlag: Mithilfe des Trafos muss die Netzspannung
(230 V) auf ca. 3,6 V verkleinert werden. Demzufolge
muss die Sekundärspule wesentlich weniger Windungen
als die Primärspule haben. Beim Trafo im Ladegerät liegt
die Primärspule an 230 V Wechselspannung an. Die Sekundärspule hat einen eigenen Stromkreis und führt zum
Akku des Handys.
Elektromagnetismus
Der Transformator liefert Spannung nach
Bedarf (S. 58/59)
Versuch
Anhand der Versuchsergebnisse können die Schülerinnen
und Schüler den genauen Zusammenhang zwischen Windungszahlen und den Spannungen erkennen. Auch hier
sollten sämtliche Versuche an das vorhandene Material an
den Schulen angepasst und vor Durchführung vom Lehrer
kontrolliert werden.
Aufgaben
1. a) Im Ladegerät befindet sich die Primärspule (viele
Windungen) mit dem Eisenkern. Die Primärspule ist
an die Netzspannung (230 V) angeschlossen. Im unteren Teil der Zahnbürste befindet sich die Sekundärspule (wenige Windungen), die zum Akku der Zahnbürste führt. Beim Aufsetzen der Zahnbürste auf den
Zapfen (mit Eisenkern) des Ladegeräts wird durch die
Wechselspannung an der Primärspule eine Wechselspannung in der Sekundärspule induziert.
b) Durch eine leitende Verbindung zwischen beiden
Spulen würde auch an der Sekundärspule eine Spannung von ca. 230 V anliegen.
c) Richtige Anordnung: Die Spule mit 2000 Windungen
muss die Primärspule sein und liegt an 230 V Wechselspannung an. Die Windungszahl der Sekundärspule (an Zahnbürste) wird berechnet:
n2 =
U2
U1
n2 =
4,6 V
230 V
·n1
· 2000
n2 = 40
2. geg.: n1 = 500, n2 = 23000, U1 = 230 V
ges: U2
U2 =
n2
· U1
n1
Rechnung:
U2 =
23000
· 230 V
500
U2 = 10580 V
27
Elektromagnetismus
Stromstärke beim Transformator (S. 60/61)
Der einführende Lehrerversuch im Bild 1 provoziert bei den
Schülerinnen und Schülern einen Widerspruch zu ihren bisherigen Erkenntnissen. Einerseits wird die Spannung stark
verkleinert, dadurch werden die meisten Schülerinnen und
Schüler den Versuch zunächst als „ungefährlich“ einstufen.
Andererseits signalisiert der glühende Nagel den Schülern
„Gefahr“.
Allen sollte bewusst werden, dass mit einem Trafo nicht nur
hohe Spannungen, sondern auch hohe Stromstärken erzeugt
werden können.
Anhand der Messwerte im Versuch 1b) oder im Bild 3 werden
die Verhältnisse der Stromstärken und der Windungszahlen
verglichen.
Aufgaben
1. geg.: I1 = 3 A; n1 = 500; n2 = 5
ges.: I2, RNagel
I2 =
n1
· I1
n2
Rechnung:
I2 =
500
·3A
5
I2 = 300 A
Versuch
1.
a) Die Stromstärken im Primär- und Sekundärstromkreis
des Trafos hängen nicht nur von der verwendeten
Spulenkombination, sondern auch vom angeschlossenen Elektrogerät ab. Bei einem Transformator bewirkt eine höhere Sekundärstromstärke (höhere Belastung) auch eine Erhöhung der Primärstromstärke.
b) Stromstärkeübersetzung beim Trafo: Anhand der
Versuchsergebnisse erkennen die Schüler, dass sich
die Stromstärken annähernd umgekehrt wie die Windungszahlen verhalten. Gut geeignet für den Versuch
sind Trafos, deren Sekundärkreis möglichst stark belastet ist.
Aber auch hier müssen die Materialien (Spulen,
Lämpchen etc.) entsprechend den Gegebenheiten
angepasst werden.
Berechnung von Eingangs- und Ausgangsleistung:
PE = U1 · I1
PA = U2 · I2 = (U1 · n1) · (I1 / n1) = U1 · I1
Die Eingangs- und die Ausgangsleistung sind etwa gleich
groß.
2. Die Spannungen verhalten sich umgekehrt wie die
Stromstärken (idealer Transformator).
Es gilt:
n1
=
n2
U1
n1
I2
und
=
U2
n2
I1
Damit gilt auch:
U1
I2
=
I1
U2
Hinweis: Anhand dieser Gleichung kann die Gleichung
zur Betrachtung der Energieverhältnisse am idealen Trafo
abgeleitet werden. Nach Umformung gilt:
U1 · I1 = U2 · I2
P1
= P2
3. Hochspannungstrafo: Die Sekundärwindungszahl ist
wesentlich höher als die Primärwindungszahl.
Hochstromtrafo: Die Primärwindungszahl ist wesentlich
höher als die Sekundärwindungszahl. Der Trafo ist belastet.
28
Elektromagnetismus
Anwendungen von Hochstromtransformatoren (S. 62/63)
Bei Induktionsherden gibt es keinen gemeinsamen Eisenkern. Damit die elektrische Energie dennoch möglichst effektiv auf den Topfboden übertragen werden kann, wird zum
Betrieb ein Wechselstrom mit einer Frequenz von ca. 25 kHz
verwendet. Im Gerät wird der Netzstrom (50 Hz) in hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt.
Dieser Wechselstrom verursacht ein sich schnell änderndes
Magnetfeld, das auch den metallischen Boden des Topfes
durchsetzt. Durch das magnetische Wechselfeld wird im
Topfboden eine Spannung induziert. Die dadurch im Topfboden fließenden Wirbelströme führen zur schnellen Erwärmung des Topfbodens.
Voraussetzung ist die Verwendung von speziellen Töpfen mit
einem magnetisierbaren (ferromagnetischen) Boden. Dazu
geeignet sind Töpfe mit einem Boden aus z.B. Gusseisen,
nicht aber aus Edelstahl.
Aufgaben
1. geg.: n1 = 25
ges.: I2
Rechnung:
I2 = 1000 A ·
n2 = 1
I1 = 1000 A
25
1
I2 = 25000 A
2. Vorteile: Die Kochstelle muss nicht mehr vorgeheizt werden, denn die Wärme wird direkt im Topfboden erzeugt.
Nach Beendigung des Kochvorgangs oder wenn der Topf
von der Kochstelle genommen wird, fällt keine (ungenutzte) Restwärme der Kochstelle an. Wenn kein Topf auf der
Kochstelle steht, erfolgt auch keine Energieübertragung.
Dadurch wird wesentlich weniger Wärme an die Umgebung abgestrahlt. Der Energieverbrauch wird gesenkt.
Ein Induktionsherd sorgt für schnelles und umweltschonendes Kochen. Auf notwendige Veränderung der Temperatur beim Kochen reagiert der Induktionsherd sofort.
Die Leistung kann exakt eingestellt werden.
Die Kochstellen werden nicht beheizt, daher besteht an
diesen kaum Verbrennungsgefahr. Die Kochstelle wird
lediglich durch den heißen Topfboden etwas erwärmt.
Nachteile: Anschaffungskosten für das Gerät und die
speziellen Töpfe.
29
Elektromagnetismus
Schlusspunkt (S. 67)
Aufgaben
1. Der Elektromagnetismus beschreibt die Zusammenhänge
zwischen dem elektrischen Strom und dem Magnetismus.
So entsteht z.B. um einen stromdurchflossenen Leiter ein
magnetisches Feld, umgekehrt wird durch ein sich änderendes Magnetfeld in einer Leiterschleife eine elektrische
Spannung induziert.
2. Im einfachsten Fall besteht ein Elektromagnet aus einem
stromdurchflossenen Draht. (Um jeden stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld.) Die magnetische Wirkung wäre aber äußerst schwach. Das Magnetfeld wird
verstärkt durch Verwendung einer Spule mit vielen Windungen, durch Verwendung eines Eisenkerns und durch
eine höhere Stromstärke in der Spule.
3. a) Modell der Elementarmagnete: In einem unmagnetisierten Eisenkern liegen die Elementarmagnete völlig
ungeordnet. Das Magnetfeld im Innern der stromdurchflossenen Spule durchsetzt auch den Eisenkern.
Dadurch richten sich die Elementarmagnete im Eisen
entsprechend dem Magnetfeld der Spule aus. Der Eisenkern wird selbst zum Magneten und verstärkt damit das Magnetfeld der Spule.
b) Hohe Windungszahlen der Spule, Verwendung eines
Drahtmaterials mit geringem Widerstandswert, Eisenkern, große Stromstärke
4. a) Wichtig ist eine Relativbewegung zwischen Spule und
Magnet, damit sich das Magnetfeld, das die Spule
durchsetzt, ändert.
b) Keine Spannung wird z.B. induziert, wenn sich Magnet und Spule gemeinsam in die gleiche Richtung
bewegen/drehen oder wenn z.B. ein Stabmagnet (ohne Lageveränderung) in der Spule gedreht wird. In
diesen Fällen erfolgt keine Magnetfeldänderung bezüglich der Spule.
5. Beispiele dafür sind: Verwendung einer Spule mit hoher
Windungszahl und niedrigem Widerstandswert, Verwendung eines starken Dauermagneten, schnellere Relativbewegung zwischen Dauermagnet und Spule, An- und
Ausschalten eines starken Elektromagneten usw.
3. Gleichnamige Magnetpole an der Rotorspule und der
Statorspule stoßen sich ab, ungleichnamige Magnetpole ziehen sich an.
4. Der Rotor dreht sich, bis sich ungleichnamige Magnetpole an Rotor- und Statorspule gegenüber stehen.
5. Die Schleifkontakte am Kommutator wechseln auf
den anderen Halbring.
6. Die Stromrichtung in der Rotorspule ändert sich und
das Magnetfeld der Rotorspule wird umgepolt.
7. Der Rotor dreht sich eine halbe Umdrehung weiter.
8. siehe 5.
10. Links oben: Der Rotor dreht sich gegen den Uhrzeigersinn.
Mitte oben: Der Rotor dreht sich gegen den Uhrzeigersinn.
Rechts oben: Der Rotor befindet sich im Totpunkt, er
dreht sich nicht.
Links unten: Der Rotor dreht sich im Uhrzeigersinn.
Mitte unten: Der Rotor dreht sich im Uhrzeigersinn.
Rechts unten: Der Rotor dreht sich im Uhrzeigersinn.
11. Es wird Wechselspannung induziert. Bei geschlossenem
Stromkreis fließt Wechselstrom. Erläuterung: Der Dauermagnet im Dynamo hat meist 6 bis 8 Nord- und Südpole.
Er ist mit dem Rädchen am Dynamo fest verbunden.
Wenn das Rädchen gedreht wird, dann kommt es dadurch zu einer ständigen Umpolung des Magnetfelds,
welches die Spule durchsetzt.
12. Die induzierten Spannungen unterscheiden sich in Größe
und Polung: bei a), b) und d) wird eine Spannung gleicher
Polung induziert, allerdings ist sie in Fall b) am größten,
bei a) am kleinsten. In Fall c) wird eine Spannung mit
umgekehrten Vorzeichen induziert, deren Stärke zwischen d) und b) liegt.
Komplexe Aufgabe
1. a) Eine solche Speicherschaltung lässt sich mit einem
Standardrelais aufbauen. Hier sind drei Schaltungen
denkbar. In allen Fällen muss erreicht werden, dass
der Steuerstromkreis nach Betätigen des Tasters weiterhin geschlossen bleibt.
Beispielschaltung:
6. Nein, denn es erfolgt keine Magnetfeldänderung.
7. a) Ein Induktionsstrom fließt, wenn eine Spannung induziert wird und der Spulenstromkreis geschlossen ist.
b) Der Induktionsstrom kann die Richtung wechseln z.B.
beim An- und Ausschalten eines Elektromagneten,
beim Einführen und Herausziehen eines Dauermagneten in die/aus der Spule, durch Umkehrung der
Magnetfeldpolung.
