prisma - Klett

PRISMA
Lehrerhinweise
Baden-Württemberg
NWA l PHYSIK
45
l
1. Auflage 2005
Von diesen Vorlagen ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet.
Die Kopiergebühren sind abgegolten.
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© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2005.
Alle Rechte vorbehalten.
Internetadresse: http://www.klett.de/
Die Lösungen und Hinweise wurden von den Autoren des Schülerbandes erstellt.
Grafiken: Matthias Balonier, Lützelbach – Tom Menzel, Rohlsdorf – Gerhart Römer, Ihringen
Labelgestaltung und Innentitel: Koma Amok®, Kunstbüro für Gestaltung, Stuttgart
ISBN 3-12-0687316-7
Inhaltsverzeichnis
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
4
Formen der Energieübertragung
Die spezifische Wärmekapazität
Schmelzen, Verdampfen, Kondensieren
Schmelzenergie und Erstarrungsenergie
Verdampfungsenergie und Kondensationsenergie
Schlusspunkt
46
47
48
49
49
50
Elektromagnetismus
51
51
52
53
53
54
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57
58
59
Der elektrische Stromkreis
Schaltplan und Schaltzeichen
Reihen- und Parallelschaltung von Lampen
Energiewandlung
Elektrische Geräte sind Energiewandler
Der elektrische Strom
Messung der elektrischen Stromstärke
Wirkung des elektrischen Stroms
Die elektrische Spannung
Galvani und Volta – Erfinder der Batterie
Die Spannung bei der Parallelschaltung
Die Spannung bei der Reihenschaltung
Die Stromstärke bei der Parallelschaltung
Die Stromstärke bei der Reihenschaltung
Schlusspunkt
4
5
5
6
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
17
Strom und Magnetismus
Die elektromagnetische Induktion
Wie lässt sich die Induktionsspannung vergrößern?
Induktion im Vergleich
Wechselspannung und Wechselstrom
Von der Induktion zum Generator
Werkstatt: Der „Mikrogenerator“
Brennpunkt: Generatoren
Drehbare Elektromagnete: Elektromotoren
Schlusspunkt
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
Werkstatt: Widerstände im Test
Der Wiederstand bei der Reihenschaltung
Der Widerstand bei der Parallelschaltung
Kurzschluss und Überlast
Aufgaben
17
18
Elektrische Energieübertragung
60
Arbeit und elektrische Energie
Der Transformator
Der Transformator liefert Spannung nach Bedarf
Stromstärke beim Transformator
Anwendung von Hochstromtransformatoren
Schlusspunkt
60
61
62
63
64
65
Radioaktivität und Kernenergie
67
Brennpunkt: Verbrecherjagd mit Neutronen
Radioaktivität auf der Spur
Werkstatt: Radioaktivität wird gemessen
Elementumwandlung
Die Halbwertszeit
Zerfallsreihe – Altersbestimmung
Die Aktiviät
Brennpunkt: Bestrahlung von Lebensmitteln
Äußere und innere Bestrahlung
Strahlenschäden beim Menschen
Spaltbares Material und Spaltprodukte
Schlusspunkt
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
80
Bewegte Körper und ihre Energie
83
Das Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm
Die beschleunigte Bewegung
Brennpunkt: Sicherheitsabstand beim Auto fahren
Anhalte- und Bremsweg
Trägheit
Das Newton’sche Grundgesetz
Freier Fall
Schlusspunkt
83
84
85
86
87
88
89
90
Elektrische Leitungsvorgänge
91
Elektrische Leitungsvorgänge in Metallen
und Flüssigkeiten
Elektrischer Leitungsvorgang in Gasen
Elektrischer Leitungsvorgang im Vakuum
Halbleiter
Der Leitungsvorgan in Halbleitern
Die Halbleiterdiode
Aus Wechselstrom wird Gleichstrom
Die Solarzelle – ein Minikraftwerk
Aufgabe
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92
93
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95
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97
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99
19
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23
23
24
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26
27
Arbeit und Leistung
29
Physikalische Leistung
Andere Formen physikalischer Arbeit
Strategie: Mit kleinen Kärtchen zum großen Lernerfolg
Seil und Rolle
Die mechanische Leistung
Werkstatt: Leistungsbestimmung
Schlusspunkt
29
30
30
31
32
33
33
Energie
34
Energie – wozu?
Sonnenenergie
Energie kommt in verschiedenen Formen vor
Energieumwandlung – Energieerhaltung
Der Wirkungsgrad
Strategie: Texte kritisch lesen
Brennpunkt: Wasserstoff als Energieträger
Schlusspunkt
34
34
35
36
37
37
38
39
Warm oder kalt?
40
Ein ganz normaler Vorgang: Wärmeübertragung
Wie wird Wärme transportiert?
Werkstatt: Wärme wird geleitet
Die Wärmestrahlung
Wärmedämmung – der Wärmetransport wird verringert
Die Ausdehnung fester Körper
Brennpunkt: Das Bimetall
Die Ausdehnung von Flüssigkeiten
Brennpunkt: Sprinkleranlagen –
automatische Feuerlöscher
Teilchenmodell und innere Energie
40
41
42
42
43
44
44
45
45
46
3
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Der elektrische Stromkreis
Aufgabe
Versuche
Mithilfe der vorgeschlagenen Versuche sollen die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass nur dann elektrischer
Strom fließt, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind:
1. Es muss eine Energiequelle vorhanden sein.
2. Der elektrische Stromkreis muss geschlossen sein.
Für Batterien etc. werden oft die Bezeichnungen Stromquelle,
Spannungsquelle usw. verwendet. Durch den Begriff „Energiequelle“ soll falschen Schülervorstellungen von „Strom“ und
„Spannung“ entgegengewirkt werden. Verdeutlicht werden
soll, dass in Batterien, Netzgeräten usw. Energieumwandlungen stattfinden.
Der Lehrer sollte unbedingt auf die Gefährlichkeit des elektrischen Stroms hinweisen. Schaltungen müssen vorher durch
den Lehrer überprüft werden (evtl. Kurzschlussgefahr).
1. a) Der Versuch a) kann erweitert werden, indem die
Lampe ohne Fassung über Kabel an die Batterie angeschlossen werden soll. Der Versuch kann auch Ausgangspunkt für eine offene Diskussion über elektrische
Leiter und Nichtleiter sein.
b) Am Beispiel des Fahrraddynamos wird nicht nur der
Aspekt der Energieumwandlung in der „Energiequelle“,
sondern auch die Bedeutung eines geschlossenen
Stromkreises verdeutlicht. Weiterführend oder auch als
Hausaufgabe kann der elektrische Stromkreis beim Fahrradlicht untersucht werden.
2. Die Solarzelle stellt elektrische Energie bereit, wenn Licht
auf sie fällt. Der Stromkreis muss geschlossen sein. Je
nach Lichteinfall und Lichtintensität dreht sich der Motor
schneller bzw. langsamer.
4
1. Der elektrische Stromkreis führt von einem Pol der Energiequelle zum Fußkontakt der Lampe. Von dort führt eine
elektrische Verbindung (Draht) zur Glühwendel und weiter zum Gewinde bzw. Seitenkontakt der Glühlampe und
von dort aus zum anderen Pol der Energiequelle.
2. Die Lampe leuchtet nur bei der zweiten Zeichnung von
links. Bei allen anderen Schaltungen liegt kein geschlossener Stromkreis vor.
3. Wenn möglich, sollte diese Aufgabe mit einer tatsächlichen Untersuchung einer Taschenlampe verbunden werden. Die Aufgabe ist auch als Hausaufgabe geeignet. Je
nach Ausführungstyp der Taschenlampe ergeben sich
viele verschiedene Varianten des Stromkreises, die Ansatzpunkt für weitere Diskussionen sein können. Bei der
im Bild gezeigten Taschenlampe führt der Stromkreis
vom oberen Pol der zwei Batterien zur Lampe. Als Rückleitung dient das metallische Gehäuse (oder eine Metallschiene im Innern) der Taschenlampe.
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Schaltplan und Schaltzeichen
Anhand geeigneter einfacher Versuche sollen die Schülerinnen und Schüler lernen, die entsprechende Schaltskizze
einer realen Schaltung zu erstellen, aber auch umgekehrt
anhand einer Schaltskizze, die zugehörige Schaltung aufzubauen und zu erklären. Geeignete Versuche sowie Schaltungen bzw. Schaltskizzen finden sich auch auf anderen Seiten
des Buches.
Für viele Schülerinnen und Schüler kann es hilfreich sein,
zunächst den Stromkreis in Bild 2 bei verschiedenen Schalterstellungen zu verfolgen und dann die Schaltung „nachzubauen“ und zu erläutern.
Versuche
1. Der vorgeschlagene Versuch beinhaltet eine offenere
Aufgabenstellung, die bereits zu Reihen- und Parallelschaltung von Bauteilen hinführt. Dennoch liegt der
Schwerpunkt zunächst bei der Abstraktion von der realen
Schaltung zur richtig gezeichneten Schaltskizze. Dafür ist
es wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler die Stromkreise zunächst in Worten beschreiben und dann erst
zeichnen.
Zur Versuchsaufgabe gibt es viele Varianten. Die Lämpchen können aber grundsätzlich entweder in Reihe
(Bild 1) oder aber parallel (Bild 2) angeordnet sein. Je
nachdem, an welcher Stelle der Schalter eingebaut wird,
ergeben sich verschiedene Funktionen. Deshalb sollten
die Schüler angehalten werden, die Schaltung zu erläutern. (Die Markierungen im Bild kennzeichnen andere
Einbaumöglichkeiten.)
Bei Verwendung eines Wechselschalters sind weitere
Varianten möglich.
Reihen- und Parallelschaltung von Lampen
Zusatzinformationen
Die Erarbeitung der Reihen- und Parallelschaltung zweier
Lampen kann sehr gut problemorientiert erfolgen. Erfahrungsgemäß finden die Schülerinnen und Schüler neben
diesen beiden Schaltungen (in diversen Abwandlungen) auch
Schaltungen, in denen eine oder beide Lampen überbrückt
sind. Evtl. ist es deshalb sinnvoll, zunächst den Kurzschluss
(als ungehinderten Stromfluss von einem Pol der Spannungsquelle zum anderen) im Unterricht zu thematisieren.
Es bietet sich hier auch die Frage an, welche Lämpchen
leuchten. Viele Schülerinnen und Schüler sind der Meinung,
dass Strom immer den kürzesten Weg nimmt und somit bei
der Parallelschaltung nur eine Lampe leuchtet. Bei der Reihenschaltung wird z.B. gesagt, dass nur eine Lampe leuchtet,
die andere nicht, weil der „Strom durch die erste Lampe
verbraucht wird“.
Versuche
1
2
Je mehr gleichartige Lämpchen in Reihe geschaltet sind,
desto geringer ist die Helligkeit der einzelnen Lampe.
Die Anwendung dieser Schaltung ist die Weihnachtsbaumbeleuchtung. Leider werden hier aber häufig Lampen mit parallel geschalteten Heißleitern eingebaut, sodass bei Defekt eines Lämpchens der Stromkreis
weiterhin geschlossen ist.
Als Ergänzung zu diesem Versuch sollte man auch einmal unterschiedliche Lämpchen in Reihe schalten!
Bei der Parallelschaltung leuchten alle (gleichartigen)
Lämpchen gleich hell. Die Helligkeit verändert sich nicht,
wenn weitere Lämpchen parallel geschaltet werden.
Die Parallelschaltung ist die klassische Haushaltsschaltung. Normalerweise werden alle Haushaltsgeräte parallel
zueinander geschaltet, sodass an jedem Gerät die Haushaltsspannung anliegt.
Aufgabe
1. a) Reihenschaltung: Der Schalter kann an jeder beliebigen
Stelle des Stromkreises eingebaut werden.
Parallelschaltung:
b) Reihenschaltung: Es ist nicht möglich, jedes Lämpchen
einzeln an- oder auszuschalten.
Parallelschaltung: (siehe Markierungen)
5
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Energiewandlung
Aufgabe
1. Der Draht wird zu einer Spirale gewickelt, da er sich sonst
nicht in dem engen Kolben unterbringen ließe. In der Spirale dürfen sich die Windungen nicht berühren, weil sonst
durch Kurzschluss die Gesamtlänge verringert würde.
Die eng nebeneinander liegenden Windungen erwärmen
sich gegenseitig. Die engen Windungen können durch
Konvektion nicht so gut gekühlt werden, als wenn sie weiter wären. Die Temperatur der Wendel ist somit höher.
2. Der Draht der Glühwendel verbrennt, weil der Kolben
nicht evakuiert oder mit einem entsprechenden (sauerstofffreien) Gas gefüllt ist.
Elektrische Geräte sind Energiewandler
Versuche
Anhand verschiedener Beispiele werden die Begriffe Energie
und Energieerhaltung verdeutlicht. Energie wird weder erzeugt noch verbraucht, sondern Energie wird nur in andere
Formen umgewandelt bzw. übertragen. Energie ist die Fähigkeit, (physikalisch) Arbeit zu verrichten. Dies kann anhand
vieler alltäglicher Beispiele verdeutlicht werden.
1. a) Lichtenergie wird (hauptsächlich) in Bewegungsenergie des Motors umgewandelt.
b) Bewegungsenergie (z.B. durch Drehen mit der Hand)
wird in Wärme und Lichtenergie umgewandelt. Die Helligkeit des Lämpchens hängt von der zugeführten Energiemenge sowie von dem verwendeten Lämpchen ab.
Aufgaben
1. Beispiele für elektrisch betriebene Geräte gibt es unzählige (Wasserkocher, Mixgeräte, Rotlichtlampe usw.) Beispiele für manuell betriebene Geräte: Rührgerät (Handmixer), Kaffeemühle
2. Die Sonnenenergie wird in Solarzellen in elektrische
Energie umgewandelt, diese wird im Motor in Bewegungsenergie (und teilweise in Wärme) umgewandelt.
3. Die Schüler werden angehalten, sich kritisch mit gängigen Formulierungen auseinander zu setzen. Es sollte
deutlich werden, dass in Batterien, Netzgeräten keine
Energie „erzeugt“ wird. Bezeichnungen wie z.B. Stromquelle, Spannungsquelle, Energiequelle werden in der
Umgangssprache oft unreflektiert verwendet. Einerseits
hat dies historische Gründe, andererseits ist es aber auf
Unkenntnis der physikalischen Vorgänge zurückzuführen.
6
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Der elektrische Strom
Aufgabe
1. Ströme haben als Gemeinsamkeit, dass etwas „fließt“. In
den Bildern 1 bis 3 fließen Wasserteilchen, Autos, Luftteilchen. Im Gegensatz zu Autos sind einzelne Wasseroder Lutteilchen nicht sichtbar. Somit ist es auch schwierig, sie zu zählen, um eine „Stromstärke“ zu messen.
Versuche
3. Bitte unbedingt beachten! Bei der Durchführung dieses
Versuches sollten unbedingt Schutzwiderstände von
10 MΩ in Reihe geschaltet werden.
7
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Messung der elektrischen Stromstärke
Aufgrund der Varianten-Vielzahl der Messgeräte kann nur auf
die grundsätzlichen Sachverhalte bei der Messung der elektrischen Stromstärke eingegangen werden.
Versuch
1. Die Schüler sollten dazu angehalten werden, den Versuch genau zu protokollieren. Es sollte besonders Wert
gelegt werden auf die richtige Wahl des Messbereichs.
Ebenso können die Lämpchen durch andere Bauteile ersetzt werden. Anhand der Messungen können erste Vermutungen über den Zusammenhang von Antrieb und
Hemmung im Stromkreis diskutiert werden.
Aufgabe
1. – in mA: 3000 mA, 150 mA, 80 mA
– in A: 1,5 A ; 0,270 A; 0,05 A
8
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Wirkungen des elektrischen Stroms
Zusatzinformationen
Die Versuche 1 bis 3 behandeln die Wirkungen des elektrischen Stroms: Lichtwirkung, Wärmewirkung und magnetische
Wirkung.
Die chemische Wirkung wird an anderer Stelle behandelt,
kann hier aber auch ergänzend hinzugefügt werden. Es
eignet sich z.B. die Wasseranalyse mithilfe des Hofmann’schen Wasserzersetzungsapparats. Die Gasentwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff ist abhägig vom Strom
bzw. der Spannung.
9
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Die elektrische Spannung
Mithilfe der Versuche sollen die Schüler erkennen, dass
elektrische Spannung eine Voraussetzung ist, damit elektrischer Strom fließt. Unterschiedlicher Antrieb (unterschiedliche Spannung) bewirkt eine unterschiedliche Funktion der
Elektrogeräte. Anhand des Wassermodells kann dies gut
nachvollzogen werden. Ebenso wird dabei der Zusammenhang von Spannung und Energie deutlich.
Versuche
1. Die Versuche können auch noch mit weiteren Spannungsquellen (z.B. Dynamo, Solarzelle) und anderen
Bauteilen durchgeführt werden.
2. Im Versuch a) erkennen die Schüler keinen Unterschied.
Erst im Versuch b) wird deutlich, dass das Vertauschen
der Pole auch eine Änderung der Bewegungsrichtung des
Gleichstrommotors bewirkt.
Aufgabe
1. Die Spannung, die eine Batterie liefert, liegt normalerweise im Bereich von 1,5 V bis 9 V. Eine Haushaltslampe
benötigt aber eine wesentlich höhere Spannung. Elektrogerät und Quelle müssen zusammenpassen. An weiteren
Beispielen kann das verdeutlicht werden: Leuchtdioden
und geeignete Betriebsspannung; Reise-Haartrockner
und Netzspannungen in anderen Ländern usw. An dieser
Stelle ist besonders auf die Gefährlichkeit beim Umgang
mit elektrischem Strom hinzuweisen.
2. Insbesondere bei benutzten Batterien stimmt die Spannung nicht immer mit den Angaben auf der Batterie überein. Ursache dafür sind z.B. die chemischen Vorgänge in
der Batterie.
3. Erfolgt der Antrieb (Pumpe) nur in einer Richtung, bewegt
sich das Wasser immer in gleicher Richtung. Die Energie
wird zum Motor transportiert und der Motor bewegt sich
ebenfalls in eine Richtung. Beim Richtungswechsel des
Antriebs (Pumpe) wechselt auch die Bewegungsrichtung
des Wassers und somit auch der Turbine.
4. Modelle sind gedankliche Konstrukte, die helfen sollen,
von bestimmten Vorgängen ein anschaulicheres Bild zu
erhalten. Deshalb müssen die Schülerinnen und Schüler
erkennen, dass Modelle nicht der Realität entsprechen
und dass jedes Modell seine Grenzen hat. Die Diskussionen über die Eignung des jeweiligen Modells ist sehr anspruchsvoll und hilft, den Spannungsbegriff besser zu
verstehen. Beispiele für Modelle, zu denen es auch im Internet Informationen gibt: www.schule.de
10
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Galvani und Volta – Erfinder der Batterie
Aufgabe
1. Galvanisieren ist ein elektrochemisches Verfahren, bei
dem ein dünner Metallüberzug auf einem Gegenstand
(meist aus Metall) abgeschieden wird. Man galvanisiert
Gegenstände, um diese vor Korrosion zu schützen oder
z.B. die Oberfläche härter zu machen bzw. zu veredeln.
Typische Produkte, die durch galvanisieren veredelt werden, sind z.B. versilbertes Tischgeschirr oder verchromte
Autoteile. Zum Verfahren: Zunächst wird der zu beschichtende Gegenstand in eine Galvanisierflüssigkeit gebracht,
in dem ein Salz des Beschichtungsmetalls aufgelöst ist.
Das zu beschichtende Werkstück wird mit dem Minuspol
einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der andere Leiter (im Bad eingetaucht), der meist auch aus dem Beschichtungsmetall besteht, führt zum Pluspol. Sobald ein
Strom durch die Lösung fließt, scheiden sich die Atome
des Beschichtungsmetalls, aufgrund einer chemischen
Reaktion, auf dem Werkstück ab.
Mit einem Galvanometer kann man z.B. die elektrische
Stromstärke messen. Elektrische Werte lassen sich nicht
direkt erfassen. Deshalb nutzt man Eigenschaften bzw.
Wirkungen des elektrischen Stroms, um eine messbare
Größe entstehen zu lassen. Bei einem Galvanometer zur
Stromstärkemessung ist eine stromdurchflossene Spule
drehbar in einem magnetischen Feld aufgehängt. Ändert
sich der Strom, der durch die Spule fließt, kommt es zu
einer sichtbaren Auslenkung der Spule und des damit
verbundenen Zeigers.
Der Begriff Galvanotechnik ist der Oberbegriff für ein
technisches Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen
mit Hilfe des elektrischen Stroms. Anstelle des Begriffs
„Galvanotechnik” wird dafür auch „Galvanik“ verwendet,
Die Tätigkeit selbst wird Galvanisieren genannt.
Die Galvanoplastik ist ein Verfahren, mit dem vor allem
dickere Metallschichten durch den elektrischen Strom auf
ein Werkstück aufgebracht werden. Das Verfahren wird
vor allem zur Herstellung von kompletten Werkstücken
oder von technischen Gießformen verwendet. Zum Verfahren: Zunächst wird von dem geforderten Werkstück
ein Abguss z.B. aus Gips hergestellt. Um die Oberfläche
des Abgusses leitfähig zu machen, wird eine dünne Metallschicht aufgedampft. Dann wird der Gipsabguss in ein
galvanisches Bad getaucht und eine Spannung angelegt.
Nachdem die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, wird
der Abguss (Vorlage) entfernt und man erhält das Produkt aus dem gewünschten Metall.
Versuche
Anstelle eines Messgeräts kann auch eine Leuchtdiode als
Nachweis für den Stromfluss verwendet werden.
11
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Die Spannung bei der Parallelschaltung
Die Versuche zur Parallelschaltung benötigen mindestens
zwei Messgeräte pro Gruppe. Grundsätzlich ist die Verwendung von analogen Messgeräten vorzuziehen, da hier von
den einzelnen Gruppen das Ergebnis automatisch gerundet
wird. Allerdings sind analoge Messgeräte auch sehr teuer.
In Baumärkten findet man häufig preiswerte, digitale Messgeräte. Hiermit sollte man im Vorfeld Ableseübungen vornehmen und die Ergebnisse mit den Schülerinnen und Schülern
geeignet runden.
Aufgabe
1.
Zusatzinformationen
Es empfiehlt sich an dieser Stelle, eine Mehrfachsteckdose
zu öffnen und die Verdrahtung mit den Schülerinnen und
Schülern zu besprechen.
12
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Die Spannung bei der Reihenschaltung
Die Versuche zur Reihenschaltung benötigen mindesten zwei
Messgeräte pro Gruppe. Grundsätzlich ist die Verwendung
von analogen Messgeräten vorzuziehen, da hier von den
einzelnen Gruppen das Ergebnis automatisch gerundet wird.
Allerdings sind analoge Messgeräte auch sehr teuer.
In Baumärkten findet man häufig preiswerte, digitale Messgeräte. Hiermit sollte man im Vorfeld Ableseübungen vornehmen und die Ergebnisse mit den Schülerinnen und Schülern geeignet runden.
Versuche
Es sollte unbedingt auch der Versuch 2 durchgeführt werden,
damit die Schülerinnen und Schüler nicht der falschen Vorstellung erliegen, dass die Spannung sich „gleichmäßig“ auf
die Lampen aufteilt.
Aufgaben
1. Bei einer Netzspannung von 230 V liegt an jedem gleichartigen Lämpchen eine gleich große Spannung an.
Bei 30 Lämpchen beträgt die Spannung etwa 7,67 V, bei
40 Lämpchen 5,75 V und bei 80 Lämpchen etwa 2,88 V.
Bei größerer Nennspannung: Die Spannung an den übrigen Lampen verringert sich. Bei kleinerer Nennspannung:
Die Spannung an den übrigen Lampen vergrößert sich.
13
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Die Stromstärke bei der Parallelschaltung
Die Versuche zur Parallelschaltung und zur Reihenschaltung
benötigen mindesten drei Messgeräte pro Gruppe. Grundsätzlich ist die Verwendung von analogen Messgeräten vorzuziehen, da hier von den einzelnen Gruppen das Ergebnis
automatisch gerundet wird. Allerdings sind analoge Messgeräte auch sehr teuer.
In Baumärkten findet man häufig preiswerte, digitale Messgeräte. Hiermit sollte man im Vorfeld Ableseübungen vornehmen und die Ergebnisse mit den Schülerinnen und Schülern geeignet runden.
Aufgaben
1. Gemäß den Gesetzmäßigkeiten der Parallelschaltung gilt:
Ig = I1 + I2 + I3 + I4
Die Gesamtstromstärke beträgt:
Ig = 1 A + 0,75 A + 0,12 A + 0,015 A
Ig = 1,885 A
14
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Die Stromstärke bei der Reihenschaltung
Die Versuche zur Reihenschaltung benötigen mindesten drei
Messgeräte pro Gruppe. Grundsätzlich ist die Verwendung
von analogen Messgeräten vorzuziehen, da hier von den
einzelnen Gruppen das Ergebnis automatisch gerundet wird.
Allerdings sind analoge Messgeräte auch sehr teuer.
In Baumärkten findet man häufig preiswerte, digitale Messgeräte. Hiermit sollte man im Vorfeld Ableseübungen vornehmen und die Ergebnisse mit den Schülerinnen und Schülern geeignet runden.
15
Elektrischer Strom – fließende elektrische Ladung
Schlusspunkt
5.
Aufgabe
1. Ladungen sind auch in ungeladenen Körpern vorhanden.
Die Körper sind elektrisch neutral. Bei neutralen Körpern
ist die Anzahl der positiven und der negativen Ladungen
gleich.
2. Unter elektrischem Strom versteht man die gerichtete
Bewegung von elektrischen Ladungen. Damit sich die
Ladungen gerichtet bewegen, ist eine elektrische Spannung notwendig. Die Größe der elektrischen Spannung
gibt an, wie stark z.B. die Elektronen in einem Leiter angetrieben werden.
3. Die physikalischen Vorgänge und Begriffe, wie z.B.
Strom, Energie usw., sollten klar von den umgangssprachlichen Äußerungen abgegrenzt werden. Die Antwort b) ist richtig. Elektrischer Strom (und somit die Ladungsträger) werden nicht verbraucht.
4.
6. Bei einer Parallelschaltung gilt:
Die Gesamtstromstärke = Summe der Teilstromstärken.
Somit beträgt die Stromstärke durch die andere Lampe
I = 0,420 A - 0,27 A
I = 0,15 A
Die Spannungen sind alle gleich groß.
7. Bei der Reihenschaltung der Lampen verteilt sich die
Netzspannung auf die 80 Lampen. Die Stromstärke ist
gleich. Unter der Voraussetzung, dass gleiche Lämpchen
verwendet wurden, gilt:
U (Lampe) = 230 V : 80
U (Lampe) = 2,875 V
8. Die erste Bedingung trifft für alle drei Skizzen zu. Erst bei
der zweiten Bedingung wird die Lösung (Skizze 3) deutlich.
9. Im Haushalt sind alle elektrischen Geräte parallel geschaltet, daher haben alle einen eigenen Stromkreis und
können getrennt an- oder ausgeschaltet werden.
10. Elektrischen Strom erkennt man an seinen Wirkungen.
Dies sind:
– magnetische Wirkung (Elektromagnet bzw. Kompass
nadel in der Umgebung eines Strom führenden Leiters wird abgelenkt),
– chemische Wirkung (Elektrolyse),
– Wärmewirkung (Tauchsieder),
– Licht (Glühfaden in einer Lampe, Leuchtdiode)
11. Wenn kein Gerät angeschlossen ist, fließt kein elektrischer Strom. Die Steckdose ist eine Spannungsquelle.
Erst dann, wenn der Stromkreis von einem Pol der Steckdose zum anderen Pol der Steckdose geschlossen wird,
werden die Elektronen angetrieben und somit fließt
Strom.
16
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Der elektrische Strom wird gehemmt
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.
Versuche
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
Sowohl Lampe, als auch Motor und Bleistiftmine sind keine
ohmschen Widerstände, daher sind ihre Widerstandswerte
nicht konstant. Es geht hier lediglich um den Nachweis, dass
unterschiedliche Bauteile bzw. Geräte den elektrischen Strom
unterschiedlich hemmen.
17
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Der elektrische Widerstandswert
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 1Ohm 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, 400 0000 Ω, 500 000 Ω
2. 4,3 kΩ, 0,56 kΩ, 3000 kΩ, 1600 kΩ, 20 kΩ
3. Lampe1: 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.
18
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Berechnung von Spannung, Stromstärke und
Widerstandswert
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. I = 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:
1. Zunächst muss die Taschenlampe genau analysiert
werden:
– Aufbau der Taschenlampe
– Stromverlauf und Stromkreis ist zu zeichnen und
zu beschreiben
– Mit welcher Batteriespannung arbeitet die
Taschenlampe?
– Welches Lämpchen ist eingebaut?
2. 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.
3. 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.
4. 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, aber nicht 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.
19
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Wovon hängt der Widerstandswert eines Drahtes ab?
Aufgaben
Versuche
1. a) Die vorliegenden Messungen wurden mit Drähten mit
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.
20
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
1. Die Stromstärke wird wesentlich niedriger sein, denn
Konstantan hemmt den elektrischen Strom mehr als
Kupfer.
Weiterführende Aufgaben zum Diagramm:
– Wie verändert sich die Stromstärke, wenn der gleiche
Kupferdraht verlängert (verkürzt) wird? Antwort: I wird
kleiner (größer).
– Wie verändert sich der Widerstandswert, wenn der
Eisendraht gegen einen dickeren Eisendraht der gleichen Länge ausgetauscht wird? Antwort: R wird kleiner.
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Widerstandsberechung von Leitern
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 mehr als den doppelten Widerstandswert R = 0,208 Ω.
2. a) R 0,07 Ω
b) I 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)
21
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Das Ohm´sche Gesetz
Ausgangspunkt sind die Angaben von U und I auf dem
Lämpchen. Durch die Versuche wird deutlich, dass man zwar
für jedes U-I-Messwertpaar 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 nicht diese Bedingung, daher gilt für sie nicht das Ohm’sche Gesetz.
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 nicht das Ohm’sche
Gesetz. 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.
22
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Festwiderstände
Werkstatt: Widerstände im Test
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.
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. Zur Vorbereitung der
Werkstattversuche ist es empfehlenswert, die direkten Widerstandsmessungen an einfachen Bauteilen zu üben. Dies
kann z.B. als Überprüfung von Festwiderständen erfolgen
oder auch als Kontrolle von eigenen U, I -Messungen.