8. a) Es wird eine Spannung induziert.
b) Es wird keine Spannung induziert. (Es existiert zwar
ein Magnetfeld, dieses ändert sich aber nicht.)
c) Es wird eine Spannung induziert, allerdings mit umgekehrter Polung im Vergleich zu a).
9. 1. Die Rotorspule wird an eine Spannungsquelle angeschlossen.
2. Die Rotorspule wird zum Elektromagneten.
30
Die abgebildete Schaltung hat den Nachteil, dass Relais und Summer nach Betätigen des Tasters in Reihe
geschaltet sind. Aufgrund der Bauteile kann nun eine
zu hohe Spannung an Relais oder Summer liegen,
sodass die Geräte beschädigt werden. Andererseits
kann die Spannung am Relais zu niedrig sein, sodass
der Schaltvorgang wieder unterbrochen wird.
b) Eine solche Schaltung kann man als Alarmanlage
einsetzen.
Der elektrische Widerstand
Der elektrische Strom wird gehemmt (S. 72/73)
Auf dieser Doppelseite geht es zunächst nur um den Widerstand als physikalische Eigenschaft von elektrischen Bauteilen – der elektrische Strom wird gehemmt. In den Bildern 1
bis 3 wird deutlich, dass die verschiedenen Bauteile den
Strom behindern – man erkennt, dass die Testlampe unterschiedlich hell leuchtet.
Versuch
1. Die Versuche sollen den Zusammenhang zwischen
Stromstärke, Spannung und Widerstandseigenschaft des
Bauteils qualitativ verdeutlichen. Die Testlampe wird
durch ein Amperemeter ersetzt. Die Schüler können viele
weitere verschiedene Geräte auf ihre Widerstandseigenschaften überprüfen.
a) U bleibt konstant. Die Schüler erkennen hier die Parallelität zu den Bildern 1 bis 3. Je größer der Widerstand des Bauteils, desto kleiner ist die gemessene
Stromstärke.
b) I bleibt konstant, U muss dafür entsprechend variiert
werden. Je größer der Widerstand des Bauteils, desto
größer ist die Spannung, die eingestellt werden muss.
Zusatzinformationen
Weder Lampe noch Motor oder Bleistiftmine sind ohmsche
Widerstände, daher sind ihre Widerstandswerte nicht konstant. Es geht hier lediglich um den Nachweis, dass unterschiedliche Bauteile bzw. Geräte den elektrischen Strom
unterschiedlich hemmen.
31
Der elektrische Widerstand
Der elektrische Widerstandswert (S. 74/75)
Ausgehend von den Versuchen zur Widerstandseigenschaft
verschiedener Bauteile wird der elektrische Widerstandswert
R definiert. Der didaktische Weg führt dabei über die konstante Stromstärke und man vergleicht die Spannungen
(... x Volt sind pro y mA notwendig). Damit verstehen die
Schüler besser, weshalb der Quotient U : I gebildet wird.
Die Berechnungen (durch die Schüler) bestätigen die Überlegungen und ergeben für die Bleistiftmine 0,016 V/mA, für die
Lampe 0,04 V /mA und für den Motor 0,064 V /mA
Erst danach wird 1 Ohm definiert.
Das Wort „Widerstand“ wird umgangssprachlich sehr oft für
verschiedene Sachverhalte verwendet: für den Wert R oder
für ein Bauteil usw. Aus diesem Grund sollte darauf geachtet
werden, dass R als Widerstandswert bezeichnet wird.
Aufgaben
1. 13 000 Ω, 2800 Ω, 70 Ω, 4 000 000 Ω, 0,5 Ω
2. 4,3 kΩ, 0,56 kΩ, 3000 kΩ, 1600 kΩ, 20 kΩ
3. Lampe 1: 40 Ω
Motor: 64 Ω
Lampe 2: 20 Ω
Eisendraht: 6,4 Ω
Kupferdraht: 9 Ω
Mine: 16 Ω
Der Motor weist bei diesem Versuch den größten Widerstandswert auf, also hemmt er den Strom am meisten.
32
Der elektrische Widerstand
Berechnung von Spannung, Stromstärke und
Widerstandswert (S. 76)
Aufgaben
1. Begründung durch Rechnung: U = R · I = 2 V.
Die Leuchtdiode dürfte man nur mit einem geeigneten
Vorwiderstand im Stromkreis an die Batterie anschließen,
sonst würde durch die zu hohe Spannung ein zu großer
Strom fließen.
2. Geg.: U = 110 V; R = 50 Ω
I = U/R = 110 V/50 Ω = 2,2 A
3. Die Aufgabenstellung bietet die Möglichkeit für eine offene Bearbeitung durch die Schüler entweder im Unterricht
oder auch in Kombination mit einer Hausaufgabe. Da es
sehr vielfältige Ausführungen zu Taschenlampen gibt, ist
eine eindeutige Antwort nur auf den jeweiligen Einzelfall
bezogen. Deshalb ist es wichtig, dass die Schüler ihre
Lösungsansätze genau dokumentieren und begründen.
Ein mögliches Vorgehen:
a) Zunächst wird die Taschenlampe genau analysiert:
– Aufbau der Taschenlampe
– Stromkreis und Stromverlauf sind zu zeichnen und
zu beschreiben
– Mit welcher Batteriespannung arbeitet die
Taschenlampe?
– Welche Lampe wird verwendet?
b) Aus einer Auswahl von verschiedenen Lampen bzw.
LEDs (alle ohne eindeutige Beschriftung) soll nun ein
geeignetes Lämpchen herausgesucht werden. Problem: Auf Leuchtdioden sind meist überhaupt keine
Angaben zu R, U oder I aufgedruckt. Auf vielen
Lämpchen gibt es nur teilweise Angaben zu R oder U,
I. Oftmals findet man nur Aussagen zur elektrischen
Leistung. Damit ergibt sich eine zusätzliche Schwierigkeit für die Schüler. Dies könnte Ansatz für eine
selbstständige Erarbeitung der „elektrischen Leistung“
sein. Im Schülerbuch findet man im Kapitel „Elektrische Energieübertragung“ entsprechende Texte, die
aber ohne Problem auch an dieser Stelle in den Unterricht einbezogen werden können.
c) Die Schüler überlegen sich nun, wie man experimentell die fehlenden Größen (U, I oder R) bestimmen
kann. Die Experimentiervorschläge sollten vom Lehrer auf eventuelle Gefahren vorher überprüft werden.
d) Anschließend können die Schüler ihre Überlegungen,
Vorgehensweise und Ergebnisse auf vielfältige Weise
präsentieren.
4. Da die Lampe an die gleiche Spannung (230 V) angeschlossen ist, bewirkt der doppelte Widerstandswert eine
wesentlich geringere Stromstärke, die Helligkeit nimmt
ab. Auch diese Aufgabe bietet Ansätze zur Weiterarbeit,
denn auf den meisten Lampen ist die Leistung und die
Spannung angegeben, nicht aber der Widerstandswert
oder die Stromstärke (siehe Aufgabe 4). Außerdem bietet
sich hier die Möglichkeit zu weiteren funktionalen Betrachtungen: Welche Auswirkungen hätte ein halb so
großer Widerstandswert, eine geringere Spannung usw.
33
Der elektrische Widerstand
Wovon hängt der Widerstandswert eines Drahtes ab?
(S. 78/79)
Aufgaben
Versuch
1.
a) Die vorliegenden Messungen wurden mit Drähten mit
einem Durchmesser von d = 0,2 mm durchgeführt.
b) Die Drähte sollten möglichst nur an den Enden verbunden werden. Außerdem sollte man den Schülerinnen und Schülern nochmals den Unterschied zwischen Durchmesser und entsprechender
Querschnittsfläche verdeutlichen.
Ein Draht mit dem
Durchmesser d =
0,2 mm hat eine Querschnittsfläche von etwa
A = 0,03 mm2.
Durchmesser d
Querschnittsfläche A
(gerundet)
0,2 mm
0,03 mm2
0,3 mm
0,07 mm2
0,4 mm
0,13 mm2
0,5 mm
0,20 mm2
Zusatzinformationen
Mithilfe der Gleichung
R = (ρ ·l)/A
kann der Widerstandswert jedes beliebigen Drahts berechnet
werden (ρ : griech. Buchstabe Rho) ist der spezifische Widerstandswert des verwendeten Materials. Damit wird der Widerstandswert eines Drahtes angegeben, der genau 1 m lang
ist und eine Querschnittsfläche von 1 mm² hat. Die Einheit
von ρ ist 1(Ω · mm2)/m.
Die spezifischen Widerstandswerte einiger Stoffe findet man
in Formelsammlungen. Dabei ist zu beachten, dass diese
Werte nur bei Temperaturen von 20 °C gelten.
Den Schülern sollte bewusst gemacht werden, dass die
Temperaturangabe wichtig ist, da die Widerstandswerte vieler
Materialien abhängig von der Temperatur sind.
34
1. Die Stromstärke wird kleiner, denn Konstantan hat einen
größeren Widerstandswert als Kupfer und hemmt den
elektrischen Strom entsprechend stärker.
2. Weiterführende Aufgaben zum Diagramm:
a) Wie verändert sich die Stromstärke, wenn der gleiche
Kupferdraht verlängert (verkürzt) wird ?
Antwort: Die Stromstärke I wird kleiner (größer).
b) Wie verändert sich der Widerstandswert, wenn der
Eisendraht gegen einen dickeren Eisendraht der gleichen
Länge ausgetauscht wird?
Antwort: Der Widerstandswert R wird kleiner.
Der elektrische Widerstand
Widerstandsberechung von Leitern (S. 80)
In der Tabelle im Bild 1 sind die spezifischen Widerstandswerte von einigen Materialien angegeben. Dabei ist zu beachten, dass diese Werte nur bei Temperaturen von 20 °C
gelten.
Den Schülern sollte bewusst gemacht werden, dass die
Temperaturangabe wichtig ist, da sich bei vielen Materialien
die Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Temperatur
ändern.
Aufgaben
1. Der spezifische Widerstandswert von Nickel ist kleiner als
der von Blei. Ein 1 m langer Nickeldraht mit der Querschnittsfläche 1 mm² hat einen Widerstandswert von
R = 0,087 Ω, ein Bleidraht mit den gleichen Abmessungen hat dagegen fast den 2,5-fachen Widerstandswert:
R = 0,208 Ω.
2. a) R 앒 0,07 Ω
b) I 앒 5,3 cm
3. Material: Kupfer
Ω · mm²
ρ = 0,0175
m
4. A = 0,715 mm² (entspricht einem Durchmesser von etwa
0,954 mm)
35
Der elektrische Widerstand
Das Ohm’sche Gesetz (S. 82/83)
Ausgangspunkt sind die Angaben von U und I auf Glühlampen, die die Schüler zum Experimentieren verwenden. Der
Vergleich der U-I-Messwertpaare von Lampendraht und
Konstantandraht führt zur Problemstellung hin. Durch die
Versuche wird deutlich, dass man zwar für jedes U-IMesswertpaar den Widerstandswert mit
R = U : I berechnen kann, dass dieser aber für den Wolframdraht im Lämpchen nicht immer gleich ist. Die Proportionalität
von U und I gilt nur unter bestimmten Bedingungen – bei
metallischen Leitern muss die Temperatur konstant bleiben.
Oftmals wird die Gleichung R = U : I als Ohm’sches Gesetz
bezeichnet. Dies gilt aber nur für den Fall, dass der Widerstandswert konstant bleibt.
Metalllegierungen sind weitgehend temperaturunabhängig,
deshalb gilt z.B. für einen Konstantandraht das Ohm’sche
Gesetz.
Eisen (ungekühlt) oder Graphit erfüllen diese Bedingung
nicht, daher gilt für sie das Ohm’sche Gesetz nicht.
Wenn die Stromstärken klein sind (wie z.B. bei Schülerversuchen), ist der Temperaturanstieg bei den meisten Metallen
sehr gering und demzufolge ist auch die Widerstandsänderung sehr klein.
Verdeutlicht wird der Zusammenhang zwischen U und I im
Diagramm. Didaktisch wurde die Darstellung im
U-I-Diagramm gewählt (U auf der x-Achse, I auf der y-Achse),
da der geringere Anstieg der Stromstärke bei steigender
Spannung (z.B. beim Lämpchen) für Schüler besser erkennbar ist.