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.
Stehen keine Widerstandsmessgeräte zur Verfügung, können
die gleichen Versuche mittels Stromstärkemessung durchgeführt werden. Anhand der Stromstärkewerte können Aussagen über den Widerstandswert des Bauteils gemacht werden.
23
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Der Widerstand bei der Reihenschaltung
Aufgaben
1. Widerstandswert des Lämpchens
R = U : I = 2,5 V : 0,15 A 16,7 Ω
Gesamtwiderstandswert von Lämpchen und Rx:
Rges = RLämp + Rx
Rges = 16,7 Ω + 43,3 Ω
Rges = 60 Ω
24
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Der Widerstand bei der Parallelschaltung
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 =
6
150 Ω
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
25
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Kurzschluss und Überlastung
Versuche
Zusatzinformationen
Haushaltssicherungen im „Zählerkasten“ haben die Aufgabe,
den Strom zu unterbrechen, wenn er einen bestimmten Wert
überschreitet. Dieser Fall kann eintreten, wenn z.B. zu viele
Geräte gleichzeitig eingeschaltet sind oder wenn ein Elektromotor mit großer Leistung anläuft. Der Anlaufstrom ist ganz
erheblich höher als der Strom im normalen Betrieb. Die Sicherung soll in erster Linie einen Brand verhindern, sie
schützt das Stromnetz, nicht den Menschen. Die meisten
Stromkreise im Haushalt sind üblicherweise bis 16 A abgesichert. Schmelzsicherungspatronen wird man nur noch in
älteren Häusern finden.
Feinsicherungen sind Schmelzsicherungen. Sie bestehen
aus einem Glasröhrchen mit Endhülsen, zwischen denen ein
feiner Draht gespannt ist. Sie schützen Bauteile in elektrischen Geräten. Insbesondere Feinsicherungen sprechen je
nach Verwendung unterschiedlich rasch an. Sie tragen die
Aufdrucke F (flink), M (mittel) oder T (träge)
Sicherungen für das Auto sind ebenfalls Schmelzsicherungen. Sie sind teilweise für sehr große Stromstärken bis 30 A
ausgelegt. An verschiedenen Autostecksicherungen können
Schüler sehr deutlich den Zusammenhang zwischen der
Dicke des Schmelzdrahtes und der Stromstärke erkennen.
Schmelzsicherungen müssen ersetzt werden, wenn sie
„durchgebrannt“ sind.
Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) können auch Menschen vor Schaden durch elektrischen Strom schützen. In
einem Fehlerstrom-Schutzschalter wird die Stromstärke in
der Hin- und der Rückleitung verglichen. Wenn sie nicht
gleich ist, weil z.B. jemand eine Leitung berührt und ein Teil
des Stroms durch seinen Körper fließt, dann unterbricht der
Schalter den Strom. Der Schalter reagiert bereits bei einer
Differenz von ca. 0,03 A und unterbricht den Strom in ca.
0,03 s, sodass im Allgemeinen keine größeren Verletzungen
eintreten.
Fehlerstrom-Schutzschalter können nicht reagieren, wenn
jemand gleichzeitig die Hin- und die Rückleitung berührt.
26
1. Mit dem Versuch werden überlastete Stromkreise demonstriert.
Die Versuche zeigen, je mehr Lämpchen parallel angeschlossen werden, desto mehr Strom fließt im Stromkreis.
Ein zu großer Strom kann zu einem Brand führen.
2. Der Versuch wird traditionell mit einem Lamettafaden
durchgeführt, der bei größerer Stromstärke leicht
schmilzt. Metall-Lametta ist jedoch nicht mehr handelsüblich. Als Ersatz kann man einen schmalen Streifen
Aluminiumfolie so vorbereiten, dass er bei der gewünschten Stromstärke durchbrennt.
Aluminiumfolien sind verschieden dick, deshalb muss
man die Maße des Streifens vorher ausprobieren. Man
schneidet dazu einen 1 cm breiten und 5 cm langen Streifen Folie ab, faltet ihn und schneidet den Streifen an der
Faltlinie bis auf ca. 1 mm ab. Nach dem Auffalten ergibt
sich die dargestellte Form.
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
Aufgaben
Aufgaben
1. Physikalische Eigenschaft des Leiters, den elektrischen
Strom zu hemmen oder Widerstandswert R eines Leiters
oder feste oder veränderliche Widerstandsbauteile
2. Im Stromkreis mit der Lampe wird der Strom am stärksten
gehemmt, da eine größere Spannung angelegt werden
muss, damit die gleiche Stromstärke erreicht wird.
3. Die Stromstärke wird kleiner.
4. a) 15 000 Ω, 1300 Ω, 2 000 000 Ω, 57 Ω, 500 000 Ω
b) 6,320 kΩ, 0,072 kΩ, 450,215 kΩ, 3300 kΩ
5. Das Lämpchen wird in Reihe mit einem Amperemeter an
6 V Gleichspannung angeschlossen. Die Stromstärke
wird gemessen und damit R berechnet.
17. a) Kupferdraht – rote Kurve, Konstantandraht – blaue
Kurve
b) Kupfer: R = 0,5 V : 0,5 A = 1 Ω
R = 2,5 V : 1,9 A 1,3 Ω
Konstantan: R = 0,5 V : 0,5 A = 1 Ω
R = 2,5 V : 2,5 A = 1 Ω
18. Festwiderstände haben einen konstanten Widerstandswert, daher gilt für sie das Ohm’sche Gesetz.
19. a) R = 80 Ω dreifache Stromstärke (I = 150 mA) halbe
Spannung (in diesem Fall 2 V) anlegen. Das ist möglich,
weil ein Festwiderstand einen konstanten Widerstandswert besitzt, der in a) berechnet wurde. Die Spannung beträgt dann 40 V.
e) Werte für den Festwiderstand:
U in V
I in mA
6. R = 5 V : 0,830 A 6 Ω
8. R = 76,7 Ω (gerundet)
9. Kaltleiter PTC: Je höher die Temperatur des Kaltleiters
(Pfeil nach oben), desto höher wird sein Widerstandswert
(Pfeil nach oben). Sie dienen z.B. als Sensoren in Maschinen zum Schutz vor Überhitzung. Heißleiter NTC: Je
höher die Temperatur des Heißleiters (Pfeil nach oben),
desto geringer wird sein Widerstandswert (Pfeil nach unten). Sie dienen z.B. als Sensor in Brandmeldern, zur
Temperaturregelung in Geräten. NTC-Widerstände bestehen aus Halbleitermaterial. Halbleiter leiten umso besser, je mehr Energie (Wärme, Licht) zugeführt wird.
10. Viele Potentiometer bestehen aus einem Keramikzylinder, der mit Leitermaterial beschichtet ist. Mit einem
Schleifkontakt, den man über die Widerstandsbahn hinund herbewegen kann, wird der Widerstandswert des
Bauteils verändert.
12. Der längere Draht hat einen höheren Widerstandswert.
R wächst proportional mit der Drahtlänge (bei gleichem
Material und gleicher Querschnittsfläche).
13. Sie hat recht. Haben die beiden Drähte unterschiedliche
Querschnittsflächen oder unterschiedliche Temperaturen,
dann sind ihre Widerstandswerte nicht gleich.
14. Dies kann man erreichen, indem man die Drahtlänge
verdoppelt oder einen gleich langen Draht mit halber
Querschnittsfläche benutzt oder indem man ein anderes
Material (mit doppeltem spezifischen Widerstandswert)
wählt.
15. Das ist richtig, wenn der Widerstandswert des Leiters
bzw. Bauteils konstant bleibt.
16. Mit zunehmender Stromstärke erwärmt sich der Eisendraht, sein Widerstandswert wird größer. Damit ist die
Bedingung, unter der das Ohm’sche Gesetz gilt, nicht erfüllt.
1
12,5
2
25
3
37,5
4
50
5
62,5
6
75
80
70
60
I in mA
7. von links nach rechts (gerundete Werte): R = 13,3 Ω,
U = 60 V, R = 500 Ω, I = 0,5 A, U = 31,5 V
0
0
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
U in V
20. RLämp. = 15 Ω, Rges = 25 Ω, Iges = 0,4 A
21. a) Gesuchter Widerstand (Ux=0,4 V I = 0,020 A):
Rx=20 Ω
b) Beide Möglichkeiten sind richtig.
22. Es liegt eine Parallelschaltung vor. Bei ungerundeten
Werten ergibt sich: RRadio=2645 Ω RLampe=2116 Ω und
Rges=1175,6 Ω (gerundet). 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.
23. 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 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.
27
Der elektrische Strom stößt auf Widerstand
24. a) Rges = 45 Ω, damit ist I1 = 0,2 A und U1 = 4 V und
U2 = 5 V
b) Rges = 8 Ω, damit ist I2 = 2,5 A = I3, U3 = 20 V
25. Im Haushalt liegt eine Parallelschaltung vor. Werden viele
Elektrogeräte gleichzeitig angeschlossen, sinkt der Gesamtwiderstand. Dadurch steigt die Stromstärke an. Die
Sicherungen gewährleisten, dass der Stromkreis bei zu
hoher Stromstärke unterbrochen wird.
26. a) Ein 1 m langer Kupferdraht mit der Querschnittsfläche
von 1 mm² hat den Widerstandswert R = 0,0175 Ω
(bei 20 °C).
Der Widerstandswert des Cu-Drahtes ist kleiner, demzufolge steigt die Stromstärke im Stromkreis.
27. a) Glühfaden 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.
28. Bsp.: l = 60 m / A = 1 mm² oder l = 120 m / A = 2mm²
29. Lämpchen R = 15 Ω
Bild 6a) Rges = 25 Ω
Bild 6b) Rges = 2015 Ω
Bild 6c) (Parallelschaltung beider Widerstände)
R=
10 Ω · 10 Ω
=5Ω
10 Ω + 10 Ω
Gesamtwiderstandswert (Reihenschaltung)
Rges = 15 Ω + 5 Ω = 20 Ω
28
Arbeit und Leistung
Physikalische Arbeit
Versuche
Zusatzinformationen
Ziel dieser Seite ist es, den Schülerinnen und Schülern klar
zu machen, dass bei der Verrichtung physikalischer Arbeit
3 Bedingungen erfüllt sein müssen:
1. eine Kraft muss aufgewendet werden
2. der Körper muss sich bewegen und
3. Kraftrichtung und Bewegungsrichtung müssen übereinstimmen.
Aus dem Alltag kennen die Schülerinnen und Schüler den
Arbeitsbegriff. Er wird sowohl für die Tätigkeiten im Garten
(Gartenarbeit) als auch für das Schreiben einer Arbeit (Klassenarbeit) verwendet.
Beim Halten einer Last wird im physikalischem Sinn keine
Arbeit verrichtet, obwohl die Person nach einiger Zeit ins
„Schwitzen“ kommt. In den entsprechenden Muskeln wird
„statische Muskelarbeit“ verrichtet. Es wird Wärme abgegeben. Dieser Energieumsatz bedingt die Aufnahme von Nahrung.
Das Space-Shuttle fliegt im Orbit nahezu reibungsfrei. Aus
diesem Grund sind die Raketenmotoren abgestellt und das
Space-Shuttle fliegt ohne Energieverbrauch, es wird keine
physikalische Arbeit verrichtet.
Tatsächlich ist jedoch etwas Reibung vorhanden, was zu
einem Höhenverlust von ca. 100 m pro Tag führen kann.
Dieser einfache Versuch verdeutlicht den Schülerinnen und
Schülern nochmals die 3 Bedingungen für die Verrichtung
physikalischer Arbeit.
Die Berechnung der Hubarbeit ist eine erste leichte Einführung in die Anwendung der Formel für die Hubarbeit.
29
Arbeit und Leistung
Andere Formen physikalischer Arbeit
Aufgabe
1. a)
b)
c)
d)
e)
f)
Verformungsarbeit
Beschleunigungsarbeit
Spannarbeit
Hubarbeit
Reibungsarbeit
Verformungsarbeit
Strategie: Mit kleinen Kärtchen zum großen Lernerfolg
Zusatzinformationen
Das Verfahren der Lernkartei funktioniert bei allen Unterrichtsfächern.
Der große Lernerfolg bei diesem Lernverfahren beruht auf
den 5 Fächern.
Die verschiedenen Fächer werden in immer länger werdenden Zeitabschnitten wiederholt. So wird gewährleistet, dass
der Merkstoff mehrere Male wiederholt wird.
Für schwache Schüler werden die einzelnen Aufgaben überschaubar.
Die Lernkartei birgt aber auch Gefahren!
Der Lernstoff wird in kleine Einzelinformationen zerstückelt
(s.o.).
Lerninhalte können so aus ihrem Sinnzusammenhang gerissen werden, der Überblick für das Ganze kann verloren gehen.
Was nützen einzelne phy. Formeln und Gesetze, wenn der
Schüler nicht weiß in welchem Zusammenhang sie stehen
und wie er sie anwenden bzw. einordnen kann?
Wenn der Schüler kein Verständnis der phy. Größen hat, wird
er zwar die Formel W = F · s hersagen können, aber verstanden oder anwenden kann er sie vielleicht nicht.
30
Arbeit und Leistung
Seil und Rolle
Aufgabe
2. FG = 850 N
a) feste Rolle: FZ = 850 N
b) lose Rolle: FZ = 425 N
sZ = 15 m
sZ = 30 m
3. Der Karabinerhaken hängt im Seil wie eine lose Rolle.
Deshalb brauchen die beiden Retter auf dem Berg nur
noch halb so viel Kraft zum Hochziehen des verletzten
Bergsteigers.
31
Arbeit und Leistung
Die Mechanische Leistung
Zusatzinformationen
Die Einführung der Leistungsformel geschieht mithilfe eines
gestellten Versuchs. Zur Vereinfachung werden bei diesem
Beispiel nur zwei der drei möglichen Variablen verändert. Die
Schüler finden schnell heraus, dass zu einer gerechten Leistungsbeurteilung die Zeit eine wesentliche Rolle spielt.
Für leistungsstarke Klassen könnte ein dritter Radfahrer ins
Spiel gebracht werden, der einen größeren Höherunterschied
bewältigt.
Denkbar wäre auch ein Beispiel mit Seil klettern oder Treppen steigen.
Den Schülerinnen und Schülern muss klar gemacht werden,
dass es diese Art der Leistungsmessung im Sport bzw.
Sportunterricht nicht gibt. Die Masse des Sportlers (Gewicht)
wird nicht berücksichtigt. Für die Leistungsmessung bei den
Bundesjugendspielen spielt nur der Jahrgang und das Geschlecht eine Rolle.
Möglich wäre auch anhand von ermittelten Ergebnissen (z.B.
Treppen steigen) die Leistungsformel zu erarbeiten.
32
Werkstatt: Leistungsbestimmung
Zusatzinformationen
Die beiden Beispiele „Treppen steigen“ und „Skateboard
ziehen“ stehen für einen anschaulichen und erlebbaren Physikunterricht. Die Versuche sind leicht durchzuführen, das
Problem ist, dass nicht alle Schülerinnen und Schüler aktiv
beteiligt werden können.
Beim Treppen steigen ist es u.U. ratsam, Schulleitung, Sekretariat etc. zu informieren, weil es zu Ruhestörungen kommen
kann. Verständlicherweise wollen die Schülerinnen und
Schüler ihr Bestes geben, um gute Versuchswerte zu erzielen.
Beim „Skateboard ziehen“ muss der Lehrer die zwei Schüler
selber aussuchen, denn der Versuch ist nicht ganz unproblematisch. Zieht der Schüler ruckartig am Seil, so kann der
Schüler der auf dem Skateboard steht nach hinten fallen und
sich verletzen. Ein Helm sowie Arm- und Beinschützer verringern das Verletzungsrisiko. Der Schüler, der auf dem Skateboard steht, sollte einige Erfahrung im Umgang mit dem Brett
haben, damit er beim Ziehen geradeaus fahren kann.
Letztendlich kommt es bei den beiden Versuchen nicht darauf an, Höchstleistungen zu erzielen.
Bei dem Versuch mit dem Motor wird als Ergänzung auf die
Seite 143 verwiesen.
Arbeit und Leistung
Schlusspunkt
Aufgabe
1. Bei der Begründung gibt es 2 Möglichkeiten:
a) Wenn beim Schreiben auf die geistige Tätigkeit abgehoben wird, hat Tina keine Arbeit im physikalischen Sinn
verrichtet.
b) Wird auf den eigentlichen Schreibvorgang Wert gelegt,
dann hat sie sehr wohl Reibungsarbeit (Reibung zwischen Papier und Schreibgerätspitze) verrichtet.
2. Beim Halten des Koffers vor der Gepäckablage verrichtet
Marco keine Arbeit. Er hält den Koffer unter Kraftaufwand
in den Händen, aber der Koffer bewegt sich noch nicht
nach oben. Erst wenn der Koffer an Höhe gewinnt, verrichtet Marco Hubarbeit an dem Koffer.
3. a) Der Sportler wendet eine Kraft auf und der Gummi
bewegt sich: Spannarbeit.
b) Unter Kraftaufwand der Schrottpresse wird der Wagen
zerdrückt: Verformungsarbeit.
c) Um die Rakete in den Weltraum zu befördern ist eine
Schubkraft notwendig: Beschleunigungsarbeit.
d) Da die Raumkapsel nahezu reibungsfrei fliegt ist keine
Kraft (außer für eine andere Bahnhöhe, Bahnkorrektur)
erforderlich. Es wird keine Arbeit verrichtet.
e) Peter verrichtet keine Arbeit an der Kiste.
f) Wegen der Motorkraft bewegt sich der Aufzug nach
oben: Es wird Hubarbeit verrichtet.
g) Erkan drückt zwar unter Kraftaufwand die Tür zu, da
sie sich aber nicht bewegt, verrichtet er keine Arbeit.
4. Fahrrad fahren (Reibungsarbeit), Ton bearbeiten (Verformungsarbeit) etc.
5. a) Jeweils 700 J
b) Jeweils 350 J
c) Jeweils 140 J
d) Jeweils 1750 J
Versteht man unter der Last die gesamte Menge an Quadern, so ist die verrichtete Hubarbeit in jedem Fall 3500 J.
Für a) muss der Kran 5-mal die Last nach oben ziehen
also 5 ⭈ 700 J = 3500 J.
6. 19,5 kJ
7. 2700 J
8. 45 kg
9. Die Masse des Wagens spielt (außer am Anfang zur Beschleunigung) nur für die Reibungskraft eine Rolle. Die
Gewichtskraft des Wagens zeigt senkrecht nach unten,
es geht also nur die Zugkraft zur Überwindung der Reibungskraft in die Berechnung ein. Drehen sich die Rollen
des Wagens schlechter, erhöht sich die Zugkraft, obwohl
die Gewichtskraft (Masse) des Wagens gleich geblieben
ist.
10. Reibungsarbeit 560 J, Hubarbeit 1200 J, Reibungsarbeit
15000 J. Insgesamt 16,76 kJ.
11. Bei der Berechnung der Arbeit mit der Formel W = F ⭈ s
muss die Kraft konstant sein. Die aufgewendete Kraft nimmt
jedoch beim Ziehen ständig zu. Die Endkraft von 50 N ist
somit viel zu groß. Zur Berechnung der Spannarbeit wird die
Formel W = 1/2 ⭈ F ⭈ s verwendet.
12. a) Die Arbeit vervierfacht sich.
b) Die Arbeit bleibt gleich.
c) Die Arbeit nimmt um das 1,5fache zu.
13. Verrichtete Arbeit (Kraftaufwand und zurückgelegte
Strecke) und die Zeit.
14. a) 183,75 W
b) 13,5 s
15. 1,2 W. Der Motor hat noch eine Verlustleistung. Es entsteht Wärme. Ferner könnten die ermittelten Werte, insbesondere die Zeit falsch sein.
16. Die Leistung berechnet sich nach der Formel P = F ⭈ s/t.
Folglich kann man die Leistung steigern, wenn man die
Größen F und s vergrößert oder t verkleinert. Beim
Trimm-Fahrrad kann über eine Bremse entweder mechanisch oder über Magnetwirkung der Kraftaufwand vergrößert werden. Wenn man mehr leisten will, muss man folglich mehr Kraft aufwenden, bei gleicher Wegstrecke und
Zeit.
17. 200 W
18. 104 W
19. 35,29 W
20. Der Motor der die Last über einen Flaschenzug nach
oben zieht muss mehr Seil/Draht aufwickeln. Damit er die
gleiche Leistung vollbringt, muss er sich schneller drehen.
21. 450 W
33
Energie
Energie – wozu?
Zusatzinformationen
Natürlich brennt nicht jedes Nahrungsmittel. Was jedoch die
wenigsten Schüler wissen, ist, dass Schokolade tatsächlich
mit einer kleinen Flamme brennt. Die in der Schokolade
enthaltene Energie kann z.T. in Wärme umgewandelt werden.
Aufgabe
1. a) Elektrische Energie
b) Chemische Energie des Wachses
c) Viele Taschenrechner werden mit Solarzellen betrieben: Sonnenenergie
d) Die in dem Futter enthaltene Energie kann vom Glühwürmchen z.T. in Licht umgewandelt werden
e) Elektrische Energie
f) Das warme Wasser kann auf sehr unterschiedliche
Weise erwärmt werden. Normalerweise über die Verbrennung von Öl, Gas, Kohle, Holz etc., aber auch über eine
Solaranlage oder durch Erdwärme.
34
Sonnenenergie
Aufgabe
1. Die Erklärung der Grafik kann mithilfe des Textes vorgenommen werden.
Energie
Energie kommt in verschiedenen Formen vor
Versuche
1. Beim Hochheben des Gewichts wird Energie des
menschlichen Körpers auf das Gewicht übertragen. Es
erhält Lageenergie. Wird das Gewicht losgelassen und
fällt nach unten, wandelt sich die Lageenergie in Bewegungsenergie des Wagens um. An dem Wagen wird Beschleunigungsarbeit verrichtet. Schlägt das Gewicht auf
die Tischplatte auf, wird der Wagen nicht mehr beschleunigt. Kann er ungehindert weiterfahren (lange Schnur),
wird er verzögert. Die Bewegungsenergie wird in Wärme
umgewandelt.
35
Energie
Energieumwandlung – Energieerhaltung
Versuche
1. a) Das ausgelenkte Massestück hat Lageenergie. Beim
Loslassen schwingt das Pendel hin und her. Die Lageenergie wandelt sich in Bewegungsenergie um. Am tiefsten Punkt (Ruhelage) hat das Massestück seine maximale Bewegungsenergie, die Geschwindigkeit ist dort am
größten (bei der ersten Schwingung). Da der Faden am
Finger reibt, wird ein großer Teil der Lageenergie in Reibungswärme umgewandelt.
b) Die Schwingungsdauer eines Fadenpendels wird nach
der Formel
T = 2π
l
g
berechnet. Sie hängt also nur von der Fadenlänge und
der Erdbeschleunigung, die als konstant angenommen
werden kann, ab.
Bei einer Fadenlänge von 30–35 cm und einem Massestück von 20 g erhält man ca. 15 Schwingungen. Die letzten sehr kleinen Auslenkungen sind dabei nicht mitgezählt. Wie oben beschrieben, hängt die Schwingungsdauer im Idealfall nicht von der Masse ab. Beim real
durchgeführten Versuch einer gedämpften Schwingung
ist das anders. Denn je größer die Masse ist, desto stärker reibt der Zwirnsfaden (Nähfaden) am Finger und desto stärker ist die Dämpfung. Bei einem Massestück von
50 g und gleicher Fadenlänge wie oben, erhält man ca.
8 Schwingungen.
c) Die ursprüngliche Energie wird in Wärme umgewandelt. Das ist u.U. am Finger spürbar.
36
Energie
Der Wirkungsgrad
Aufgaben
1. Ein Wirkungsgrad von 15% bei einer Leuchtstoffröhre
bedeutet: 15% der eingesetzten Energie werden in nutzbare Energie (Licht) umgewandelt. 85% der eingesetzten
Energie werden in „Verlustenergie“ umgewandelt, z.B. in
Wärme.
Strategie: Texte kritisch lesen
Aufgabe
Die Beantwortung der Aufgabe erfolgt am besten mit einer
Internet-Recherche.
Möglicherweise gibt es auch aktuelle Beiträge in Zeitschriften
oder Zeitungen zu diesem Thema.
2. Der Wirkungsgrad des Automotors von 20-28% besagt,
dass nur 20-28% der eingesetzten Energie, die im Treibstoff enthalten ist, im Motor in Bewegungsenergie umgesetzt wird. Mehr als zwei Drittel der eingesetzten Energie
wird in andere Energieformen, z.B. Wärme, umgewandelt.
Beim gesamten Auto ist die Energiebilanz noch schlechter (ca. 16%), weil zusätzlich andere „Verlustenergien“
beim Fahren entstehen, z.B. bei der Erwärmung von mechanischen Teilen durch Reibung (Bremsen, Lager, Reifen-Fahrbahn...).
3. Geg.: EChem = 128 000 MJ
Eelektr. = 46 500 MJ
Ges.: Wirkungsgrad
Lösung:
E
η = elektr.
EChem
η=
46 500 MJ
128 000 MJ
η ⬇ 0,36
Der Wirkungsgrad beträgt ca. 36%.
37
Energie
Brennpunkt: Wasserstoff als Energieträger
Aufgabe
Möglichkeiten der Präsentation:
Vortrag mit Folien, Plakaten, Computer, Power-Point, FlipChart, Tafel etc.
Dazu auch: – Strategieseite „Erstellen einer ComputerPräsentation“ in NWA 3
38
Energie
Schlusspunkt
Aufgabe
1. Tauchsieder, Herdplatte, Glühlampe, Heizdecke, Heizstrahler, Haarfön etc.
2. Um zu beweisen, dass zwei Batterien vom gleich Typ
unterschiedlich viel Energie gespeichert haben, schließt
man beide an die selbe Glühlampe an und misst die
Leuchtdauer der Lampe. Bei wiederaufladbaren Batterien
ist die Amperestundenzahl aufgedruckt z.B. Mignon
1700 mAh.
3. Die Artisten wandeln Lageenergie in Bewegungsenergie
um. Im tiefsten Bahnpunkt haben sie die größte Geschwindigkeit.
4. Die Bewegungsenergie wird in Wärme umgewandelt.
5. Dreht sich der Bohrer schnell und über eine längeren
Zeitraum in einem Werkstück, so wird der Bohrer und das
Material heiß. Die Bewegungsenergie des Bohrers leistet
am Werkstück Verformungsarbeit und wird in Folge der
Reibung in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann so
stark werden, dass sich das Material und der Bohrer verfärbt. Aus diesem Grund wird mit „Bohrwasser“ gekühlt.
6. a) Beim Bungeespringen wird zunächst die Lageenergie
des Springers in Bewegungsenergie umgewandelt. Strafft
sich das Gummiseil, wird der Springer abgebremst und
die Bewegungsenergie wird in Spannenergie umgewandelt. Ist die Bewegungsenergie null wird das Gummiseil
nicht weiter gespannt und der Springer wird nach oben
beschleunigt. Allerdings nicht mehr auf die ursprüngliche
Höhe, weil ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt
wurde.
b) Die gesamte Lageenergie wandelt sich beim Sprung
nach unten in Bewegungsenergie um. Beim Aufprall auf
das Wasser ist die Bewegungsenergie am größten. Durch
die Reibung des Wasser wird die Bewegungsenergie in
Wärme umgewandelt.
7. a) Elektrische Energie in Wärme
b) Keine Energieumwandlung
c) Chemische Energie verrichtet an Steinen Verformungsarbeit, ein Teil geht auch in Wärme über.
d) Lageenergie in Bewegungsenergie
e) Keine Energieumwandlung
8. Der Energieerhaltungssatz gilt. Wenn man z.B. für die
Beheizung eines ungedämmten Hause 5000 Liter Öl benötigt, so geht ein großer Teil der Wärme an die Umwelt
und ist somit für uns „verloren“. Bei einem gedämmten
Haus benötigt man z.B. nur 2000 Liter Heizöl bei gleicher
Raumtemperatur. Somit ist einen Ölmenge von 3000 Liter
gespart worden. Mit diesem Öl können weitere Häuser
beheizt werden oder andere Produkte hergestellt werden,
die Öl als Rohstoff benötigen.
9. Das wäre ein Perpetuum mobile, eine Maschine, die ohne
Energiezufuhr arbeitet. Da der Generator und die Pumpe
sich immer etwas erwärmen, geht ein Teil der ursprünglichen Lageenergie des Wassers in Wärme über. Es wird
also immer weniger Wasser nach oben gepumpt als nach
unten geflossen ist. Nach einer gewissen Zeit befindet
sich das gesamte Wasser im unteren Becken. Der Generator wird nicht mehr angetrieben, die Pumpe befördert
kein Wasser mehr nach oben.
10. a) Die Wärme kommt von der Verbrennung des Kraftstoffes.
b) Im Sommer muss die Wärme über einen Kühler an die
Umwelt abgegeben werden. Verbrennungsmotoren müssen gekühlt werden.
c) Neue Autos verbrauchen sehr viel weniger Kraftstoff
als noch vor etlichen Jahren. Damit ist auch die Wärmemenge, die bei der Verbrennung entsteht deutlich geringer. Großraumlimousinen können deshalb in sehr kalten
Wintern nicht mehr ausreichend beheizt werden. Sie benötigen deshalb eine Zusatzheizung.
11. Maximal kann er auf die gleiche Höhe kommen wie sein
Partner zuvor.
12. Zunächst hat der Wagen Bewegungsenergie. Berührt die
Feder die Wand, wird die Bewegungsenergie in Spannenergie umgewandelt. An der Feder wird Verformungsarbeit verrichtet. Ist der Wagen zum Stillstand gekommen,
wird die Feder nicht mehr weiter zusammengedrückt. Sie
entspannt sich und verrichtet an dem Wagen Beschleunigungsarbeit. Die Spannenergie der Feder hat sich in Bewegungsenergie umgewandelt.
13. Nein, die Kohlen haben den gleichen Heizwert. Die vergrößerte Lageenergie steckt in den Verbrennungsprodukten (Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und unverbrannten Kohleteilchen).
14. Um die Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, ist eine Solarzelle notwendig. Die Nutzung der Sonnenenergie ist kostenlos, das Umwandlungsgerät (Solarzelle) allerdings nicht.