Aufgaben
1. Für den Konstantandraht gilt das Ohm’sche Gesetz. Aus
dem Diagramm erkennt man, dass die Stromstärke bei
5 V etwa 120 mA beträgt. Somit ist für den gleichen Draht
bei 10 V die Stromstärke von 240 mA zu erwarten.
2. Für den ungekühlten Eisendraht gilt das Ohm’sche Gesetz nicht. Es kann keine Vorhersage für I gemacht werden. Bei dem gekühlten Eisendraht wird die Temperatur
annähernd konstant gehalten, somit ist U ~ I und bei 12 V
würde man ungefähr I = 2 A messen.
36
Der elektrische Widerstand
Festwiderstände (S. 84)
Zunächst soll nochmals der Unterschied, aber auch der Zusammenhang zwischen den Begriffen „Widerstand“, „Widerstandswert“ und „Widerstandsbauteil“ verdeutlicht werden.
Dies ist wichtig, da „Widerstand“ sprachlich oft als Abkürzung
für verschiedene Bedeutungen verwendet wird.
Bei Festwiderständen spielen alle Gesetzmäßigkeiten eine
Rolle, die der Schüler bisher kennen gelernt hat: die Berechnung des Widerstandswertes R, das Ohm’sche Gesetz und
der Einfluss der Leitereigenschaften (Länge, Querschnitt,
Material) auf den Widerstandswert.
Die Anordnung und Farbe der Ringe, die auf Festwiderständen zu sehen sind, geben Auskunft über ihren Widerstandswert. Die Farbcodetabelle findet man in den Formelsammlungen.
Mit den meisten digitalen Messgeräten kann man direkt den
Widerstandswert eines Bauteils messen. Dazu sendet das
Messgerät einen minimalen Messstrom durch das Bauteil und
ermittelt so den Widerstandswert. Stehen keine Widerstandsmessgeräte zur Verfügung, werden die Versuche
mittels Stromstärkemessung durchgeführt. Anhand der
Stromstärkewerte können Aussagen über den Widerstandswert des Bauteils gemacht werden.
Zur Vorbereitung der Versuche ist es empfehlenswert, die
Widerstandsmessungen an einfachen Bauteilen zu üben.
Dies kann z.B. als Überprüfung von Festwiderständen erfolgen oder auch als Kontrolle von eigenen U-I -Messungen.
Da es hier auch darum geht, mithilfe des Diagramms den
Widerstandswert R zu bestimmen, wurden die Messwerte in
ein I-U-Diagramm eingetragen.
Didaktische Begründung:
In Analogie zur Berechnung des Anstiegs m einer Geraden
m =
y
x
erkennt der Schüler die Quotientenbildung bei
R =
U
(U auf der y-Achse, I auf der x-Achse)
I
37
Der elektrische Widerstand
Veränderliche Widerstände – das Potenziometer (S. 85)
Auch wenn das Potenziometer zunehmend durch elektronische Bauteile ersetzt wird, so ist es doch ein anschauliches
Beispiel für ein einfaches veränderliches Widerstandsbauteil.
Die Schüler können den Aufbau eines Potenziometers analysieren und auf einen entsprechenden Versuchsaufbau übertragen, um den Einfluss von Material, Länge und Dicke des
Drahts auf den Widerstandswert des Bauteils zu untersuchen.
Auf weitere veränderliche Widerstände wird im Kapitel „Elektronische Bauelemente und neue Technologien“ eingegangen.
38
Der elektrische Widerstand
Der Widerstand bei der Reihenschaltung (S. 86/87)
Aufgabe
1. Widerstandswert des Lämpchens
R = U : I = 2,5 V : 0,15 A 앒 16,7 Ω
Gesamtwiderstandswert von Lämpchen und Rx:
Rges = RLämp + Rx
Rges = 16,7 Ω + 43,3 Ω
Rges = 60 Ω
39
Der elektrische Widerstand
Der Widerstand bei der Parallelschaltung (S. 88/89)
Aufgaben
1. Würde man weitere Lampen parallel dazu schalten, würde sich der Widerstandswert entsprechend verringern
und die Stromstärke würde ansteigen.
2. Hier sind beide Gleichungen zur Berechnung möglich:
Berechnung über Kehrwert
1
1
1
=
+
Rges 30 Ω
150 Ω
1
5+1
6
=
=
Rges
150 Ω 150 Ω
Rges =
150 Ω
6
Rges = 25 Ω
Sandra hat recht, der Gesamtwiderstandswert (25 Ω) ist
kleiner als jeder der beiden Einzelwiderstände.
3. a) I = 1 A
I = 0,17 A
I = 1,17 A
40
Der elektrische Widerstand
Kupfer: 0,5 V/ 0,46 A; 1,5 V / ca. 1,3 A; 2,5 V /
ca. 1,92 A
Vorhersage: Da nur der Konstantandraht einen unveränderlichen Widerstandswert hat (1,25 Ω), kann
man nur für diesen Draht die Stromstärke bei 20 V berechnen (16A).
Schlusspunkt (S. 91)
Aufgaben
1. Bedeutungen: Physikalische Eigenschaft des Leiters, den
elektrischen Strom zu hemmen oder Widerstandswert R
eines Leiters oder feste bzw. veränderliche Widerstandsbauteile
7. Es liegt eine Parallelschaltung vor. Bei ungerundeten
Werten ergibt sich: RRadio= 2645 Ω; RLampe = 2116 Ω und
Rges = 1175,6 Ω (gerundet).
2. a) Im Stromkreis mit der Lampe wird der Strom am
stärksten gehemmt, da eine größere Spannung angelegt werden muss, damit die gleiche Stromstärke erreicht wird.
b) Die Stromstärke wird kleiner.
3.
U
I
R
20 V
1,5 A
30 Ω
60 V
2A
30 Ω
20 V
40 mA
500 Ω
230 V
0,5 A
0,46 kΩ
31,5 V
9 mA
3,5 kΩ
4. 25-W-Lampe: I = 0,109 A , R = 2110 Ω (gerundet)
40-W-Lampe: I = 0,174 A, R = 1322 Ω (gerundet)
60-W-Lampe: I = 0,261 A, R = 881 Ω (gerundet)
75-W-Lampe: I = 0,326 A, R = 706 Ω (gerundet)
100-W-Lampe: I = 0,435 A, R = 529 Ω (gerundet)
5. Festwiderstände haben einen konstanten Widerstandswert, daher gilt für sie das Ohm’sche Gesetz.
6. a) Diagramm:
Werden auch die Zwischenergebnisse gerundet, ergibt
sich für das Radio: I = 0,087 A und R = 2643,7 Ω sowie
für die Lampe: I = 0,109 A; R = 2110 Ω und für den Gesamtwiderstand: R = 1173,4 Ω.
8. a) Reihenfolge von hell nach dunkel: d) – c) – a) – b)
Mögliche Begründung:
Die Spannungen sind überall gleich, deshalb muss
man nur die Bauteile im Stromkreis betrachten.
In a) ist der Gesamtwiderstand viel kleiner als bei b),
demzufolge leuchtet das Lämpchen in a) heller.
In c) ist der gemeinsame Widerstandswert der beiden
parallel geschalteten Widerstände kleiner als jeder
einzelne von ihnen (Parallelschaltung). Somit ist auch
der Gesamtwiderstand in der Schaltung kleiner als in
a) und b) – er ist aber größer als in d).
In d) befindet sich nur das Lämpchen, somit ist dort
die Stromstärke am größten – das Lämpchen leuchtet
am hellsten.
b) (Hinweis: Die Berechnungen sollten auf zwei Nachkommastellen gerundet werden.)
Skizze d): R = 15 Ω, I = 400 mA
Skizze c): R = 24,99 Ω, I = 240,1 mA
Skizze b): R = 2015 Ω, I = 2,98 mA
Skizze a): R = 25 Ω, I = 240 mA
Die Ergebnisse bestätigen die Reihenfolge in Aufgabe
a). Besonderheit: Der Gesamtwiderstandswert in
Schaltung c) liegt nur minimal unter dem Gesamtwiderstand in Schaltung a). Dies verdeutlicht, dass der
„große" 10-k Ω -Widerstand nur einen sehr kleinen
Einfluss auf den Gesamtwiderstand in der Schaltung
hat.
b) Bei dem Draht, der zur grau gezeichneten Kurve
gehört, steigt die Stromstärke nicht im gleichen Verhältnis wie die Spannung an. Der Widerstandswert
des Drahts verändert sich, er wird größer.
Bei dem Draht, der zur schwarz gezeichneten Kurve
gehört, ist dagegen das Verhältnis U:I stets konstant,
der Widerstandswert bleibt gleich.
c) siehe Diagramm: Gerade Konstantan
d) Ablesen aus dem Diagramm:
Konstantan: 0,5 V / 0,4 A; 1,5 V / 1,2 A; 2,5 V / 2 A
9.
a) Glühdraht: R = 1150 Ω und l = 2,05 m (gerundet)
b) Bei der hohen Glühtemperatur ist der Widerstandswert des Drahtes wesentlich größer als der spezifische Widerstandswert, der bei 20 °C gilt.
41
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Der Mensch sammelt Daten (S. 94/95)
Zusatzinformationen
Daten sind den Schülerinnen und Schülern vielfältig bekannt.
Allerdings werden Daten und Information häufig gleich gesetzt. Bei Daten handelt es sich aber um das „Rohmaterial“.
Erst aus dem Vergleich bzw. Abgleich der Daten mit anderen
Daten werden Informationen gewonnen.
Grundsätzlich behandelt diese Doppelseite auch die wesentlichen Begriffe wie Datenspeicherung, Datenaustausch und
Datenwandler, die auf den Folgeseiten vertiefend behandelt
werden.
Aufgaben
1. Zeitung lesen und Radio hören sind Ein-WegeKommunikationen, Chatten ist eine Zwei-WegeKommunikation.
„Ein Referat halten“ ist in den meisten Fällen eine ZweiWege-Kommunikation, weil die Zuhörer auf den Vortragenden reagieren, z.B. durch Zwischenfragen, Applaus,
Einschlafen…
2. Indianer kommunizierten mithilfe von Rauchzeichen und
Spiegelsignalen über große Entfernungen miteinander.
Als Empfehlung kann hier die Internetseite
http://www.welt-der-indianer.de/sprache.html dienen.
42
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Analog, digital, binär (S. 96/97)
Zusatzinformationen
An dieser Stelle kann man auch mit dem Computer Musik
digitalisieren. Durch die unterschiedlichen Kompressionsverfahren und Samplingraten erfahren die Schülerinnen und
Schüler, dass man durch große Digitalwerte eine genauere
Umsetzung der analogen (Ton-)Quellen erreichen kann.
Versuch
2. Für diesen Versuch reicht schon ein alter Computer ohne
das Betriebssystem Windows. Den benötigten Wandler
kann man z.B. bei
http://www.franksteinberg.de/hardmess.htm erhalten.
43
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Daten werden übertragen und gewandelt (S. 98)
Zusatzinformationen
Als Erfinder des Telefons gilt PHILIPP REIS (1834 – 1874). Er
konstruierte 1860 ein Telefon, das er 1861 öffentlich vorführte.
In Amerika galt lange Zeit ALEXANDER GRAHAM BELL (1847 –
1922) als Erfinder des Telefons. Tatsächlich hat ANTONIO
MEUCCI (1808 – 1896) um 1854 das Telefon erfunden. BELL
soll bei seiner Patentanmeldung Teile des Telefons von
MEUCCI verwendet haben.
44
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Daten werden gespeichert (S. 100/101)
Zusatzinformationen
Die Nachfolger der DVD erscheinen derzeit auf dem Markt.
Ähnlich wie bei den DVD-Formaten +R und –R kann man
sich aber derzeit noch nicht auf ein Format einigen.
Das HD-DVD-Format fasst auf einer Seite bis zu 32 GB Daten, das Blu-Ray-Format bis zu 50 GB. Die Baugröße unterscheidet sich in beiden Fällen nicht von der einer CD/DVD.