15. Nach dem Energieerhaltungssatz geht keine Energie
verloren, sie wandelt sich nur von einer Form in eine andere um. Die Energieübertragung kann durch Verrichten
von Arbeit aber auch durch die Übertragung von Wärme
erfolgen. Der Energieaustausch kann also durch einen
Arbeitsprozess oder durch einen Wärmetausch erfolgen.
Ein fahrendes Auto besitzt Bewegungsenergie. Wird es
abgebremst geht diese Bewegungsenergie in Wärme
(Bremsscheiben, Luft) über.
16. Durch die Verbrennung des Treibstoffes erfährt das Flugzeug eine Schubkraft und das Flugzeug wird in Richtung
der Schubkraft bewegt. Es wird folglich am Flugzeug Beschleunigungsarbeit verrichtet. Das Flugzeug hat jetzt
Bewegungsenergie. Beim Abheben wird am Flugzeug
Hubarbeit verrichtet, die die Lageenergie des Flugzeugs
erhöht.
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Warm oder kalt?
Ein ganz normaler Vorgang: Wärmeübertragung
Aufgaben
1. Verbrennt Benzin, so entsteht Wärme und die Zylinder
des Motors werden heiß. Ein Kühlsystem sorgt für Abhilfe: Kühlwasser umspült die Zylinder und nimmt Energie
auf. Dann wird das heiße Wasser durch eine Pumpe in
den Kühler gedrückt und kann dort einen Teil seiner
Energie an die Umgebungsluft abgeben.
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Warm oder kalt?
Wie wird Wärme transportiert?
Aufgaben
Versuche
1. Ist das Glas nicht zu schmal gewählt und tropft man die
Tinte zur Glaswand hin in das Wasser, lässt sich der Versuch aus Bild 1 zur Wärmeströmung als Heimversuch
machen. Dabei muss man darauf achten, dass die Kerze
an der Stelle unter das Glas gehalten wird, an der sich
auch die Tinte befindet.
1. Gemeinsamkeiten: Mit Wasser gefülltes Rohrsystem;
Wärmequelle, die das Wasser erhitzt.
In beiden Systemen bewegt sich das Wasser im
Rohrsystem und führt dabei die Energie (Wärme) mit.
3. Luftgekühlte Automotoren, Lüftungsschlitze/-räume an
der Rückseite von Kühl- und Gefrierschränken.
41
Warm oder kalt?
Werkstatt: Wärme wird geleitet
Die Wärmestrahlung
Aufgaben
Aufgabe zu Versuch 2:
Die Reihenfolge der Sohlentypen ergibt sich aus Bild 2.
Die Brandsohle wird auf den Leisten gezogen. Bevor die
Laufsohle befestigt wird, wird ggf. eine Zwischensohle eingelegt, die aus einem wärmedämmenden Material besteht.
Auch die Laufsohle wird u.a. den jahreszeitlichen Gegebenheiten angepasst, z.B. in Bezug auf die Profilbildung. Die
Decksohlen variieren von Leder über Kork bis zu Textilstoffen
und Kunstfell. In der heutigen Zeit hat die Bedeutung der
wärmedämmenden Funktionen der Sohlen erheblich abgenommen.
Versuche
3. Es ergibt sich die folgende Reihenfolge:
Kupfer, Eisen, Aluminium, Glas, Holz.
42
Aufgaben
1.
a) Breitet sich Wärme ohne einen Stoff aus, spricht man
von Wärmestrahlung. Eine Abschirmung ist möglich.
Beispiel: Aufenthalt am Lagerfeuer, dabei Abschirmung der Wärmestrahlen durch andere Personen.
b) Wärmeströmung, Wärmeleitung.
Bei diesen beiden Arten des Wärmetransports sind
Stoffe notwendig. Bei der Wärmeströmung wird die
Energie zusammen mit dem Stoff transportiert, bei der
Wärmeleitung wird die Energie mithilfe des Stoffs weitergeführt. Der Stoff selbst wandert aber nicht mit.
Warm oder kalt?
Wärmedämmung – der Wärmetransport wird verringert
Versuche
Aufgaben
1. Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter und deshalb ist
Luft für Wärmedämmung besonders gut geeignet.
2. Zwischen den Kleidungsstücken sind Luftpolster und je
mehr Luftpolster zwischen der Außenluft und dem Körper
sind, desto geringer ist der Wärmetransport.
3. Heizungsrohre sind mit Isoliermaterialien umgeben, damit
beim Wärmetransport zwischen dem Keller und den
Heizkörpern keine Energie verloren geht.
4. Der Glaskörper der Thermoskanne ist doppelwandig.
Zwischen den doppelten Wänden wurde die Luft evakuiert, um Wärmeleitung und Wärmströmung zu verhindern.
Der Glaskörper ist außerdem innen und außen verspiegelt: Verringerung der Wärmestrahlung.
Die Außenhülle besteht aus Kunststoff (schlechter Wärmeleiter). Zwischen dem Glaskörper und der Außenhülle
befindet sich Luft (schlechter Wärmeleiter). Der Schraubverschluss enthält oft Kork oder Styropor® (schlechter
Wärmeleiter).
1. In dem Glaskolben mit Wärmedämmung verhindern die
Styroporplatten unten und oben einen Wärmetransport.
Die „eingeschlossene“ Luft dient ebenfalls zur Isolierung.
Daher sinkt die Temperatur in dem Glaskolben ohne
Wärmedämmung stärker als in dem Glaskolben mit Wärmedämmung.
Der Versuch kann in Teilen die Funktionsweise einer
Thermoskanne illustrieren.
2. In den verpackten Reagenzgläsern wird das Wasser
wärmer bleiben. Wie warm das Wasser in den verpackten
Reagenzgläsern bleibt, hängt von der Art der Verpackung
ab.
Zusatzinformationen
Für Versuche zu dieser Thematik bieten sich Isoliermaterialien von Baustellen an.
Um ein Loch in ein Stück Styropor® zu bohren, bietet es sich
an, einen heißen Lötkolben zu nehmen. Damit kann man
Löcher in Styropor® „hineinschmelzen“. Dies muss allerdings
wegen der Dämpfe unter dem Abzug geschehen.
43
Warm oder kalt?
Die Ausdehnung fester Körper
Versuche
1. Der Stab der Halterung zieht sich beim Abkühlen wieder
zusammen. Dadurch wird der eingespannte Bolzen zerbrochen.
2. Die Kugel dehnt sich beim Erhitzen aus. Dadurch passt
sie nicht mehr durch die Öffnung.
3. Die Messergebnisse müssen ähnlich sein, wie bei den
Werten in Tabelle 1: Ein Aluminiumstab muss sich stärker
ausdehnen als ein Kupferstab und der wiederum stärker
als ein Eisenstab.
Brennpunkt: Das Bimetall
Versuche
1. Der Bimetallstreifen sollte von beiden Seiten nacheinander erhitzt werden, um zu zeigen, dass er sich nicht nach
unten biegt, weil das Material durch die Erwärmung etwa
„weicher“ wird. Diese Vermutung wird von Schülern oft
geäußert. Der Bimetallstreifen biegt sich immer zu der
Seite mit dem Material, das sich weniger stark ausdehnt.
2. Das Klicken im Bügeleisen wird durch das Ein- und Ausschalten des Bimetallschalters verursacht. Man kann
auch beobachten, dass dabei die Kontrollleuchte reagiert.
Aufgaben
Aufgaben
1. Indem man Dehnungsfugen einbaut.
2. Da zur Verstärkung des Beton ein Eisengeflecht eingebaut wird, ist es günstig, dass sich beide Materialien
gleich stark ausdehnen. Würde sich Eisen stärker ausdehnen, bekäme der Beton Risse.
3. Ausgangswert ist der angegebene Wert in Tabelle 1:
Ein 100 Meter langer Betonstab dehnt sich bei einer
Temperaturerhöhung von 20 °C um 24 mm aus. Ist der
Stab drei Mal so lang, dehnt er sich auch drei Mal so viel
aus, also 72 mm = 7,2 cm.
Zusatzinformationen
Eine interessante Zusatzaufgabe ist es, im Schulgebäude
oder an anderen großen Gebäuden nach Dehnungsfugen
suchen zu lassen.
1. Ein Bimetall ist ein „Zweimetall“. Es besteht aus zwei fest
miteinander verbundenen Metallstreifen.
2. Beim Einschalten des Bügeleisens ist der Bimetallschalter geschlossen. Es fließt Strom und die Heizwendel wird
heiß. Bei einer bestimmten Temperatur öffnet sich der
Bimetallschalter. Es fließt kein Strom mehr, bis das Bügeleisen sich wieder etwas abgekühlt hat und der Bimetallstreifen den Kontakt wieder schließt.
3. Das Bimetallthermometer hat einen spiralförmig aufgewickelten Bimetallstreifen. Am Ende des Streifens ist ein
Zeiger befestigt. Nimmt die Temperatur zu, rollt sich die
Spirale ab, nimmt die Temperatur ab, wickelt sich die Spirale auf. Durch die Bewegung des Zeigers kann die Temperatur abgelesen werden.
Zusatzinformationen
Es gibt eine Reihe von Geräten in der Küche, die über einen
Bimetallschalter gesteuert werden. Das geschieht unter anderem in Herdplatten und Backöfen. Auch diese Beispiele
sollten angeführt werden.
44
Warm oder kalt?
Die Ausdehnung von Flüssigkeiten
Brennpunkt: Sprinkleranlagen – automatische
Feuerlöscher
Versuche
Zusatzinformationen
1. Dieser Einführungsversuch kann auch mit ungefärbtem
Wasser gemacht werden. Wenn der Kolben groß gewählt
wird, ist die Ausdehnung beim Erwärmen und das Zusammenziehen beim Abkühlen gut erkennbar. Dabei
braucht auf die Anomalie des Wassers noch nicht eingegangen werden.
Es kann die Hausaufgabe gestellt werden, beim nächsten
Besuch in einem Kaufhaus oder großen Bürohaus nachzusehen, ob eine Sprinkleranlage vorhanden ist.
2. Die Reagenzgläser können z.B. mit Wasser, Speiseöl
und Alkohol gefüllt werden.
Zusatzinformationen
Es ist sicherlich interessant, die Heizungsanlage der Schule
zu besichtigen und sie sich vom Hausmeister erklären zu
lassen. Den Schülerinnen und Schüler kann auch die Aufgabe gestellt werden, sich die Heizungsanlage in ihrem Wohnhaus anzuschauen und nach dem Ausdehnungsgefäß zu
suchen.
45
Warm oder kalt?
Teilchenmodell und innere Energie
Versuche
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, bewegen auch die
Aluminiumteilchen.
Formen der Energieübertragung
Versuche
1. Wenn ein dickerer Draht ständig hin und her gebogen
wird, erwärmt er sich.
2. Das kalte Wasser wird wärmer und das warme kälter.
Es findet eine Energieübertragung statt.
Aufgaben
1. a) Die Energieübertragung findet vom Brenner zum Werkstück statt.
b) Durch die heiße Flamme wird die innere Energie des
Werkstücks erhöht. Seine Temperatur steigt dabei.
2. Beim abbremsenden Fahrzeug wird an den Bremsen
Wärme frei. Glühlampen werden heiß. An der Bohrmaschine wird die Bohrspitze 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.
Fühle die Temperatur an der Bohrspitze. Vorsicht!
46
Warm oder kalt?
Die spezifische Wärmekapazität
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.
2. Die Temperaturerhöhung hängt natürlich von der Leistung der Heizplatte ab. Das Rechenbeispiel im Text bezieht sich auf eine Leistung von 600 W.
Aufgabe
1. Um 1 kg Kupfer um 1 K zu erwärmen, wird eine Energie
von 0,385 kJ 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
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
c von Aluminium beträgt 0,896 kJ/(kg · K)
47
Warm oder kalt?
Schmelzen, Verdampfen, Kondensieren
Aufgabe
1. Beim Sublimieren geht ein Körper vom festen in den
gasförmigen Zustand über, ohne flüssig zu werden. Beim
Resublimieren geht ein Körper vom gasförmigen in den
festen Zustand über, ohne flüssig zu werden.
3. Wenn ein flüssiger Körper erwärmt wird, dann nimmt die
Bewegung seiner Teilchen zu. Dadurch vergrößert sich
deren Abstand untereinander. Die Bindungskräfte werden
schwächer. Schließlich verlassen die Teilchen ihre Plätze.
48
Warm oder kalt?
Schmelzenergie und Erstarrungsenergie
Versuche
1. Während des Versuchs sollte die Wasser-Eis-Mischung
jeweils vor dem Messen durchgerührt werden.
2. Bei diesem Versuch sollte ständig umgerührt werden.
Aufgabe
1. Ein mit Eiswürfeln gekühltes Getränk bleibt länger kühl,
weil die Schmelzenergie für das Eis der Flüssigkeit entzogen wird.
Verdampfungsenergie und Kondensationsenergie
Versuche
1. Je nach Wassermenge kann es notwendig sein, im Abstand von jeweils 1 Minute die Temperaturen zu messen.
Nach dem Erreichen des Siedepunktes sollten noch mindestens 4 Messungen durchgeführt werden.
2. Die Temperaturerhöhung erfolgt, weil dem Wasser Kondensationsenergie zugeführt wird.
3. Mit diesem Versuch kann näherungsweise die Verdampfungsenergie für Wasser berechnet werden.
2. Die Energie beim Schmelzen wird benötigt, um die Bindungskräfte zu lockern.
3. Seen sind „Energiespeicher“. Das Wasser kühlt sich viel
langsamer ab als die Luft.
49
Warm oder kalt?
Schlusspunkt
Aufgabe
1. Im Heizraum (meistens im Keller) 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.
2. Am Beispiel des Hausbaus zeigt sich an vielen Stellen,
dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Haus und
der Außenluft verhindert werden soll. Wenn im Winter das
Haus beheizt wird, soll die Wärme nicht entweichen.
Wenn es im Sommer draußen heiß ist, soll es im Haus
kühl bleiben. Das erreicht man durch die Verwendung
von Baumaterialien, die schlechte Wärmeleiter sind. Damit kann man Mauerwerk und Dach isolieren und eine
möglichst gute Wärmedämmung erreichen.
3. Das Gehäuse ist meist aus Kunststoff, denn Kunststoff ist
ein schlechter Wärmeleiter. Die Luft zwischen Gehäuse
und Glaskolben ist ebenfalls ein schlechter Wärmeleiter.
Der doppelwandige und verspiegelte Glaskoben ist evakuiert: Die Verspiegelung verhindert Wärmestrahlung,
das Vakuum verhindert Wärmeleitung und Wärmeströmung.
4. – Hände aneinander reiben
– Mehrmals mit einem Hammer auf einen Nagel schlagen
– An einem Seil herunterrutschen
– Bremsen (Fahrrad, Auto)
5. Durch Reibung entsteht Wärme.
6. a) Blei
b) Wasser
Blei hat von den aufgeführten Stoffen die niedrigste
spezifische Wärmekapazität, Wasser die höchste.
7. Q = c ⋅ m⋅ ∆ T
Q = 4,18 ⋅ 10⋅ 30 kJ
Q = 1254 kJ
8. Q = 0,452 ⋅ 1000 ⋅ 780 kJ
Q = 352560 kJ
50
9. ∆ T =
∆T=
Q
K
c⋅ m
200
K
0,129 ⋅ 3
∆ T = 517 K
10. Wird einem Körper im flüssigen Zustand Energie entzogen, verringert sich seine Temperatur. Die Teilchen
(Atome/Moleküle) bewegen sich langsamer. Ihre Bindungskräfte werden größer. Beim Erreichen der Erstarrungstemperatur ändert sich der Aggregatzustand. Der
Körper wird fest.