45
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Messen, Steuern, Regeln mithilfe des Bimetalls
(S. 102/103)
Versuch
Geeignete, preiswerte Bimetalle findet man z.B. bei der
Firma Opitec (www.opitec.de) oder bei Traudl-Rieß
(www.traudlriess.de). Je nach Anbieter findet man hier auch
die entsprechenden Glühlampen.
Aufgabe
2. Ist der Raum kalt, so schließt das Bimetall einen elektrischen Kontakt. Die Heizung erwärmt den Raum und somit auch den Thermostaten. Das Bimetall verbiegt sich.
Ist die Raumtemperatur erreicht, hat sich das Bimetall so
stark gebogen, dass es den elektrischen Kontakt unterbricht. Die Heizung geht aus, der Raum kühlt sich ab.
Das Bimetall biegt sich wieder zurück und schließt erneut
den elektrischen Kontakt. Die Heizung erwärmt den
Raum erneut …
46
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Werkstatt: Variable Widerstände im Test (S. 105)
Versuche
Bei den Versuchen mit dem Heiß- bzw. Kaltleiter ist darauf zu
achten, dass die Lüsterklemme nicht in das Wasser eintaucht! Man kann den Heißleiter zusammen mit der Lüsterklemme auch in einen kleinen wasserdichten Plastikbeutel
stecken, um so einen Kurzschluss zu vermeiden.
47
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Halbleiter (S. 106/107)
Versuch
1. Anhand des Versuchs sollen die Schüler und Schülerinnen angeregt werden, selbstständig einen konkreten
Versuch sorgfältig zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Die folgenden Versuchsanleitungen könnten
Richtlinien geben bzw. zur Differenzierung im Unterricht
eingesetzt werden:
Versuch Heißleiter:
Befülle mehrere Gefäße mit unterschiedlich heißem bzw.
kalten Wasser. Schließe einen NTC-Widerstand und ein
Amperemeter in Reihe an eine Spannungsquelle (9 V)
an. Miss die Stromstärke bei Zimmertemperatur.
Reibe deine Hände aneinander und halte die erwärmte
Seite an den NTC-Widerstand. Halte den Heißleiter
nacheinander in die verschiedenen Gefäße und bestimme jeweils die Stromstärke.
Versuch Fotowiderstand:
Schließe einen LDR in Reihe mit einem Lämpchen und
einem Amperemeter an eine Spannungsquelle (z.B. Batterie) an. Richte das Licht einer Taschenlampe auf den
LDR. Bedecke den Fotowiderstand völlig, zur Hälfte und
gar nicht. Beobachte und miss jeweils die Stromstärke im
Stromkreis.
Ergebnis:
Bei beiden Bauteilen steigt die Leitfähigkeit, wenn ihnen
Energie in Form von Wärme (beim Heißleiter) oder Licht
(LDR) zugeführt wird. LDR und NTC-Widerstände bestehen aus Halbleitermaterial.
Hinweis: Die Versuchsaufgabe kann an den jeweiligen
Leistungsstand der der Schülerinnen und Schüler angepasst werden (z.B. Vergleich mit PTC-Widerstand oder
Glühlampe).
48
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Der Leitungsvorgang in Halbleitern (S. 108/109)
Aufgaben
1. Der elektrische Strom in Metallen ist die gerichtete Bewegung von frei beweglichen Elektronen unter dem Einfluss
einer elektrischen Spannung.
In Metallen sind einige Elektronen nicht mehr an ein
bestimmtes Atom gebunden und daher frei beweglich.
Beim Anlegen einer äußeren Spannung bewegen sich die
freien Elektronen in Richtung Pluspol. Bei Erwärmung
nimmt die Leitfähigkeit von Metallen ab.
Der elektrische Strom in Halbleitern ist die gerichtete
Bewegung von frei beweglichen Elektronen und Löchern
unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung.
Eigenleitung: Bei sehr tiefen Temperaturen (nahe dem
absoluten Nullpunkt der Temperatur) verhält sich ein
Halbleiter wie ein Isolator. Mit zunehmender Energiezufuhr lösen sich einzelne Elektronen aus ihren Bindungen
und stehen als frei bewegliche negative Ladungsträger
für den Leitungsvorgang zur Verfügung. Die ElektronenFehlstelle (Loch) im Atom verhält sich wie ein positiver
Ladungsträger. Beim Anlegen einer Spannung an den
Halbleiter bewegen sich die frei beweglichen Elektronen
in Richtung Pluspol (Elektronenleitung, n-Leitung).
Entsprechend scheinen sich die positiv geladenen Löcher
in Richtung Minuspol zu bewegen (Löcherleitung,
p-Leitung).
Störstellenleitung: Durch Einbau von Fremdatomen (Dotieren) werden zusätzliche frei bewegliche Ladungsträger
bereitgestellt. Damit steigt die elektrische Leitfähigkeit
des Halbleiters.
n-dotierter Halbleiter: Durch Einbau von Atomen mit fünf
Außenelektronen in einen Siliziumkristall (vier Außenelektronen) wird ein Außenelektron nicht fest gebunden
und steht für den Leitungsvorgang zusätzlich als freier
Ladungsträger zur Verfügung.
p-dotierter Halbleiter: Durch Einbau von Atomen mit drei
Außenelektronen wird eine Elektronen-Fehlstelle (Loch)
erzeugt. Dies ermöglicht einen erhöhten Löcherstrom.
2. a) Eine Dotierung mit Bor bewirkt einen erhöhten Löcherstrom im Siliziumkristall, da Bor in der 3. Hauptgruppe des Periodensystems zu finden ist und nur 3
Außenelektronen hat. Es entsteht ein p-dotierter Halbleiter (p-Leiter).
b) Eine Dotierung mit Phosphor bewirkt einen erhöhten
Elektronenstrom im Siliziumkristall, da Phosphor 5
Außenelektronen hat. Es entsteht ein n-dotierter Halbleiter (n-Leiter).
49
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Die Halbleiterdiode (S. 110/111)
Versuch
1. Versuch 1a) provoziert zunächst widersprüchliche Beobachtungen der Schülerinnen und Schüler, da einige die
Diode in Durchlassrichtung, andere dagegen in Sperrrichtung anschließen werden. Erst die Bearbeitung aller Versuchsaufgaben und die Zusammenfassung der Beobachtungen führen zum Verständnis des Verhaltens der Diode
im Stromkreis.
Im Versuch 1d) ist ein deutliches Flimmern der LED zu
sehen.
Aufgaben
1. Gemeinsamkeiten: Beide lassen den Strom nur in einer
Richtung durch, beide bestehen aus Halbleitermaterial.
Unterschiede: LEDs leuchten, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden. LEDs dürfen meist nur mit einem
Vorwiderstand betrieben werden.
2. Beim Anschluss der LED an eine Wechselspannungsquelle ist ein deutliches Flimmern der LED zu beobachten. Erklärung: Die LED leuchtet nur in Durchlassrichtung,
die andere Richtung des Wechselstroms ist gesperrt. Das
Auge ist aber zu träge, um diesen Wechsel klar wahrzunehmen. (Das Bewegen der LED dient nur zur Verdeutlichung des Effekts.)
3. Das Lämpchen dient als zusätzliche Anzeige für den
Betrieb der Diode in Durchlassrichtung / Sperrrichtung.
Das Lämpchen fungiert gleichzeitig als Vorwiderstand für
den Betrieb der LED in einem Stromkreis mit höherer
Spannung (Grenzspannung z.B. für eine rote LED bei
etwa 1,6 V).
4. Vorteile: kleine Bauweise, unempfindlich gegenüber
Erschütterungen, geringe Betriebsspannung, höherer
Wirkungsgrad, längere Lebensdauer
50
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Aus Wechselstrom wird Gleichstrom (S. 113)
Versuch
1. a) Die Batterie/ bzw. die Höhe der Spannung muss
entsprechend dem verwendeten Motor gewählt werden. Gut geeignet sind kleine Solarmotoren. Es ist
unbedingt darauf zu achten, dass der Stromkreis jeweils nur kurzzeitig geschlossen wird, um die unterschiedliche Bewegungsrichtung der Motorachse deutlich sehen zu können. Gut geeignet sind dafür auch
kleine aufgesetzte Ventilatoren oder Papierstückchen.
b) Beim Anschluss an Wechselspannung zittert die
Motorachse nur hin und her. Grund ist die ständige
Änderung der Stromrichtung.
c) Die Motorachse dreht sich in eine einzige Richtung,
(aber langsamer als im Versuch a). Die Diode lässt
nur den Anteil des Wechselstroms in Durchlassrichtung fließen.
Aufgabe
1. Beim Umpolen der Diode dreht sich die Motorachse in die
andere Richtung, jetzt liegt die Diode für den anderen Teil
des Wechselstroms in Durchlassrichtung. Ein angeschlossenes Oszilloskop zeigt dies an – die obere Halbwelle der Wechselstromkurve ist abgeschnitten.
51
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Die Solarzelle – ein Minikraftwerk (S. 114/115)
Versuche
Bei der Durchführung der Versuche ist auf eine möglichst
gleichmäßige Ausleuchtung der Solarzellen zu achten. Zu
starke Erwärmung der Solarzellen (z.B. bei längerer intensiver Beleuchtung mit einer Glühlampe) ist möglichst zu vermeiden. Da die in Schulen verwendeten (preiswerten) Solarzellen oft aus Bruchstücken einer Siliciumscheibe zusammengesetzt sind, können die Versuchsergebnisse bei Versuch b) zum Teil voneinander abweichen.
Aufgaben
1. Lichtenergie wird in elektrische Energie und dann in
kinetische Energie des Motors umgewandelt.
2. In einem Kraftwerk wird die in Ausgangsstoffen (natürliche
Energieträger wie Kohle, Erdöl usw.) enthaltene Energie
in elektrische Energie umgewandelt. Eine Solarzelle wandelt die Energie des Lichts in elektrische Energie um.
52
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
So funktioniert ein Transistor (S. 116/117)
Medienhinweise
Zur Entwicklung des Transistors gibt es von der FWU den
Film „Shockley, Bardee, Brattain und der Transistor“ auf VHS
(Bestellnummer: 42 01705).
53
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Werkstatt: Versuche mit Transistoren (S. 118/119)
Zusatzinformationen
Die Darlington-Schaltung ist so empfindlich, dass die Schüler/innen eine lange Kette bilden können und der Transistor
trotzdem schaltet.
54
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Steuern mit Wärme und Feuchtigkeit (S. 120)
Aufgabe
1. Vertauscht man Heißleiter und Widerstand, schaltet der
Transistor im kalten Zustand. Wird der Heißleiter erwärmt,
sperrt der Transistor. Bei Erwärmung liegt an der Basis
ein negatives Potenzial an.
Diese Schaltung könnte z.B. dazu dienen, die Heizungsanlage bei einer Unterschreitung einer Mindesttemperatur
einzuschalten.
Zusatzinformationen
Anstelle von temperaturabhängigen Widerständen können
auch lichtempfindliche Widerstände in den Steuerstromkreis
geschaltet werden.
55
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Daten speichern mit dem Transistor (S. 121)
Zusatzinformationen
In manchen Versuchsanleitungen findet man für die Widerstände R1 und R2 gleiche Werte. In diesem Fall steuert dann
die Diode mit dem kleineren Widerstandswert den Transistor.
In der hier aufgezeigten Schaltung ist der Grundzustand
immer eindeutig.
Im Internet findet man auch eine Vielzahl von FlipflopSchaltungen mit NAND-Bausteinen. Die grundlegende Schaltung findet man unter dem Stichwort Flipflop u.a. bei
www.wikipedia.de
Eine Schaltskizze findet sich unter:
de.wikipedia.org/wiki/Bild:ISO-RS-FF-NAND-with-clock.png
56
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
Die Entwicklung des Computers (S. 122/123)
Werkstatt: Logische Schaltungen (S. 123)
Zusatzinformationen
Zusatzinformationen
Im Internet findet sich eine zusätzliche Fülle von Informationen über die Computergeschichte. Vielleicht ist es für die
Schülerinnen und Schüler auch interessant, sich über Themen wie „die Entwicklung der Schrift“, „Verarbeitung von
Daten“ etc. zu informieren.
Mithilfe der logischen Schaltungen lassen sich auch Flipflops
bauen (vgl. Daten speichern mit dem Transistor).
Im Bereich der Computertechnologie könnte aber auch der
Aufbau eines Halbaddierers aus einem AND- und einem
XOR-Baustein (oder aus 3 AND- und einem OR-Baustein)
sinnvoll sein.
Für die binäre Addition gelten folgende Regeln:
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1 + 1 = 0 und 1 im Übertrag
Eine Wahrheitstabelle sieht dann für die Addition der Eingänge A und B, die Summe (S) und den Übertrag (C) so aus:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
S
0
1
1
0
C
0
0
0
1
Die Ergebnisse für die Summe entsprechen einem XORGatter, die für den Übertrag einem AND-Gatter.
Eine Schaltskizze mit And- und XOR-Gatter findet sich unter:
de.wikipedia.org/wiki/Bild:Halbaddierer_Aufbau_XOR.svg
Eine Schaltskizze aus And- und OR-Gatter findet sich unter:
de.wikipedia.org/wiki/Bild:Halbaddierer_Aufbau.svg
In dieser Schaltung wird das XOR-Gatter durch eine Kombination von AND- und OR-Gatter ersetzt.
Halbaddierer reichen für die Addition aber nicht aus, da bei
der Addition auch der Übertrag mit berücksichtigt werden
muss. Mithilfe zweier Halbaddierer und einem Oder-Gatter
lässt sich ein Volladdierer realisieren, vgl.:
de.wikipedia.org/wiki/Volladdierer
57
Elektronische Bauelemente und neue Technologien
6. Gemäß den Gesetzmäßigkeiten bei der Reihenschaltung
gilt:
Ug = U1 + U2
Ig = I1 = I2
Rg = R1 + R2
Schlusspunkt (S. 125)
Aufgaben
1. Auf einer DVD können z.B. Texte, Bilder, Musik, Filme …
gespeichert sein.
2. Eine Schallplatte (LP) fasst etwa 35 min Musik pro Seite.
Vergleicht man diese Musikmenge mit der CD (650 MB;
74 min), so ergibt sich eine Datenkapazität von 307 MB
pro Seite. Eine Kassette (45 min pro Spielseite) fasst etwa 395 MB. Eine Videokassette (4 h) fasst etwa 9,5 GB
an Daten.
3.
System
Speicher
Seiten
Diskette
1,44 MB
360
Festplatte
200 GB
50000000
CD
650 MB
162500
DVD SS
4,7 GB
1175000
DVD DL SS
8,5 GB
2125000
DVD DL DS
17 GB
4250000
4. Ein NTC-Widerstand ist ein Halbleiterbauelement und
besteht z.B. aus Silicium. Dieses bildet ein Kristallgitter, in
dem alle Außenelektronen gebunden sind. Der Halbleiter
ist daher zunächst ein Nichtleiter, da ihm freie Elektronen
fehlen. Durch eine Temperaturerhöhung beginnen die
Elektronenpaarbindungen zu schwingen und brechen auf.
Dadurch entstehen freie Elektronen sowie positiv geladene Löcher. Die Elektronen können sich frei im Kristall bewegen. Das Silicium wird zum Leiter. Mit steigender
Temperatur reißen immer mehr Elektronenpaarbindungen
auf, sodass das Silicium mit steigender Temperatur immer besser leitet.
Senkt man die Temperatur, so bilden sich die Elektronenpaarbindungen wieder aus, die Leitfähigkeit des Siliciums nimmt ab.
5. Bei metallischen Leitern nimmt der Widerstandswert mit
zunehmender Temperatur zu, bei Halbleitern nimmt der
Widerstandswert ab.
Das unbekannte Bauteil kann an ein Ohmmeter angeschlossen werden. Anschließend wird es vorsichtig erwärmt (bei manchen Bauteilen reicht schon die Handwärme). Aufgrund der Widerstandsänderung kann dann
entschieden werden, ob es sich um einen metallischen
Leiter oder um einen Halbleiter handelt.
58
geg.: U1 = 2,2 V
Ug = 4,5 V
Ig = 0,02A
ges.: R2
Lsg.: U2 = Ug – U1
R2 = U2/I
R2 = (Ug – U1)/I
R2 = 115 Ω
Der benötigte Vorwiderstand sollte einen Wert von 115 Ω
haben. Da es dieses Bauteil nicht gibt, muss man in der
Widerstandstabelle nachschlagen, welches Bauteil dem
benötigten Wert möglichst nahe kommt. Gemäß der Widerstandstabelle E12 wäre dies ein Widerstand von
120 Ω.
7. a) Es leuchtet die obere Leuchtdiode.
b) Bei einer Wechselspannung würde ein Wechselstrom
fließen. Die Stromrichtung ändert sich ständig. Deshalb wäre jede Leuchtdiode kurzzeitig in Durchlassund anschließend in Sperrrichtung geschaltet. Beide
Leuchtdioden leuchten.
8. a) Solarzellen bestehen ebenso wie Dioden aus einer nund einer p-dotierten Halbleiterschicht. Während die
Solarzelle großflächig gebaut sein muss, damit durch
die Lichtenergie die Elektronenpaarbindungen des
Halbleiterkristalls aufbrechen können, darf dies bei
der Diode nicht geschehen.
b) In einem abgedunkelten Raum kann man die Solarzelle an ein Ohmmeter anschließen. Man stellt dann
fest, dass die Solarzelle ebenfalls eine Durchlassund eine Sperrrichtung hat.
9. Eine Solarzelle liefert eine Spannung von 0,5 V. Man
muss neun Solarzellen in Reihe schalten, um eine Spannung von 4,5 V zu erhalten.
Wärme und Energieumwandlungen
Temperatur und Energie (S. 128)
Versuche
1. Beim kräftigen Aneinander-Reiben der Hände spürt man
eine deutliche Zunahme der Hauttemperatur.
2. –
3. Nach dem kräftigen Durchrühren des Wassers ist eine
leichte Temperaturerhöhung messbar.
4. Das Holz kann heiß werden, in manchen Fällen treten
sogar Verbrennungsspuren auf, d.h. das Holz wird
schwarz.
Aufgaben
1. Durch Reibungsarbeit kann die Energie eines Körpers
verändert/erhöht werden.
2. Die Erhöhung der Energie eines Körpers macht sich
dadurch bemerkbar, dass seine Temperatur zunimmt.
Zeitpunkt: Auf der Suche nach dem Wärmestoff
Zusatzinformationen
Die Experimente von SIR BENJAMIN THOMPSON (Graf Rumford; 1753 – 1814) und insbesondere der Rührversuch von
JAMES PRESCOTT JOULE waren bedeutsam für die Widerlegung der Wärmestofftheorie. Deren Anhänger hielten noch
lange daran fest, da diese Theorie durchaus zu brauchbaren
mit verschiedenen experimentellen Ergebnissen vereinbaren
Resultaten führte. Dies und die im Sprachgebrauch gegebenen Vorstellungen von Wärme als etwas Stofflichem, Transportierbarem sind plausible Erklärungen dafür.
Diese Versuche und vor allem die experimentelle Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents können als
Beginn einer neuen Wärmelehre angesehen werden. Beachtenswert ist die Genauigkeit, mit der bereits JOULE im Jahre
1850 diesen Wert bestimmen konnte. Die Messwerte lagen
zwischen 423 und 488 kpm/kcal (heute bekannter Wert
427 kpm/kcal). Dieser gesetzmäßige Zusammenhang von
verrichteter mechanischer (Reibungs-)arbeit und dabei in
Form von Wärme freigesetzter Energie war nur mit der auf
Teilchenbewegung beruhenden Theorie vereinbar. Aufgrund
seiner Bedeutung wurde das Wärmeäquivalent lange Zeit
(bis zur Einführung der SI-Einheiten) im Unterricht behandelt.
59
Wärme und Energieumwandlungen
Teilchenmodell und innere Energie (S. 130)
Versuch
1. Wenn das Wasser zur Ruhe gekommen und der Raum
leicht abgedunkelt ist, kann man eine Bewegung der glitzernden Aluminiumpulverteichen sehen. Die Wasserteilchen, die in ständiger Bewegung sind, stoßen die Aluminiumpulverteilchen an.
Formen der Energieübertragung (S. 131)
Versuche
1. Wenn ein dickerer Draht ständig hin und her gebogen
wird, erwärmt er sich an der Biegestelle.
2. Man kann beobachten, dass das kalte Wasser wärmer
wird und das warme Wasser abkühlt. Es findet eine
Energieübertragung vom wärmeren zum kälteren Körper
statt.
Aufgaben
1. a) Die Energieübertragung findet einmal vom Brenner
zum Werkstück und einmal von der Feile zum Werkstück statt.
b) Durch die heiße Flamme wird die innere Energie des
Werkstücks erhöht. Seine Temperatur steigt dabei.
Indem man das Werkstück mit der Feile bearbeitet,
wird Reibungsarbeit am Werkstück verrichtet. Dabei
entsteht Wärme, die die innere Energie des Werkstücks – und der Feile – erhöht und die Temperaturen
beider Körper ansteigen lässt.
2. Beim abbremsenden Fahrzeug wird an den Bremsen
Wärme frei. Glühlampen werden heiß. An der Bohrmaschine wird die Bohrerspitze heiß.
Zusatzinformationen
Wenn an einem Körper Reibungsarbeit verrichtet wird, erhöht
sich seine innere Energie. Nach außen macht sich das durch
eine Temperaturerhöhung bemerkbar. Dazu könnten folgende Versuche gemacht werden:
1. Reibe die Hände kräftig aneinander und beachte die
Temperaturveränderung.
2. Pumpe einen Fahrradreifen kräftig auf und achte auf die
Temperaturveränderung der Luftpumpe.
3. Gib etwa einen halben Liter Wasser in eine enge Rührschüssel und schlage es mit einem elektrischen Rührgerät kräftig einige Minuten durch. Miss vor und nach
dem Rühren die Temperatur. Vergleiche.
4. Bohre mit einer Bohrmaschine in festes Mauerwerk.
Befühle die Bohrerspitze. Vorsicht!
60
Wärme und Energieumwandlungen
Wärmeströmung und Wärmeleitung (S. 132/133)
Versuche
1. Es kommt zur Zirkulation des Wassers im Glas (wie in
Abb. 3, Seite 132). Für diesen Versuch eignet sich am
besten ein Glas, das eine starke Erhitzung vertragen
kann, ohne zu zerspringen, also z. B. ein Teeglas.
2. Das Wasser gibt Energie an die Löffel ab, dadurch erwärmen sie sich. Die unterschiedlichen Materialien leiten
die Wärme aber unterschiedlich gut weiter: Der Silberund der Alulöffel sind bessere Wärmeleiter als die Löffel
aus Kunststoff und Holz, die Griffe der Metalllöffel werden
deshalb zuerst warm.
3. Gegenstände, die gute Wärmeleiter sind, fühlen sich eher
kalt an, weil die Wärme der Hand sehr schnell abgeleitet
wird
Aufgaben
1. Die Gemeinsamkeit besteht darin, dass das Wasser im
Kreis strömt, und zwar von der Stelle, an der erwärmt
wird nach oben. Man spricht immer dann von Wärmeströmung, wenn Wärme zusammen mit einem Stoff
transportiert wird.
2. Das Ausdehnungsgefäß befindet sich meistens im oberen
Teil des Hauses unter dem Dach.
3. Kühlung (Gebläse) im PC, in Automotoren (wenn sie
lange bei stehendem Fahrzeug laufen), bei Dia- und Filmprojektoren, bei Beamern usw. Die Luft führt die Wärme
ab.
61
Wärme und Energieumwandlungen
Wärmestrahlung (S. 134)
Versuche
1. Das dunkle T-Shirt erwärmt sich stärker.
2. Unter einem dunklen Sonnenschirm wird es wärmer als
unter einem hellen.