11. Man muss dem Körper Energie zuführen oder entziehen.
12. Das Diagramm zeigt, wie 1 kg Eis geschmolzen wird.
Anschließend wird das Wasser erwärmt.
Zum Schmelzen von 1 kg Eis ist eine Schmelzenergie
von 336 kJ nötig. Bei 0 °C erfolgt der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand (Wasser). Bei der weiteren
Erwärmung von 0 °C auf 100 °C sind 4,2 kJ nötig, um das
Wasser um 1 K zu erwärmen.
13. Die jährliche Ersparnis beim Ausschalten eines Fernsehgerätes, statt es im Stand-by-Betrieb zu lassen, kann
über 40 Euro betragen.
14. – 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
– ...
15. – 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 Licht nicht unnötig lange brennt.
Elektromagnetismus
Strom und Magnetismus
Aufgabe
1. 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.
2. Die Stärke des Magnetfeldes eines Elektromagneten
lässt sich verringern durch:
– eine geringere Windungszahl der Spule
– Weglassen des Eisenkernes
– eine geringere Stromstärke durch die Spule
51
Elektromagnetismus
Die elektromagnetische Induktion
Aufgabe
1. Wenn sich eine Spule in einem veränderlichen Magnetfeld befindet, dann wird eine Spannung induziert.
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.
52
Elektromagnetismus
Wie lässt sich die Induktionsspannung vergrößern?
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.
Induktion im Versuch
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.
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
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 70m 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.
53
Elektromagnetismus
Wechselspannung und Wechselstrom
Aufgabe
1. Betrag und Vorzeichen von Wechselspannung bzw.
Wechselstrom ändern sich mit der Zeit.
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
54
Elektromagnetismus
Von der Induktion zum Generator
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 statt 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.
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
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.
Aufgabe
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.)
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 gegenüber denen des unteren
Käfigs versetzt sind.
55
Elektromagnetismus
Werkstatt: Der „Mikrogenerator“
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 Taschenlampe-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.
56
Elektromagnetismus
Brennpunkt: Generatoren
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, so dass 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: 3-8007-1599-2
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
der Generator an Strom erzeugte, desto mehr Strom steht zur
Erregung des Magnetfeldes zur Verfügung. Dieser Prozess
setzt sich solange 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
57
Elektromagnetismus
Drehbare Elektromagnete: Elektromotoren
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. 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!
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-
58
motoren, auch die ersten Automobilrennen wurden von Elektroautos gewonnen. Allerdings setze 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 wird, 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“.
(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?
(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?
(Wenn sich die Magnetpole des Rotors und des Stators
genau gegenüber stehen, ist der Rotor im Totpunkt. Mit
einem Dreifachanker als Rotor gibt es keinen Totpunkt
mehr.)
Elektromagnetismus
Schlusspunkt
Aufgabe
1. Elektrizität und Magnetismus bedingen sich gegenseitig.
Jeder elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld. Umgekehrt kann aber auch durch ein veränderliches Magnetfeld elektrischer Strom erzeugt werden.
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. Daher wird das
Magnetfeld verstärkt. Der Draht wird zu einer Spule gewickelt. In die Spule wird ein Eisenkern geschoben.
Vorteile im Gegensatz zu Dauermagneten:
– Die Stärke des Elektromagneten lässt sich regeln.
– Er lässt sich abschalten.
– Elektromagnete sind unempfindlich(er) gegenüber
Stößen.
3. a) Modell der Elementarmagnete: Im unmagnetisierten
Eisen liegen die Elementarmagnete völlig ungeordnet vor.
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) Entsprechend hohe Windungszahlen der Spule, Verwendung eines Drahtmaterials mit geringem Widerstandswert, Eisenkern, hohe Stromstärken durch die Spule
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 Magnet und
Spule sich gemeinsam in die gleiche Richtung oder wenn
der Magnet (ohne Lageveränderung) in der Spule gedreht
wird. Es erfolgt keine Magnetfeldänderung.
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.
6. Nein, denn es erfolgt in diesem Fall keine Magnetfeldänderung.
7. a) Ein Induktionsstrom fließt, wenn eine Spannung induziert wird und der Spulenstromkreis geschlossen ist.
b) Der Induktionsstrom kann z.B. die Richtung wechseln
beim
– An- und Ausschalten eines Elektromagneten,
– Ein- und Ausführen eines Dauermagneten aus der
Spule,
– 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.
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. Bei einem Gleichstrommotor lässt sich die Drehrichtung
verändern, indem die Anschlüsse der Rotorspule (oder
die Anschlüsse der Statorspulen) vertauscht werden.
12. 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.
13. Bei einem Innenpolgenerator dreht sich ein Magnet
(Dauermagnet oder Elektromagnet) im Inneren einer
feststehenden Spule. Innenpolgeneratoren erzeugen
Wechselstrom.
Bei einem Außenpolgenerator wird das Magnetfeld durch
einen äußeren, feststehenden Magneten erzeugt. Der Induktionsstrom entsteht in der drehbaren Spule. Außenpolgeneratoren erzeugen ebenfalls Wechselstrom. Baut
man einen Kommutator ein, entsteht ein Gleichstrom.
59
Elektrische Energieübertragung
Arbeit und elektrische Energie
Aufgabe
1. 9 J = 9 Ws = 0,0025 Wh = 0,0000025 kWh
60
Elektrische Energieübertragung
Der Transformator
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. 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.
Aufgabe
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: Mit Hilfe 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.
61
Elektrische Energieübertragung
Der Transformator liefert Spannung nach Bedarf
Versuche
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.
Aufgabe
1
a) Im Ladegerät befindet sich die Primärspule (viele Windungen) mit dem Eisenkern. Die Primärspule ist an 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
n1
U1
n2 =
4,6V
2000
230V
n2 = 40
2. geg.: n1 = 500, n2 = 23000, U1 = 230 V
ges: U2
U2 =
n2
U1
n1
Rechnung:
U2 =
23000
230V
500
U2 = 10580V
62
Elektrische Energieübertragung
Stromstärke beim Transformator
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.
Aufgabe
1. geg.: I1 = 3 A n1 = 500 n2 = 5
ges.: I2, RNagel
I2 =
n1
I1
n2
Rechnung:
I2 =
500
3A
5
I2 = 300 A
Versuche
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.
2. Die Spannungen verhalten sich umgekehrt wie die
Stromstärken (idealer Transformator).
Es gilt:
n1
U1
n1
I2
=
und
=
n2
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.
63
Elektrische Energieübertragung
Anwendung von Hochstromtransformatoren
Bei Induktionsherden gibt es keinen gemeinsamen Eisenkern. Damit dennoch die elektrische Energie 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.
Aufgabe
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.
64
Elektrische Energieübertragung
Schlusspunkt
Aufgabe
1. In einem Wärmekraftwerk werden fossile Energieträger
(z.B. Braunkohle, Kohle, Erdöl oder Erdgas) verbrannt
bzw. Uran gespalten. Dabei entsteht viel Wärme.
Im Dampferzeuger wird dadurch Wasser so stark erwärmt, dass sich Wasserdampf bildet. Der Wasserdampf
treibt eine Turbine an: Dabei wird die Wärme in Bewegungsenergie umgewandelt.
An die Turbine ist ein Generator angeschlossen. Er wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um.
Im Kondensator kühlt sich der Wasserdampf ab und wird
wieder zu Wasser, das zurück zum Dampferzeuger geleitet wird. Es entsteht ein geschlossener Kreislauf des
Wassers.
2. Die gewünschte Energieumwandlung gelingt in den
Wärmekraftwerken nie vollständig. Bei jeder Energieumwandlung im Kraftwerk entsteht Wärme, die für uns nicht
nutzbar an die Umwelt abgegeben wird (Abwärme). Dadurch kann der Wirkungsgrad nie 100% betragen.
4. Lampe 1: P = U I
P = 2,4V 0,085A
P = 0,204W
Lampe 2: P = 3,8V 0,05A
P = 0,190W
7. I = 0,184 A, P = 42,32 W
8. 1. Durch die Primärspule fließt ein Wechselstrom
2. Dadurch wird von der Primärspule ein sich änderndes
Magnetfeld erzeugt
3. Dieses Magnetfeld umgibt auch die Sekundärspule
4. In der Sekundärspule wird eine Spannung induziert.
9. U2 = 9,2 V n1 = 1380 (Windungen)
10. Gegeben: n1 = 540, n2 = 36, I1 = 8 A
Gesucht: I2
Lösung:
n1
I2
=
n2
I1
I2 =
I1 n1
n2
Rechnung:
8 A 540
I2 =
36
I2 = 120 A
Die Stromstärke auf der Sekundärseite beträgt 120 A.
11. Wird ein elektrisches Gerät an die Sekundärspule eines
Trafos angeschlossen, dann wird elektrische Energie vom
Trafo an das Gerät abgegeben. Die (im Idealfall) gleiche
Energiemenge nimmt der Trafo über die Primärspule, z.B.
vom Netz, auf. Es gilt P1 ≈ P2. Weil P1 = U ⋅ I1 gilt, muss
bei konstanter Primärspannung die Stromstärke im
Primärkreis steigen.
Lampe 1 hat die größere Leistung.
5. Gegeben: P = 6 W,
t = 1 Jahr,
Preis = 0,12 b/kWh
Gesucht:
Energieeinsatz in einem Jahr EJahr, Kosten der eingesetzten Energie
Lösung:
Da die Energie im vorliegenden Beispiel in Kilowattstunden angegeben wird, benötigt man zuerst die Anzahl
der Stunden, die ein Jahr hat.
t = 1 Jahr = 365 24 h
t = 8760 h
Im zweiten Schritt wird die eingesetzte Energie berechnet.
EJahr = W t
EJahr = 6 W 8760 h
EJahr = 52560 Wh = 52,560 kWh
Dieser Energieeinsatz verursacht Kosten in Höhe von
52,560 kWh 0,12 b/kWh = 6,3072 b.
6. Bohrmaschine
Geg.: E = 0,11kWh = 110 Wh, P = 650 W
Ges.: t
t=
110 Wh
650 W
t=
396 000 s
650
t = 609 s (gerundet)
t = 10 min 9 s (gerundet)
12. a) Die Spannungen stehen im Verhältnis
U1 : U2 = 230 V : 15,3 V. Die Windungszahlen müssen im
gleichen Verhältnis (≈ 15 : 1) stehen. Deshalb muss die
Primärspule rund 15-mal mehr Windungen als die Sekundärspule haben.
Lösung: n1 = 750 (Windungen) n2 = 50 (Windungen)
b) I1 = 0,08 A, P1 = 18,4 W, P2 = 18,36 W
c) Die Formeln (U1 : U 2 = n1 : n 2 / I1 : I 2 = n2 : n1 / P1 = P 2)
gelten für den idealen Trafo. In der Realität wird jedoch
ein Teil der aufgenommenen Energie (Primärkreis) in
(unerwünschte) Wärme umgewandelt. Daher muss die
Eingangsleistung immer etwas größer als die Ausgangsleistung sein. Es gilt P = U I , daher ist bei konstanter
Spannung U1 die Stromstärke I1 größer als der berechnete Wert.
13. Ein Transformator kann zwar die Spannung oder die
Stromstärke erhöhen, er kann jedoch nicht beide Größen
gleichzeitig erhöhen. Bei einem Transformator entspricht
die Eingangsleistung (ungefähr) der Ausgangsleistung.
Deshalb wird bei einer Erhöhung der Spannung die
Stromstärke vermindert und bei einer Erhöhung der
Stromstärke gleichzeitig die Spannung vermindert.
Ein Transformator erhöht nicht die Leistung, er kann deshalb nicht die „Energieprobleme der Welt“ lösen.
14. Generatoren in Kraftwerken erzeugen Spannungen bis zu
25 kV. Damit die Energie möglichst verlustarm übertragen
werden kann, werden die Spannungen im Kraftwerk auf
noch höhere Werte (380 kV) transformiert und in das
Verbundnetz eingespeist. Dadurch wird bei gleicher Leistung die Stromstärke im Fernleitungsnetz verringert
(P = U ⋅ I). Je kleiner die Stromstärke ist, desto weniger
unerwünschte Wärme entsteht in den Leitungen bei der
65
Elektrische Energieübertragung
Übertragung der elektrischen Energie.
Rechnung für Energieübertragung bei 230 V:
P = U⋅ I
I=
P
805 000 000 VA
=
U
230 V
I = 35 000 000 A
Rechnung bei Energietransport bei 380kV:
I=
P
805 000 000 VA
=
U
380 000 V
I ⬇ 2118 A
15. Der linke Transformator besitzt auf der Sekundärseite
mehr Windungen als auf der Primärseite. Er erhöht die
angeschlossene Spannung und vermindert die Stromstärke.
Dadurch entsteht in dem Widerstand zwischen den
Transformatoren weniger unerwünschte Wärme.
Der zweite Transformator besitzt auf der Sekundärseite
weniger Windungen als auf der Primärseite. Er bringt die
Spannung und die Stromstärke wieder auf die ursprünglichen Werte.
66
Radioaktivität und Kernenergie
Brennpunkt: Verbrecherjagd mit Neutronen
Aufgaben
Im Internet gibt es verschiedene Seiten zu diesem Thema.
Mithilfe von Suchmaschinen mit dem Suchwort „Isotopenanalyse“ werden diese Seiten gefunden.
67
Radioaktivität und Kernenergie
Radioaktiver Strahlung auf der Spur
Aufgaben
Versuche
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 lassen sich Filme ausleihen, die die Experimente
eindrucksvoll wiedergeben.
1. Messungen 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. – mit einem Geiger-Müller-Zählrohr
– mithilfe von Fotoplatte oder Fotopapier
– Filmdosimeter
– Nebelkammer
– 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.
68
Radioaktivität und Kernenergie
Werkstatt: Radioaktivität wird gemessen
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
Null-effekt hat.
2. Je größer der Abstand zwischen Glühstrumpf und Zählrohr, desto geringer 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 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. 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.
69
Radioaktivität und Kernenergie
Elementumwandlungen
Aufgaben
1. α- und β-Strahlung bestehen aus geladenen Teilchen
und werden deshalb im elektrischen Feld abgelenkt.
γ-Strahlung dagegen ist eine elektromagnetische Strahlung.
2. R-226: Der Kern gibt 2 Protonen und 2 Neutronen ab.
Radiumkerne besitzen 88 Protonen. Wenn davon 2 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 4 den Kern
verlassen. Also entsteht Rn-222.
4. Po-218 → α → Pb-214
Po-218 → β → At-218
70
Radioaktivität und Kernenergie
Die Halbwertszeit
Aufgaben
1. Die Zeit, nach der die Hälfte einer bestimmten Zahl von
Atomen zerfallen ist, wird Halbwertszeit genannt. Jedes
radioaktive Isotop hat eine charakteristische Halbwertszeit.
2. Nach 3 Halbwertszeiten sind 21 000 000 Atomen zerfallen. Es sind noch 3 000 000 nicht zerfallenen Atome
übrig.
3. Die Halbwertszeit des radioaktiven Präparates beträgt
ungefähr 2 Minuten.
71
Radioaktivität und Kernenergie
Zerfallsreihe – Altersbestimmung
Aufgaben
1.