Medienhinweise
FWU 42 00941 Wärmeausbreitung
62
Werkstatt: Sonnenkollektoren (S. 135)
Versuche
1. Ein Marmeladenglas als Wärmespeicher
Das schwarze Glas absorbiert die Sonnenstrahlung stärker und erwärmt sich deshalb schneller.
2. Bau eines Sonnenkollektors
Damit man ein möglichst gutes Ergebnis erzielt, darf das
Wasser nicht zu schnell durch den Kollektor laufen. Das
erreicht man mit einem möglichst langen und dünnen
Schlauch. Solche Schläuche können in Baumärkten gekauft werden.
Das Gefälle sollte auch nur so groß sein, dass das Wasser gerade eben fließt. Je kleiner die Durchflussgeschwindigkeit ist, desto wärmer kann das Wasser werden.
Wärme und Energieumwandlungen
Die spezifische Wärmekapazität (S. 136/137)
Versuche
1. Die Erwärmung von Wasser und Sand kann mit einem
Heizstrahler vorgenommen werden, aber auch auf einer
Heizplatte.
Je nach verwendeter Masse muss die Energiezufuhr geregelt werden.
Man wird feststellen, dass sich der Sand viel schneller
erwärmt als das Wasser. Sand hat eine geringere spezifische Wärmekapazität als Wasser, daher muss dem Sand
weniger Energie zugeführt werden, um eine Temperaturerhöhung um beispielsweise 1 °C zu erreichen.
Beim anschließenden Abkühlen wird man feststellen,
dass die Temperatur des Sands schneller sinkt als die
des Wassers.
2. Die Temperaturerhöhung hängt natürlich von der Leistung der Heizplatte ab. Das Rechenbeispiel im Text bezieht sich auf eine Heizplatte mit einer Leistung von
600 W. Der rechnerische Lösungsweg zu dieser Aufgabe
ist im Fließtext angegeben.
Aufgabe
1. Um 1 g Kupfer um 1 K zu erwärmen, wird eine Energie
von 0,385 J benötigt.
2. Von den in Bild 4 aufgelisteten Stoffen erwärmt sich Blei
am schnellsten. Es wird nur eine Energie von 0,129 kJ
benötigt, um 1 kg Blei um 1 K zu erwärmen.
3. a) Q = m · c · DT;
250 l Wasser entsprechen einer Masse von 250 kg
Q = 250 kg · 4,18 kJ/(kg · K) · 20 K = 20900 kJ
b) Q = m · c ·DT
Q = 0,3 kg · 0,452 kJ/(kg · K) · 470 K = 63,732 kJ
4. DT = Q / (m · c)
T = 70 kJ / [2,3 kg · 0,84 kJ /(kg · K)] = 36,23 K
5. c = Q / (m · DT)
c = 270 J / (30 g · 10 K) = 0,9 J/g · K
Die spezifische Wärmekapazität von Aluminium beträgt
0,896 kJ/(kg · K), daher wird es sich um einen Aluminiumkörper handeln.
63
Wärme und Energieumwandlungen
Der Heizwert eines Brennstoffs (S. 138)
Brennpunkt: Energie für den menschlichen Körper
(S. 139)
Versuch
Zusatzinformationen
1. Der Versuch ist genauso durchzuführen wie in der Beispielaufgabe beschrieben.
Aufgaben
1. Das Ergebnis der Beispielaufgabe und der in der Tabelle
aufgeführte Wert weichen etwas voneinander ab. Dies
kann mehrere Gründe haben:
– bei der Messung der Größen Masse und Temperatur
können Messfehler aufgetreten sein;
– ein Teil der bei der Verbrennung erzeugten Wärme
wird an die Umgebung abgegeben und trägt nicht zur
Erwärmung des Wassers bei;
– es wird nicht nur das Wasser erhitzt, sondern auch
das Gefäß, in dem sich das Wasser befindet.
2. Holz: DT = Q / (m · c ) = 150 / (1 · 4,2) K = 35,7 K
Braunkohle: DT = Q / (m · c ) = 200 / (1 . 4,2) K = 47,6 K
Steinkohle DT = Q / (m · c ) = 290 / (1 · 4,2) K = 69,0 K
Die Werte für Q ergeben sich aus der Tabelle:
Holz: Bei der Verbrennung von 1 kg Holz wird eine Energie von 15 000 kJ frei, bei 10 g sind es 150 kJ.
Entsprechendes gilt für die anderen Brennstoffe:
10 g Braunkohle: Q = 200 kJ
10 g Steinkohle: Q = 290 kJ
64
Es ist interessant, von den Schülerinnen und Schülern zur
Schule mitgebrachte Speisen (Süßigkeiten oder Ähnliches)
und Getränke auf ihren Brennwert hin zu untersuchen.
Wärme und Energieumwandlungen
Brennpunkt: Energieversorgung eines Hauses
(S. 140/141)
Aufgabe
2.
Maßnahmen zur Senkung der Heizkosten:
– Räume nicht zu stark überheizen.
– Sinnvoll lüften (nicht dauerhaft die Fenster öffnen,
sondern „Stoßlüften“).
– Heizöl dann einkaufen, wenn es preiswert ist.
– Durch bauliche Veränderungen die Wärmedämmung verbessern.
65
Wärme und Energieumwandlungen
Primärenergie, Sekundärenergie, Nutzenergie
(S. 142/143)
Aufgaben
1. Meistens wird in Wohnhäusern Öl, Gas und Kohle zum
Heizen gebraucht. Auch Strom kann zum Heizen genutzt
werden.
Gas- und Ölheizungen und Kohleöfen haben den Nachteil, dass fossile Brennstoffe verbrannt werden, von denen es nur begrenzte Vorräte gibt. Außerdem entstehen
schädliche Abgase. Auch beim Heizen mit Strom (z.B.
Nachtspeicherheizungen) wird der Strom in Kraftwerken
erzeugt, die fossile Energieträger verbrennen, um Strom
als Sekundärenergie zu erzeugen. Vorteil dieser Energieträger ist, dass kostengünstige Verfahren zu ihrer Nutzung vorhanden sind. Zur Nutzung anderer, z.B. auch regenerativer Energieträger, fehlen noch kostengünstige
Techniken.
2. Möglichkeiten, Energie im Haushalt zu sparen:
– Räume nicht überheizen, überall die Temperatur um
1 bis 2 °C zu reduzieren, das spart Energie und reicht
meistens aus;
– Geräte nicht im Stand-by-Betrieb lassen, sondern
ausschalten;
– Kühlschrank nicht offen lassen;
– Duschen statt Baden;
– Töpfe auf den richtigen Herdplatten benutzen (Platte
und Topf sollten den gleichen Durchmesser haben);
– möglichst oft auf das Auto verzichten und Rad fahren
oder zu Fuß gehen
– ....
3. Zum Betrieb des Haartrockners ist elektrische Energie
nötig. Elektrische Energie ist eine Sekundärenergieform,
die vorwiegend durch Verbrennung von Primärenergieträgern (fossile Brennstoffe) oder die Umwandlung regenerativer Energie (Energie des Windes und des Wassers,
Sonnenenergie) gewonnen wird. Alle diese Primärenergieformen gehen letztlich auf die Sonne zurück.
66
Wärme und Energieumwandlungen
Regenerative Energien – Solar- und Brennstoffzellen
(S. 147)
Versuch
1.
a) Wenn die Solarzelle beleuchtet wird, beginnt sich der
Elektromotor zu drehen. Energie des Sonnenlichts
wird in den Solarzellen in elektrische Energie umgesetzt. Diese elektrische Energie wird vom Elektromotor in Bewegungsenergie umgewandelt.
b) Schließt man anstelle des Elektromotors den Elektrolyseur an die Solarzelle an, kann man nach einigen
Minuten erkennen, dass in den beiden Wassertanks
Gasbläschen aufsteigen. Die von der Solarzelle gelieferte elektrische Energie wird dazu genutzt, Wasser in
seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zu
spalten. Die beiden gasförmigen Stoffe scheiden sich
ab und werden in den Wassertanks gespeichert.
c) Schließt man den Elektromotor an eine Brennstoffzelle an und verbindet diese über Schläuche mit den
„Gastanks“ des Elektrolyseurs, beginnt sich der Elektromotor wiederum zu drehen. In der Brennstoffzelle
werden Sauerstoff und Wasserstoff verbrannt, die
chemische Energie der Stoffe wird in elektrische
Energie umgesetzt und kann zum Antrieb des Motors
genutzt werden.
67
Wärme und Energieumwandlungen
Schlusspunkt
290
K
4,18 ⋅ 2
∆ TS = 34,7 K
∆ TS =
Aufgaben
Die Endtemperatur des flüssigen Wassers beträgt nach
dem Erwärmen mit Holz etwa 43 °C, nach dem Erwärmen
mit Braunkohle ca. 49 °C und nach dem Erwärmen mit
Steinkohle ca. 70 °C.
1. – Hände aneinander reiben
– Mehrmals mit einem Hammer auf einen Nagel schlagen
– An einem Seil herunterrutschen
– Bremsen (Fahrrad, Auto)
2. a) Die innere Energie eines Körpers lässt sich dadurch
erhöhen, dass man ihm Wärme zuführt oder Arbeit an
ihm verrichtet.
b) Die Vergrößerung der inneren Energie macht sich
durch eine Temperaturerhöhung bemerkbar.
3. Im Heizraum wird mit einem Brenner Wasser erhitzt. Das
so erwärmte Wasser wird mithilfe einer Pumpe durch das
Rohrleitungssystem des Hauses gepumpt (Wärmeströmung). Von den Heizkörpern wird die Wärme des Wassers an die Zimmerluft abgegeben (Wärmeleitung und
Wärmestrahlung). Das abgekühlte Wasser fließt durch
das Rohrleitungssystem zurück zum Brenner und wird
dort erneut erhitzt.
4. Unter Wärmedämmung versteht man Maßnahmen, durch
die eine Energieabgabe eines Körpers möglichst vermindert werden soll. Um an einem Haus Wärmeverluste zu
vermeiden, setzt man z.B. Wärmedämmstoffe ein, also
Materialien, die die Wärme schlecht leiten. Nachts sorgt
eine Bettdecke dafür, dass unser Körper nicht zu viel
Wärme an die Umgebung abgibt.
5. Das Gehäuse besteht meist aus Kunststoff, denn Kunststoff ist ein schlechter Wärmeleiter. Die Luft zwischen
Gehäuse und Glaskolben ist ebenfalls ein schlechter
Wärmeleiter. Der doppelwandige und verspiegelte Glaskolben ist evakuiert: Die Verspiegelung verhindert Wärmestrahlung, das Vakuum verhindert Wärmeleitung und
Wärmeströmung.
6. ∆ T =
Q
c⋅ m
200
∆T=
K
0,129 ⋅ 3
∆ T = 517 K
7. Der Heizwert eines Brennstoffs gibt an, wie viel Energie
bei der Verbrennung von 1 kg des Stoffes freigesetzt
wird.
Q
c⋅ m
Die zugeführte Wärme beträgt
– bei der Verbrennung von 10 g Holz 150 kJ
– bei der Verbrennung von 10 g Braunkohle 200 kJ
– bei der Verbrennung von 10 g Steinkohle 290 kJ.
8. ∆ T =
Daraus ergibt sich:
150
K
4,18 ⋅ 2
∆ TH = 17,9 K
∆ TH =
200
K
4,18 ⋅ 2
∆ TB = 23,9 K
∆ TB =
68
9. Auch wenn 10 Tafeln Schokolade den Energiebedarf
decken, ist es nicht sinnvoll, sich nur davon zu ernähren,
weil der Körper Stoffe benötigt, die nicht in der Schokolade enthalten sind (z.B. Ballaststoffe, Vitamine etc.)
10. –
11. Die Abkürzung AU steht für Abgasuntersuchung. Dabei
handelt es sich um eine gesetzlich vorgeschriebene Untersuchung von Kraftfahrzeugen. Damit soll sichergestellt
werden, dass die Abgaswerte der zugelassenen Kraftfahrzeuge über den Nutzungszeitraum die in der Abgasnorm festgelegten Werte nicht überschreiten. Geprüft
werden:
– der Zustand des Auspuffs;
– ob die Anlage den Vorgaben des Fahrzeugherstellers
entspricht;
– ob sie die gesetzlichen Grenzwerte einhält;
– die Einstellung des Zündzeitpunkts, der Schließwinkel,
und die Drehzahl;
– die Messung des Kohlenstoffdioxid-(CO2-) und des
Kohlenstoffmonooxid-(CO-)Ausstoßes
– die Emission von Kohlenwasserstoffen.
12. – gute Wärmedämmung des Mauerwerks
– sehr gute Isolierfenster
– Dach aus Sonnenkollektoren und Solarzellen
– ausschließlich Energiesparlampen
– keine Geräte mit Stand-by-Schaltung
– Bäume, die im Sommer Schatten spenden, damit keine
Klimaanlage nötig ist
– Wohnräume mit Fenstern nach Süden
13. – gute Wärmedämmung des Mauerwerks
– sehr gute Isolierfenster
– Dach aus Sonnenkollektoren und Solarzellen
– ausschließlich Energiesparlampen
– keine Geräte mit Stand-by-Schaltung
– automatische Regelung der Raumtemperatur nach
Schulschluss, an schulfreien Tagen
– gute Wärmedämmung des Mauerwerks
– sehr gute Isolierfenster
– Dach aus Sonnenkollektoren und Solarzellen
– ausschließlich Energiesparlampen
– keine Geräte mit Stand-by-Schaltung
– möglichst alle Räume mit Fenstern, damit wenig künstliches Licht nötig ist; falls doch nötig: Bewegungsmelder, damit das Licht nicht unnötig lange brennt.
14.
Der Kühlschrank besitzt ein Röhrensystem, in dem sich
ein Kühlmittel befindet. Die Siedetemperatur dieses
Kühlmittels liegt weit unter 0 °C. Dieses Kühlmittel wird
durch den Verdampfer im Innenraum des Kühlschranks
geleitet. Weil die Temperatur dort mehr als 0 °C beträgt,
beginnt die Flüssigkeit zu sieden. Dazu benötigt es
Energie, die dem Innenraum entzogen wird. Im Kühlschrankinnenraum wird es dadurch kälter. Ein Kompressor saugt den Dampf aus dem Verdampfer ab und
Wärme und Energieumwandlungen
presst ihn mit hohem Druck in den Verflüssiger. Aufgrund des hohen Drucks steigt die Siedetemperatur des
Kühlmittels, der Dampf kondensiert. Die frei werdende
Kondensationsenergie wird über die Kühlrippen an die
Umgebung abgegeben. Das nun flüssige Kühlmittel gelangt durch eine Verengung im Rohr wieder in den Verdampfer. Da hinter der Engstelle der Druck geringer ist,
sinkt die Siedetemperatur und das Kühlmittel im Verdampfer beginnt zu sieden.
Komplexe Aufgabe
1. a) Herrn Knausrigs Idee funktioniert. Um eine Badewanne voll Glycerin von Raumtemperatur (25 °C) auf
40 °C zu erwärmen, ist weniger Energie nötig als bei
der Verwendung von Wasser. Der Grund dafür ist,
dass Glycerin eine geringere spezifische Wärmekapazität hat als Wasser. Sie beträgt 2,39 kJ/(kg ·K)
(siehe Schülerbuch, Tabelle S. 136).
b) Geht man für die Badewanne von einem Fassungsvermögen von 250 l aus und soll die Temperaturerhöhung 15 K betragen, dann ergibt sich folgende
Energiedifferenz:
Q = c · m · ∆T
Q = [4,18 kJ /(kg · K) – 2,39 kJ/(kg ·K)] · 250 kg · 15K
Q = 1,79 kJ /(kg · K) · 250 kg · 15 K
Q = 6712,5 kJ
Herr Knausrig könnte auf diese Weise pro Bad rund
7 MJ einsparen.
69
Radioaktivität und Kernenergie
Der Radioaktivität auf der Spur (S. 156/157)
Versuch
In einigen Schulen sind die Geräte für die dargestellten Experimente nicht vorhanden. Sollte dies der Fall sein, so wird
empfohlen, sich bei den Schulbildstellen zu erkundigen. Dort
können Filme ausgeliehen werden, die die Experimente
eindrucksvoll wiedergeben.
Aufgaben
1. Die Messung von Radioaktivität erfolgt z.B.
– in Kernkraftwerken; Sicherheitskontrollen, besonders
für die Menschen, die im bzw. am Kraftwerk arbeiten.
– in der Medizin beim Umgang mit radioaktiver Strahlung, z.B. Strahlentherapie in Kliniken oder Arztpraxen,
nuklearmedizinische Diagnostik,
– in der Umgebung von Lagerstätten für radioaktive
Abfälle,
– bei der C-14-Methode zur Altersbestimmung archäologischer Funde
2. Radioaktive Strahlung lässt sich nachweisen
– mit einem Geiger-Müller-Zählrohr
– mithilfe von Fotoplatte oder Fotopapier
– mit einem Filmdosimeter
– mit der Nebelkammer
– mit Kondensator, Hochspannungsquelle und
Elektroskop
3. Ein Geigerzähler ist ein mit Edelgas gefülltes Metallrohr.
Es ist vorne durch eine dünne Folie verschlossen. Ins Innere des Rohres ragt ein Metalldraht. Zwischen Metalldraht und Metallrohr liegt eine hohe Spannung an. Dringt
Strahlung durch die Folie in das Rohr, wird das Gas ionisiert. Die Elektronen werden zum positiv geladenen Draht
hin beschleunigt und erzeugen auf ihrem Weg neue freie
Elektronen und Ionen (Stoßionisation). Es kommt zu einer
Elektronenlawine. Kurzzeitig fließt Strom, der elektronisch
verstärkt wird und über einen Lautsprecher als Knacken
hörbar gemacht werden kann.
70
Radioaktivität und Kernenergie
Werkstatt: Radioaktivität wird gemessen (S. 159)
Versuche
1. Der Nulleffekt ist die radioaktive Belastung, die uns ständig umgibt, ohne dass sich ein radioaktives Präparat in
der Nähe befindet. Ursache für den Nulleffekt sind kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung. Die terrestrische Strahlung geht von bestimmten Gesteinen und
Baumaterialien aus. Auch die Atmosphäre enthält radioaktive Isotope. Deshalb hängt es z.B. vom Wohnort, aber
auch von der Umgebung (z.B. Art des Materials der
Wände des Schulgebäudes) ab, welchen Wert der Nulleffekt hat.
2. Je größer der Abstand zwischen Glühstrumpf und Zählrohr ist, desto geringer ist die Anzahl der Impulse pro Minute. Ein Blatt Papier, ein Holzbrettchen oder ein Metallblech schirmen die Strahlung zum Teil ab. Ein Metall (z.B.
Aluminium) schirmt besser ab als ein Blatt Papier.
3. Verschiedene Materialien sind unterschiedlich stark radioaktiv. Kunstdünger, Kaliumchlorid, Sandstein, Kalkstein, Schlackenstein, bestimmte Fliesenarten senden radioaktive Strahlung aus.
Der Fachhandel für physikalische Geräte bietet entsprechende Präparate an, die für Schülerexperimente geeignet sind.
Zusatzinformationen
Sollten die Materialien für Schülerversuche nicht vorhanden
sein, können sie auch als Demonstrationsexperimente vorgeführt werden. Die Entfernungs- oder Zeitmessung kann von
Schülerinnen und Schülern vorgenommen werden.
Sollten keine Versuchsmaterialien für den Bereich Radioaktivität in der Schule vorhanden sein, sind ggf. folgende
Hilfen möglich:
– Filmbildstellen verfügen oft über Filmmaterial, in denen die
Experimente eindrucksvoll vorgeführt werden.
– Einige Universitäten laden Schülergruppen zu Demonstrationsvorträgen ein oder gehen in Schulen. Versuchen Sie,
mit zuständigen Leuten der Fachbereiche Chemie oder
Physik Kontakte aufzubauen.
71
Radioaktivität und Kernenergie
Elementumwandlungen (S. 161)
Aufgaben
1. α- und β-Strahlung bestehen aus geladenen Teilchen und
werden deshalb im elektrischen Feld abgelenkt.
Bei γ -Strahlung dagegen handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, die im elektrischen Feld keine Ablenkung erfährt.
2. R-226: Der Kern gibt zwei Protonen und zwei Neutronen
ab. Radiumkerne besitzen 88 Protonen. Wenn davon
zwei den Kern verlassen, sind nur noch 86 Protonen enthalten. Der Kern gehört nicht mehr zum Element Radium,
sondern zum Element Radon (Rn) mit 86 Protonen. Von
den 226 Nukleonen des Ra-Atoms haben vier den Kern
verlassen. Also entsteht Rn-222.
4. Po-218 → α → Pb-214
Po-218 → β → At-218
72
Radioaktivität und Kernenergie
Die Halbwertszeit (S. 162)
Zerfallsreihe – Altersbestimmung (S. 163)
Aufgaben
1. Die Zeit, nach der die Hälfte einer bestimmten Zahl von
Atomen zerfallen ist, wird Halbwertszeit genannt. Jedes
radioaktive Isotop besitzt eine charakteristische Halbwertszeit.
2. Nach 3 Halbwertszeiten sind 21 000 000 Atomen zerfallen. Es sind noch 3 000 000 nicht zerfallene Atome
übrig.
3. Die Halbwertszeit des radioaktiven Präparates beträgt
ungefähr 2 Minuten.
Aufgaben
1.
232
90
2.
Th
237
94
앗α
228
88
Ra
앗α
233
91
앗β
228
89
Ac
Th
233
92
229
90
앗
Ra
Rn
225
88
Po
225
89
Pb
221
87
Bi
217
85
Ti
213
83
Pb
Bi
앗β
213
84
앗β
208
82
At
앗α
앗α
208
81
Fr
앗α
앗β
212
83
Ac
앗α
앗α
212
82
Ra
앗β
앗α
216
84
Th
앗α
앗α
220
86
U
앗α
α
224
88
Pa
앗β
앗β
228
90
Np
Po
앗α
209
82
209
83
205
81
Pb
앗β
Bi
앗α
Tl
73
Radioaktivität und Kernenergie
Die Aktivität (S. 164/165)
Aufgaben
1. Durch die Anzahl der Kernumwandlungen pro Zeiteinheit
wird die Aktivität A eines radioaktiven Stoffes angegeben.
2. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq), es gilt:
1 Bq = 1 Kernumwandlung/1 s
3. A = 3000 Bq entsprechen also 3000 Kernumwandlungen
pro Sekunde. Damit finden in 2 Minuten 3000 1/s · 120 s
= 360 000 Kernumwandlungen statt.
4. Die spezifische Aktivität beträgt a = 4 000 000 Bq/1 t,
a = 4 000 Bq/kg.
5. Eine korrekte Angabe über die Radioaktivität eines Stoffes muss die Aktivität bezogen auf die Masse und das für
die Strahlung verantwortliche radioaktive Element beinhalten.
Auch bei schwach radioaktiv belasteten Nahrungsmitteln
kann man zu hohen Aktivitäten kommen, wenn man sie
auf eine große Masse bezieht.
Ferner können zwei radioaktive Präparate gleicher Aktivität unterschiedliche biologische Wirkung auf den Menschen haben, je nachdem wie energiereich die Strahlung
ist und um welche Strahlungsart es sich handelt.
6. 8 g des radioaktiven Präparates haben 128 Bq. Durch
das Verteilen/Lösen ändert sich die Aktivität nicht. Das
Wasser hat eine Aktivität von 128 Bq.
74
Radioaktivität und Kernenergie
Äußere und innere Bestrahlung (S. 167)
Zusatzinformationen
Im Boden, im Wasser und der Luft sind natürliche Radionuklide enthalten. Über die Atemluft, das Trinkwasser und
Nahrungsmittel gelangen schwach radioaktive Stoffe in unseren Körper.
Die radioaktiven Stoffe, von denen eine radioaktive Strahlung
ausgeht, können sich im menschlichen Körper befinden oder
außen. Es kommt folglich zu einer inneren bzw. äußeren
Bestrahlung.