232
90
Th
앗
α
228
88
Ra
앗
β
228
89
Ac
앗β
228
90
Th
앗
α
224
88
Ra
앗
α
220
86
Rn
앗α
216
84
Po
앗
α
212
82
Pb
앗β
212
83
Bi
앗
α
208
81
Ti
앗
β
208
82
Pb
2.
237
94
Np
233
91
Pa
233
92
U
앗β
앗α
229
90
Th
앗α
225
88
Ra
앗β
225
89
Ac
앗α
221
87
Fr
앗α
217
85
At
앗α
213
83
Bi
앗β
213
84
Po
앗α
209
82
209
83
205
81
72
앗α
Pb
앗β
Bi
앗α
Tl
Radioaktivität und Kernenergie
Die Aktivität
Aufgaben
1. Die Aktivität eines radioaktiven Stoffes gibt die Kernumwandlungen pro Zeit an.
2. Die Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq).
3. Es finden 360 000 Kernumwandlungen in 2 Minuten
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 be-inhalten.
Auch bei schwach radioaktiv belasteten Nahrungsmitteln kann man zu hohen Aktivitäten kommen, wenn
man sie auf eine große Masse bezieht.
Ferner können 2 radioaktive Präparate gleicher Aktivität
zu verschieden großen biologischen Wirkungen beim
Menschen führen, 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.
73
Radioaktivität und Kernenergie
Brennpunkt: Bestrahlung von Lebensmitteln
Aufgabe
1. Im Internet gibt es zahlreiche Informationen zu bestrahlten Lebensmitteln. Suchwort: „bestrahlte Lebensmittel“
etc.
74
Radioaktivität und Kernenergie
Äußere und innere Bestrahlung
Aufgaben
1. Im Boden, im Wasser und der Luft sind natürliche Radionuklide. Über die Atemluft, Trinkwasser und Nahrungsmittel gelangen schwach radioaktive Stoffe in unseren
Körper.
2. 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 Strahlungsquelle:
Die strahlende Substanz befindet sich außerhalb des
menschlichen Körpers. Alphastrahlen und Betastrahlen
wirken nur auf die äußeren Hautschichten. Gammastrahlen durchdringen den menschlichen Körper, erreichen von außen jedes Organ, Knochen etc.
Innere Strahlungsquelle:
Über die Luft, Nahrungsmittel, Trinkwasser können
radioaktive Substanzen in den Körper kommen. Somit
befinden sich die radioaktiven Stoffe im menschlichen
Körper.
Alphastrahlung wirkt im menschlichen Körper sehr
schädigend weil keine Abschirmung mehr vorhanden
ist.
3. Radioaktives Material (ganz allgemein „radioaktiver
Abfall“ z.B. aus dem Unfall vom Kernkraftwerk Tschernobyl, radioaktiver Fallout von Atombombenversuchen,
auch wenn sie vor Jahrzehenten stattgefunden haben,
aber auch natürliche Ursachen wie geologische Prozesse) kann Wasser (Meerwasser, Grundwasser) belasten. Dieses 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
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
Aufgaben
1.
103
45
Rh + 01n →104
46 Pd
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 + 20 n
77
Radioaktivität und Kernenergie
Die Kettenreaktion
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 Anfangs-Neutron zum Spalten vorhanden sein.
b) Es muss ein genügend großer Anteil von U-235 vorhanden sein.
c) Es muss ein Moderator vorhanden sein.
d) Es müssen Stoffe, die Neutronen einfangen fehlen.
Diese Bedingungen sind im Natururan meist nicht gegeben.
3. Kritische Masse, ist Mindestmasse eines Spaltmaterials, in der eine Kettenreaktion ablaufen kann.
78
Radioaktivität und Kernenergie
Sicherheitsvorrichtungen von Kernkraftwerken
Aufgaben
1. Das Austreten radioaktiver Stoffe aus einem Kernkraftwerk soll durch mehrere Sicherheitsbarrieren verhindert
werden.
a) Der Kernbrennstoff ist in Tabletten gepresst.
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 eine Stahlkugel
umgeben.
f) Diese befindet sich hinter einer weiteren Stahlbetonabschirmung.
2. Fällt ein sicherheitstechnisches System aus, wird die
Funktion vom einem Ersatzsystem übernommen.
3. Die nach dem Abschalten des Reaktors noch vorhandene Restwärme sowie die Wärme, die weiterhin durch
Spaltungen der entstandenen Spaltprodukte entsteht,
muss, damit es zu keiner Überhitzung oder Schmelzen
der Brennstäbe kommt, abgeführt werden.
79
Radioaktivität und Kernenergie
Schlusspunkt
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. Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der
Neu-tronenzahl unterscheiden.
3. C-12 und C-14 sind Atome des Elements Kohlenstoff.
Beide Atome haben 6 Protonen im Kern. Das Atom C12 hat dazu noch 6 Neutronen im Kern. Das Atom C-14
hat 8 Neutronen im Kern. Die Masse eines Atoms C-14
ist größer als die eines Atoms C-12.
4. 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.
5. Fotoplatte/Fotopapier: Teile der Strahlung durchdringen
Papier und belichten das Material.
Geiger-Müller-Zähler: Die Strahlung kann Atome ionisieren. Nebelkammer: Teilchenstrahlung hinterlässt
Nebelspuren.
6. 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.
7. 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 unterschiedliche
Messergebnissen kommen, weil im Schwarzwald größere Mengen von Gesteinsböden vorhanden sind, die
Uran und Radium enthalten.
80
8. a) Kosmische und terrestrische Strahlung nennt man
Umgebungsstrahlung.
b) Die kosmische Strahlung wird durch die Lufthülle
abgeschwächt. Nur ein Teil gelangt zur Erdoberfläche.
Je höher man sich über der Erdoberfläche befindet,
desto stärker ist die Strahlung.
c) Besonders hohe terrestrische Strahlung gibt es Indien und Brasilien. Im Boden sind radioaktive Elemente
in großer Menge vorhanden.
9. Gemeinsamkeiten:
Beide sind Teilchen-Strahlungen. Beide führen zu einer
Elementumwandlung. Beide lassen sich im elektrischen
Feld ablenken.
Unterschiede:
α-Strahlung besteht aus zweifach positiv geladenen
Heliumkernen (2 Protonen und 2 Neutronen).
4-8 cm Luft 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.
10. 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.
11. Dabei wandelt sich im Kern eines Atoms ein Neutron in
ein Proton und ein Elektron um. Das Elektron verlässt
den Kern. Die Protonenzahl nimmt um 1 zu. Die Nukleonenzahl ändert sich nicht. Es kommt zu einer Elementumwandlung.
12. Schutz gegen α-Strahlung:
– mehr als 10 cm Abstand vom Strahler
– Handschuhe, Mundschutz, 1 Blatt Papier zur
Abschirmung
Schutz gegen β- Strahlung:
– mehr als 10 m Abstand zur Strahlungsquelle
– eine mindestens 4 mm dicke Aluminiumschicht
13. 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.
14. α-Strahlung und β-Strahlung.
15.
235
92 U
16. 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 genügend große Anzahl von Atomen Ra-226 betrachtet,
dann zerfällt in 1600 Jahren die Hälfte der Radiumatomkerne. Nach weiteren 1600 Jahren zerfällt wieder
die Hälfte usw.
17. Lebende Pflanzen und Tiere nehmen ständig radioaktives C-14 auf. Stirbt ein Lebewesen, dann nimmt es keinen Kohlenstoff mehr auf. Durch radioaktiven Zerfall
verringert sich der Anteil an C-14-Atomen. Die HWZ ist
Radioaktivität und Kernenergie
5730 Jahre. In lebender Materie zerfallen pro Gramm
kohlenstoffhaltiger Materie 16 Kohlenstoffatome pro Minute. Zerfallen in toter Materie nur noch 8 Atome pro
Minute, so ist das Material 5730 Jahre alt usw.
18. a) 30 Jahre
b) Diagramm wie Schülerbuch S. 176 B3, Achseneinteilung der x-Achse in 30-Jahre-Schritten
24. Wärme, kinetische Energie, Strahlungsenergie (Licht)
25. a) Sie haben die Eigenschaft, Neutronen einzufangen.
b) Der Moderator hat die Aufgabe, die frei werdenden
Neutronen abzubremsen.
19. a)
Aktivität =
einen Kern, bevor es den Uranblock durch die Oberfläche verlassen kann.
c) Im Natururan ist eine große Anzahl U-238-Atome
enthalten. Auf einen U-235-Kern kommen ca. 142 U238-Kerne. Die U-238-Kerne absorbieren daher freie
Neutronen, bevor sie U-235-Kerne spalten können.
Kernumwandlungen
Zeit
b) 20 Bq heißt: 20 Kernumwandlungen pro Sekunde.
20. a) Schimmelpilze, Bakterien, Ungeziefer, Salmonellen
u.a. in Lebensmitteln werden zerstört. Die Reifedauer
von Obst und Gemüse kann verzögert werden. Die
Haltbarkeit wird verlängert.
b) Es gibt noch keine Langzeituntersuchungen, die
eventuelle gesundheitliche Nebenwirkungen ausschließen können.
21. 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.
22.
Name
Jahr
Ereignis
Demokrit
zw. 460 v. Chr.
und 370 v. Chr.
Die Welt ist aus
Atomen aufgebaut
John Dalton
1808
Dalton-Atommodell
Henri Bequerel
1896
Entdeckung der
Radioaktivität
Marie und Pierre Curie
1898
Entdeckung von
Radium
Ernest Rutherford
1911
Entdeckung des
Atomkerns
Hans Geiger,
Walther Müller
1928
Konstruktion des
Geiger-MüllerZählrohrs
Otto Hahn,
Fritz Straßmann,
Lise Meitner
1938
Entdeckung der
Kernspaltung
Niels Bohr,
Enrico Fermi,
Robert Oppenheimer
1945
Zündung der ersten
Atombombe
23. a) Trifft ein langsames Neutron einen U-235-Atomkern,
so wird dieser gespalten und es entstehen 2-3 neue
Neutronen. Spalten 2-3 der Neutronen wieder Urankerne usw., dann wächst die Zahl der Spaltungen schnell
an. In Bruchteilen von Sekunden wird so eine große
Energiemenge frei.
b) 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 wegen der vergrößerten
Anzahl an Kernen, trifft ein freies Neutron jetzt eher auf
26. 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.
27. Tschernobyl liegt in der Ukraine.
Am 25.April 1986 kam es durch ein Experiment während der jährlichen Überprüfung des Reaktors zu einem
folgenschweren Unfall: Die Temperatur stieg schlagartig so stark an, dass die Brennstäbe schmolzen. Eine
Explosion zerstörte das Gebäude und das Dach. Radioaktive Stoffe gelangten nach außen und verteilten
sich durch Winde über ganz Europa.
Die ersten Helfer (Feuerwehrleute, Kraftwerkspersonal)
arbeiteten nur kurz am Unglücksort. Durch die enormen
Strahlenbelastungen sind sie später gestorben. Auch
die Bewohner der näheren Umgebung erlitten Strahlenschäden. Bis heute ist eine unbekannte Zahl an Menschen an den Folgen der Katastrophe gestorben.
In anderen Ländern wurden nach einigen Tagen durch
Niederschläge und Wind wurden radioaktive Stoffe festgestellt. Bestimmte Lebensmittel (Milch, Pilze, Gemüse,
u.a.) waren hoch belastet.
28. Je nach Stärke (Zeit/Intensität) der Belastung kommt es
z.B. zu Veränderungen im Blutbild, Übelkeit, Erbrechen,
Haarausfall, Hautschäden, Blutungen, schweren Änderungen im Blutbild, schweren Entzündungen und zum
Tode.
Genetische Schäden sind ebenfalls möglich, d.h. das
Erbgut kann sich verändern und zu Schäden bei den
Nachkommen führen.
29. Schwerpunkt ist die Diagnose und Therapie von Krebs.
Diagnose: Bestimmte radioaktive Substanzen werden
dem Körper zugeführt. Sie lagern sich in bestimmten
Organen ab und senden Strahlung aus, die aufgezeichnet werden kann.
So lassen sich Größe, Lage aber auch Tumore nachweisen.
Therapie: Krebszellen können durch Bestrahlung zerstört erden.
Medizinische Geräte können durch radioaktive Bestrahlung keimfrei gemacht werden.
30. – Abstand halten
– Schutzkleidung tragen
– Arbeitszeit kurz halten
– in der Umgebung radioaktiver Strahler nicht essen
und nicht trinken.
31. Die Gefahr, dass eine Rakete mit radioaktiven Stoffen
abstürzt und zu erheblichen Schäden führt, ist zu groß.
81
Radioaktivität und Kernenergie
32. Man lässt die erzeugten Bleche ständig durchstrahlen
und zeichnet die Intensität der Strahlung auf. Ein Regler
vergleicht die Messwerte mit einem vorgegebenen Sollwert. Wird dieser über- oder unterschritten, so wird der
Abstand der Walzen, die für die Dicke des Blechs sorgen, automatisch korrigiert.
82
Bewegte Körper und ihre Energie
Das Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm
Aufgaben
1. Gegeben.: s = 350 m, t = 22,7 s
Gesucht.: v
Lösung: v = s/t
v = 15,42 m/s = 55,512 km/h
Antwort: Der Orcawal hatte eine Geschwindigkeit von
etwa 55 km/h.
2. a)
Gegeben.: v = 69,62 km/h = 19,34 m/s, t = 20,8 s
Gesucht.: s
Lösung: s = v t
s = 402,27 m
Antwort: Das Pferd legte etwa 400 m zurück.
b) Die Gerade müsste erst ansteigen (beschleunigte Bewegung), dann waagerecht verlaufen (gleichförmige Bewegung) und dann wieder fallen (verzögerte Bewegung).
3. 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.
4. Der ICE fährt aus dem Stillstand los, es liegt eine beschleunigte Bewegung vor. In der zweiten Phase fährt er mit einer
konstanten Geschwindigkeit, er bewegt sich also gleichförmig. Dann steigt die Geschwindigkeit, also eine beschleunigte Bewegung des ICE, bis er auf Höchstgeschwindigkeit
ist. Nun fährt der ICE mit dieser Geschwindigkeit gleichförmig weiter. Die letzte Phase zeigt, dass die Geschwindigkeit
bis auf Null sinkt, also bremst der ICE bis zum Stillstand ab.
In dieser letzten Phase spricht man von einer verzögerten
Bewegung.
83
Bewegte Körper und ihre Energie
Die beschleunigte Bewegung
Aufgaben
1. a)
t in s
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
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.
84
5
6
7
8
Bewegte Körper und ihre Energie
Brennpunkt: Sicherheitsabstand beim Auto fahren
Aufgabe
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. 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.
85
Bewegte Körper und ihre Energie
Anhalte- und Bremsweg
Aufgaben
1. 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. Geg.: v = 85 km/h = 23,61 m/s.
Ges.: 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. Geg.: v = 100 km/h, aB = 1,2 m/s2
Ges.: Bremsweg sB
Lösung:
sB =
v2
2 aB
sB =
(27,8 km/h)2
2 1,2 m/s2
sB = 322,02 m
Der Bremsweg beträgt bei einer Verzögerung von 1,2 m/s2
etwa 322 m.
86
Bewegte Körper und ihre Energie
Trägheit
Versuche
1. Wird an dem unteren Faden langsam gezogen, so reißt der
obere Faden, da die Beschleunigung der Kugel sehr klein
ist.
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.