Äußere Strahlungsquellen:
Die strahlende Substanz befindet sich außerhalb des
menschlichen Körpers. Alphastrahlen und Betastrahlen wirken nur auf die äußeren Hautschichten. Gammastrahlen
durchdringen den menschlichen Körper, sie erreichen von
außen jedes Organ, die Knochen etc.
Innere Strahlungsquellen:
Über die Luft, Nahrungsmittel, das Trinkwasser können
radioaktive Substanzen in den Körper gelangen. Somit befinden sich die radioaktiven Stoffe im menschlichen Körper.
Alphastrahlung wirkt im menschlichen Körper sehr schädigend weil keine Abschirmung mehr vorhanden ist.
Radioaktives Material – ganz allgemein „radioaktiver Abfall“
z.B. aus dem Unfall des Kernkraftwerks Tschernobyl, radioaktiver Fallout von Atombombenversuchen, auch wenn sie
vor Jahrzehnten stattgefunden haben, aber auch natürliche
Ursachen wie geologische Prozesse, kann Wasser (Meerwasser, Grundwasser) belasten. Dieses Wasser wird von
Kühen getrunken. Die Kühe geben Milch, die zu Milchprodukten weiter verarbeitet wird. Die Milchprodukte werden schließlich vom Menschen verzehrt.
75
Radioaktivität und Kernenergie
Strahlenschäden beim Menschen (S. 168/169)
Aufgaben
1. Radioaktive Strahlung kann lebende Zellen schädigen.
Es kann zu somatischen und genetischen Schäden
kommen. Somatische Schäden, wie Veränderung des
Blutbildes, Unwohlsein, Erbrechen, Entzündungen, Trübung der Augenlinsen, Krebs treten nur beim bestrahlten
Menschen auf.
Genetische Schäden verändern die Chromosomen. Sie
haben einen Einfluss auf die Nachkommen. Verkrüppelungen etc. können die Folge sein.
2. Frühschäden: Übelkeit, Erbrechen, Fieber, Hautrötungen,
Durchfall, Veränderung des Blutbildes
Spätschäden: Unfruchtbarkeit, Krebs, Trübung der
Augenlinsen etc.
3. Genetische Schäden werden an die Nachkommen weitergegeben.
76
Radioaktivität und Kernenergie
Spaltbares Material und Spaltprodukte (S. 172/173)
Aufgaben
1.
103
45
Rh + 01n →104
46 Pd + e
2.
235
92
90
1
U + 01n →143
54 Xe + 38 Sr +3 0 n
235
92
87
1
U + 01n →147
57 La + 35 Br + 2 0 n
77
Radioaktivität und Kernenergie
Die Kettenreaktion (S. 174)
Aufgaben
1. Uran-235 lässt sich besonders gut mit langsamen Neutronen spalten.
2. Damit es im Natururan zu einer Kettenreaktion kommen
kann, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein.
a) Es muss ein Anfangsneutron zum Spalten vorhanden
sein.
b) Es muss ein ausreichend großer Anteil von U-235
vorhanden sein.
c) Es muss ein Moderator vorhanden sein.
d) Es dürfen keine Stoffe vorhanden sein, die Neutronen
einfangen.
Diese Bedingungen sind im Natururan meist nicht alle
erfüllt.
3. Die kritische Masse ist die Mindestmasse eines Spaltmaterials, in der eine Kettenreaktion ablaufen kann.
78
Radioaktivität und Kernenergie
Sicherheitsvorrichtungen von Kernkraftwerken (S. 178)
Aufgaben
1. Das Austreten radioaktiver Stoffe aus einem Kernkraftwerk soll durch mehrere Sicherheitsbarrieren verhindert
werden.
a) Der Kernbrennstoff ist in Tabletten gepresst, die die
Spaltprodukte einschließen.
b) Die Brennstofftabletten befinden sich in stabilen
Brennstabrohren.
c) Die Brennstäbe befinden sich im Reaktordruckgefäß.
d) Das Reaktordruckgefäß ist von einem Stahlbetonmantel umgeben.
e) Dieser Stahlbetonmantel wird von einer Stahlkugel
umgeben.
f) Diese Stahlkugel befindet sich hinter einer weiteren
Stahlbetonabschirmung.
2. Fällt ein sicherheitstechnisches System aus, wird die
Funktion von einem Ersatzsystem übernommen.
3. Die nach dem Abschalten des Reaktors noch vorhandene
Restwärme sowie die Wärme, die durch weitere Spaltprozesse der entstandenen Spaltprodukte entsteht, muss
abgeführt werden, damit es zu nicht zu einer Überhitzung
oder zum Schmelzen der Brennstäbe kommt.
79
Radioaktivität und Kernenergie
Schlusspunkt (S. 183)
Aufgaben
1. U ist das Elementsymbol für Uran.
92 ist die Ordnungszahl, auch Kernladungszahl Z genannt. Sie gibt die Anzahl der Protonen und der Elektronen eines Uranatoms an.
235 ist die Nukleonenzahl. Sie gibt an, wie viele Teilchen
(Protonen und Neutronen) insgesamt im Kern des Uranatoms vorhanden sind: 92 Protonen und 143 Neutronen.
2. BECQUEREL gilt als Entdecker der Radioaktivität. Durch
Zufall hatte er 1896 ein Stück Uransalz auf einer eingewickelten unbelichteten Fotoplatte liegen gelassen. Diese
war nachher belichtet und zeigte die Umrisse des Uransalz-Brockens. Die Platte war durch die Verpackung hindurch belichtet worden.
3. Fotoplatte/Fotopapier: Teile der Strahlung durchdringen
Papier und belichten das Material.
Geiger-Müller-Zähler: Die Strahlung kann Atome ionisieren. Nebelkammer: Teilchenstrahlung hinterlässt Nebelspuren.
4. Ein Geigerzähler ist ein mit Edelgas gefülltes Metallrohr
(5). Es ist vorne durch eine dünne Folie (2) verschlossen.
Ins Innere des Rohres ragt ein Metalldraht (7). Zwischen
Metalldraht und Metallrohr liegt eine hohe Spannung
(500 V) an. Dringt Strahlung (1) durch die Folie in das
Rohr, wird das Gas ionisiert (3/4). Die Elektronen werden
zum positiv geladenen Draht hin beschleunigt und erzeugen auf ihrem Weg neue freie Elektronen und Ionen
(Stoßionisation). Es kommt zu einer Elektronenlawine.
Kurzzeitig fließt Strom, der elektronisch verstärkt wird und
über einen Lautsprecher als Knacken hörbar wird.
5. a) Der Nulleffekt ist die schwache Radioaktivität, die uns
ständig umgibt, ohne dass sich ein radioaktives Präparat in der Nähe befindet. Ursache für den Nulleffekt
sind kosmische Strahlung und terrestrische Strahlung.
Die terrestrische Strahlung geht von bestimmten Gesteinen und Baumaterialien aus. Auch die Atmosphäre enthält radioaktive Isotope. Deshalb hängt es z.B.
vom Wohnort, aber auch von der Umgebung (z.B. Art
des Materials der Wände des Schulgebäudes) ab,
welchen Wert der Nulleffekt hat.
b) Theoretisch ist dies denkbar, weil auch die kosmische
Strahlung eine Rolle spielt. Diese könnte zeitliche
schwanken. Bei einer Wiederholung der Messung in
den gleichen Räumen, unter den gleichen Bedingungen wird es jedoch normalerweise zu unterschiedlichen Messergebnissen kommen, weil im Schwarzwald größere Mengen von Gesteinsböden vorhanden
sind, die Uran und Radium enthalten.
6. α-Strahlung ist eine Teilchenstrahlung: Ein Kern gibt
dabei einen Heliumkern ab (2 Protonen und 2 Neutronen), sodass 4 Nukleonen den Kern verlassen.
Dabei kommt es zu einer Elementumwandlung, denn die
ursprüngliche Protonenzahl des Kerns vermindert sich
um 2.
7. Gemeinsamkeiten: Beide sind Teilchen-Strahlungen.
Beide führen zu einer Elementumwandlung. Beide lassen
sich im elektrischen Feld ablenken.
Unterschiede: α-Strahlung besteht aus zweifach positiv
80
geladenen Heliumkernen (2 Protonen und 2 Neutronen).
Eine 4–8 cm dicke Luftschicht oder ein Blatt Papier reichen zur Abschirmung.
β-Strahlung besteht aus Elektronen. β-Strahlung kann eine mehrere Meter dicke Luftschicht durchdringen. Sie
lässt sich durch 100 Blatt Papier oder ein 4–5 mm
dickes Aluminiumblech abschirmen.
8. U-238 → α → Th-234
Ein Urankern hat 92 Protonen. Davon werden 2 abgegeben, 90 bleiben über. Es handelt sich jetzt nicht mehr um
ein Uranatom, sondern um ein Thoriumatom. Dieses hat
4 Nukleonen weniger als das U-Atom, das ja 4 Teilchen
(2 Protonen und 2 Neutronen) abgegeben hat.
9. α-Strahlung und β-Strahlung.
10. 235
92 U
11. Die Zeitspanne, in der jeweils die Hälfte eines radioaktiven Stoffes zerfallen ist, heißt HWZ. Radium-226 hat eine
HWZ von 1600 Jahren. D.h., wenn man eine ausreichend
große Anzahl von Ra-226-Atomen betrachtet, dann zerfällt in 1600 Jahren die Hälfte der Radiumatomkerne.
Nach weiteren 1600 Jahren ist wieder die Hälfte zerfallen
usw.
12. a)
Aktivität =
Kernumwandlungen
Zeit
b) 20 Bq heißt, dass 20 Kernumwandlungen pro Sekunde stattfinden.
13. a) Schimmelpilze, Bakterien, Ungeziefer, Salmonellen
u.a. in Lebensmitteln werden zerstört. Die Reifedauer
von Obst und Gemüse kann verlängert werden. Die
Haltbarkeit wird verlängert.
b) Es gibt noch keine Langzeituntersuchungen, die
eventuelle gesundheitliche Nebenwirkungen ausschließen können.
14. a) Radioaktive Substanzen gelangen durch Nahrungsmittel, mit der Atmung und mit dem Trinkwasser in
den Körper des Menschen.
b) Besonders belastet sind Haut, Verdauungsorgane
und Lunge.
15. a)
Radioaktivität und Kernenergie
b) Trifft ein langsames Neutron auf einen U-235-Atomkern, so wird dieser gespalten und es entstehen 2 bis
3 Neutronen. Spalten diese Neutronen wiederum
Urankerne usw., dann wächst die Zahl der Spaltungen schnell an. In Bruchteilen von Sekunden wird so
eine große Energiemenge frei.
c) Neutronen, die bei einer Uranspaltung entstehen,
können einen Uranblock durch die Oberfläche verlassen, bevor sie eine neue Spaltung verursacht haben.
Ist diese Anzahl zu groß, kommt keine Kettenreaktion
zustande.
Ab einer bestimmten Masse des Uranblocks, der so
genannten kritischen Masse, kommt es dagegen immer zu einer Kettenreaktion. Denn aufgrund der größeren Anzahl an Kernen, trifft ein freies Neutron jetzt
mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Kern, bevor es
den Uranblock durch die Oberfläche verlassen kann.
Im Natururan ist eine große Zahl von U-238-Atomen
enthalten. Auf einen U-235-Kern kommen ca. 142 U238-Kerne. Die U-238-Kerne absorbieren die freien
Neutronen, bevor sie U-235-Kerne spalten können.
16. Durch die Spaltung der U-235-Kerne verringert sich deren
Konzentration ständig. Stattdessen entstehen zahlreiche
Spaltprodukte in den Brennstäben, die nicht mehr für eine
Kettenreaktion zu gebrauchen sind. Wird die Konzentration des spaltbaren Materials mit der Zeit zu gering, müssen die Stäbe ausgetauscht werden.
17. –
18. Nach einer HWZ ist noch die Hälfte der ursprünglichen
Kerne vorhanden, nach zwei HWZ ist es noch ein Viertel.
Nach einer weiteren HWZ, also nach insgesamt 90,6 Jahren, liegt noch ein Achtel der ursprünglichen Kerne vor.
81