87
Bewegte Körper und ihre Energie
Das Newton’sche Grundgesetz
Aufgabe
1. a) geg.: m = 1237 kg a = 2,2 m/s²
ges.: F
Lösung: F = m · a F = 2721,4 N
Antwort: Die Kraft zum Beschleunigen des Autos
beträgt 2721,4 N.
b) geg.: m = 1537 kg a = 2,2 m/s²
ges.: 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 gehört das Fahrzeug incl. Öl-, Brems- und
Kühlflüssigkeit und der Fahrer mit Helm und im Rennoverall. Je weiter jedoch die Rennautos unter diesem Mindestgewicht liegen, desto gezielter setzt man so genannte Wolfram-Platten aus Schwermetall an verschiedenen Stellen
unter dem Fahrzeug ein. Diese dienen vorrangig der besseren Balance und der gezielten Verlagerung des Schwerpunktes.
88
Bewegte Körper und ihre Energie
Freier Fall
Aufgabe
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 ist
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.
89
Bewegte Körper und ihre Energie
Schlusspunkt
Antwort: Die Bowlingkugel hat eine kinetische Energie von
etwa 42 J.
Aufgaben
7. 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.
1. geg.: s = 150 m
t = 27 s
Der Weg wird in der gleichen Zeit immer größer, also muss
ges.: v
die Geschwindigkeit des Körpers größer werden. Es handelt
Lösung: v = s /t
v = 5,55 m/s = 19,8 km/h
sich um eine beschleunigte Bewegung.
Antwort: Die Fledermäuse hatten eine Geschwindigkeit von
v = s/t = 3m/2s = 1,5m/s
19,8 km/h.
v = 12m/4s = 3m/s
v = 27m/6s = 4,5m/s
2 a)
v = 48m/8s = 6m/s
Gegeben:
Die Geschwindigkeit wird größer, es handelt sich um eine
Vormittag: t = 4,5 h, s = 332 km
beschleunigte Bewegung.
Nachmittag: t = 5 h, s = 390 km
Zeichnet man das s-t-Diagramm, so erhält man eine ParaGesucht: v
bel. Es handelt sich also um eine beschleunigte Bewegung.
Lösung:
v=
8. geg.:
s
t
Vormittag:
332 km
v=
4,5 h
vA = 65 km/h
t = 4,9 s
vE = 100 km/h
ges.: a, s
Lösung:
a = (vE – vA)/t
a = 1,98 m/s²
s = a/2 t²
s = 23,77 m
Antwort: Das Fahrzeug hat eine Beschleunigung von etwa
2 m/s² und legt einen Weg von etwa 24 m zurück.
v = 73,78 km/h
9. geg.: v = 100 km/h = 27,8 m/s
aB = 8,5 m/s²
=
0,7
s
tB = 0,3 s
t
F
Nachmittag:
ges.: Anhalteweg
390 km
v=
Lösung: Anhalteweg = Reaktionsweg+Ansprechweg +
5h
Bremsweg
Reaktionsweg + Ansprechweg:
v = 78 km/h
s = v t = 27,8 m/s (0,7 s + 0,3 s)
s
= 27,8m
Antwort: Der LKW hatte am Nachmittag eine größere
Bremsweg: s = a/2 t² mit t = v/a ist s = v²/2a
Durchschnittsgeschwindigkeit.
s = 45,5m
Anhalteweg: 27,8 m + 45,5 m = 73,3 m
b) Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist der Quotient aus dem
Antwort: Der PkW hat einen 73,3 m langen Anhalteweg.
Gesamtweg und der Gesamtfahrzeit:
v=
s
t
10. Wird die Geschwindigkeit verdoppelt, so vervierfacht sich
der Bremsweg.
v=
332 km + 390 km)
(4,5 h + 5 h)
11. Gegeben: g = 9,81 m/s, t = 2s
v = 76 km/h
3. Aufgrund der Trägheit des hinteren Fahrzeugs würde wahrscheinlich das Seil reißen.
5. geg.: m = 1,5 t = 1500 kg
a = 3,9 m/s²
ges.: F
Lösung: F = m · a
F = 5850 N
Antwort: Die Kraft zum Beschleunigen beträgt 5850 N.
6. Gegeben: m = 4 kg
v = 16,5 km/h = 4,58 m/s
Gesucht: EKin
Lösung:
Ekin =
m
2 v²
Ekin = ½ 4 kg (4,58 m/s)2
Ekin = 41,95 J
90
Gesucht: s
Lösung:
s=
g
2 t²
s = ½ 9,81 m/s2 (2 s)2
s = 19,6 m
Antwort: Der Schacht ist 19,6 m tief.
Elektrische Leitungsvorgänge
Elektrische Leitungsvorgänge in Metallen und
Flüssigkeiten
Versuche
1. a) Im ungelösten Zustand ist Kochsalz kein elektrischer
Leiter. Je besser das Salz gelöst wird, desto heller leuchtet das Lämpchen im Versuch. Die Versuche a) und b)
können auch ohne Amperemeter im Stromkreis durchgeführt werden. (Das Lämpchen bzw. eine Leuchtdiode dienen als Nachweis für den Stromfluss.)
c) Es ist kein Stromfluss in Zucker nachweisbar, weder im
ungelösten noch im gelösten Zustand.
d) Im Versuch soll u.a. deutlich werden, dass durch verfeinerte Stromstärkemessungen auch im (normalen)
Wasser elektrischer Strom fließt, denn in Wasser sind viele Mineralien usw. gelöst. Dazu kann der Versuch zunächst nur mit dem Lämpchen, dann mit einer LED bzw.
einem Messgerät im Stromkreis durchgeführt werden.
Destilliertes Wasser leitet dagegen nicht. Nur wässrige
Lösungen von Säuren, Basen und Salzen leiten elektrischen Strom.
2. Im Versuch 2 wird die Bewegung der Ionen in einer leitenden Flüssigkeit sichtbar. Beobachtung: Sobald eine
Spannung an der Salzlösung anliegt, bewegt sich der violette Farbfleck zum Pluspol. Erklärung: In Flüssigkeiten ist
Ladungstransport immer auch mit einem Stofftransport
verbunden. Der Fleck besteht aus negativ geladenen Ionen, die sich zum Pluspol bewegen. Hinweise: Der Effekt
ist besser zu beobachten, wenn eine möglichst schmale
und lange Schale verwendet wird. Es ist darauf zu achten, dass das Körnchen Kaliumpermanganat nicht in der
Nähe des Pluspols zugegeben wird, sondern entweder in
der Mitte der Schale oder in der Nähe des Minuspols.
Aufgabe
1. Das Kochsalz (NaCl) dissoziiert in positiv geladene Natriumionen Na+ und in negativ geladene Chloridionen Cl–.
Die Natriumionen wandern zur Kathode (negativ geladene Elektrode), nehmen dort jeweils ein Elektron auf und
werden zu Natrium. Auf der Kathode bildet sich ein dünner metallischer Natrium-Belag. Die Chloridionen wandern zur Anode (positiv geladene Elektrode) und geben
dort ein Elektron ab. Dabei entsteht (neutrales) Chlorgas.
Dieses riecht stechend und entweicht in kleinen Bläschen.
91
Elektrische Leitungsvorgänge
Elektrischer Leitungsvorgang in Gasen
Aufgabe
Zusatzinformationen
Gasentladungen
Man unterscheidet unselbständige und selbstständige Gasentladungen. Bei unselbständigen Gasentladungen werden
frei bewegliche Ionen und Elektronen hauptsächlich durch
äußere Einflüsse (energiereiche Strahlung, Wärme etc.)
erzeugt. Stoßionisation wird als selbstständige Gasentladung
bezeichnet. Dabei erhalten die Elektronen und Ionen durch
hohe Spannung so große kinetische Energie, dass sie beim
Zusammenstoß mit anderen neutralen Atomen diese ebenfalls ionisieren können. Der Vorgang setzt sich lawinenartig
fort. Mit sinkendem Gasdruck nimmt die dafür notwendige
Spannung ab.
(Stark) Ionisiertes Gas wird auch als Plasma bezeichnet.
Bei stark verringertem Gasdruck treten bei der selbstständigen Gasentladung Leuchterscheinungen auf. Durch die Zusammenstöße können Gasteilchen ionisiert werden oder
auch energetisch „angehoben“ werden. Springt das angeregte Elektron wieder in den Ausgangszustand zurück, wird
Energie in Form von elektromagnetischen Wellen oder Licht
frei.
Leuchtstofflampe
In der Quecksilberdampf – Argon - Gasfüllung wird durch die
Gasentladung zum größten Teil ultraviolettes Licht und ein
geringerer Anteil blaues Licht erzeugt. Die fluoreszierenden
Stoffe auf der Innenwand der Lampe werden durch das UVLicht angeregt und geben sichtbares Licht ab. Die Lichtfarben
hängen von der Zusammensetzung des Leuchtstoffs ab.
Zum Zünden der Leuchtstofflampe reicht die normale Netzspannung nicht aus. Dazu sind Zündeinrichtungen (Starter,
Drosselspule) notwendig, die einen Hochspannungsstoß
erzeugen, der zur Ionisierung der Gasfüllung führt. Der Starter dient zum Auslösen der Zündspannung, die Drossel dient
zur Erzeugung der Zündspannung und Begrenzung der
Stromstärke.
92
1. Die beiden Folienstreifen sind elektrisch gleichartig geladen. Deshalb stoßen sich die Folienstreifen ab. Hält man
sie über die Kerzenflamme, „verlieren“ die Folienstreifen
ihre elektrische Ladung und gehen wieder zusammen.
Erklärung: Das Gas in der Kerzenflamme ist wegen der
hohen Temperatur ionisiert. Die Ladungsträger bewegen
sich im elektrischen Feld zu den geladenen Folienstreifen; es fließt Strom. Der Stromfluss hat einen Ladungsausgleich zur Folge und die Folienstreifen entladen sich.
Elektrische Leitungsvorgänge
Elektrischer Leitungsvorgang im Vakuum
Aufgabe
1. Damit elektrischer Strom fließt, müssen stets zwei Bedingungen erfüllt sein: Es müssen ein elektrisches Feld
(bzw. eine Spannungsquelle) und frei bewegliche
Ladungsträger vorhanden sein. Unter dem Einfluss des
elektrischen Feldes werden die Ladungsträger beschleunigt, es fließt Strom.
In Metallen sind Ladungsträger frei bewegliche Elektronen.
In Flüssigkeiten erfolgt der Ladungstransport durch frei
bewegliche positiv bzw. negativ geladene Ionen. Der Ladungstransport ist mit einem Stofftransport verbunden.
Gase werden durch Wärme, energiereiche Strahlung
bzw. Stoßionisation ionisiert. Dabei entstehen frei bewegliche Ionen und Elektronen. Bei den meisten Gasentladungen entsteht Licht.
In einem (idealen) Vakuum sind keine Teilchen vorhanden, die ionisiert werden könnten. Daher werden durch
Glüh- bzw. Fotoemission frei bewegliche Elektronen in
das Vakuum gebracht.
2. Ein geringerer Gasdruck bedeutet, dass auch die Teilchendichte geringer ist. Dadurch können die frei beweglichen Ionen und Elektronen über relativ große Strecken
beschleunigt werden, ohne dass es zu Zusammenstößen
mit Gasteilchen kommt. Aus diesem Grund erhalten die
freien Ladungsträger eine hohe kinetische Energie und
können weitere Atome ionisieren oder zum Leuchten anregen.
3. In einem (idealen) Vakuum sind praktisch keine Gasatome vorhanden, die zum Leuchten angeregt werden
können.
93
Elektrische Leitungsvorgänge
Halbleiter
Versuche
1. Anhand der Versuchsaufgabe 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).
94
Elektrische Leitungsvorgänge
Der Leitungsvorgang in Halbleitern
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).
95
Elektrische Leitungsvorgänge
Die Halbleiterdiode
Versuche
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
96
Elektrische Leitungsvorgänge
Aus Wechselstrom wird Gleichstrom
Versuche
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: 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.
Aufgaben
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.
97
Elektrische Leitungsvorgänge
Die Solarzelle – ein Minikraftwerk
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.
98
Elektrische Leitungsvorgänge
Aufgaben
Aufgaben
1. Gemeinsamkeiten: Für jeden Leitungsvorgang sind frei
bewegliche Ladungsträger und eine elektrische Spannung (elektrisches Feld) Voraussetzung. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes (angelegte Spannung) werden die Ladungsträger beschleunigt, es fließt Strom.
Mit dem elektrischen Strom wird Energie übertragen.
Unterschiede: Art und Bereitstellung / Vorhandensein der
Ladungsträger.
Metalle: In Metallen sind frei bewegliche Elektronen vorhanden. Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung von frei beweglichen Elektronen.
Bsp: elektrisch leitende Verbindungen, Lampenfassungen
etc.
Flüssigkeiten: Viele Stoffe (Salze, Säuren, Laugen) bilden
frei bewegliche positiv und negativ geladene Ionen, wenn
sie in Wasser gelöst werden. Unter dem Einfluss einer
Spannung bewegen sich diese Ionen gerichtet zum entsprechenden Pol. Der elektrische Strom ist in Flüssigkeiten mit einem Stofftransport verbunden.
Bsp.: Elektrolyse
Gase: In Gasen ist nur dann Stromfluss möglich, wenn in
ihnen freie Ladungsträger erzeugt werden. Durch Wärme,
energiereiche Strahlung bzw. Stoßionisation können Gase ionisiert werden. Es entstehen frei bewegliche Ionen
und Elektronen.
Bsp.: Gasentladungslampen allgemein, Blitz, Leuchtstofflampen
Vakuum: Im Vakuum kann nur Strom fließen, wenn frei
bewegliche Ladungsträger eingebracht werden. Wenn einem Metall, das sich im Vakuum befindet, Energie (Wärme, Licht) zugeführt wird, können Elektronen aus dem
Metall austreten und stehen im Vakuum als frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung (Glüh- bzw. Fotoemission).
Bsp.: Bildröhre
Halbleiter: Infolge Energiezufuhr entstehen in einem
Halbleiter frei bewegliche Elektronen, die positiv geladene
Löcher im Kristall hinterlassen. Beim Anlegen einer
Spannung fließt ein Elektronenstrom und ein Löcherstrom. Die Leitfähigkeitseigenschaften eines Halbleiters
können durch Dotieren ebenfalls beeinflusst werden.
Bsp.: Fotowiderstand, Heißleiter, Diode
2. Elektrische Energie kann umgewandelt werden in
1. Wärme (Bsp. Glühwendel), 2. chemische Energie (Bsp.
Elektrolyse), 3. Licht (Bsp. Leuchtstofflampe, Glühwendel) 4. magnetische Energie (Elektromagnet) 5. mechanische Energie (Motor).
3. Chemisch reines Wasser enthält keine gelösten Mineralien, Salze usw. Aus diesem Grund sind keine Ladungsträger vorhanden und es kann kein Strom fließen. In Leitungswasser ist Stromfluss mithilfe einer LED / eines
Amperemeters nachweisbar. Durch Zugabe von z.B.
Kochsalz kann die Leitfähigkeit weiter erhöht werden, da
die Konzentration der frei beweglichen Ionen steigt. Chemische Vorgänge: NaCl (Kochsalz) dissoziiert in Na+ und
Cl–. Die Natriumionen bewegen sich zur Kathode (-), nehmen dort ein Elektron auf und neutralisieren zu Natrium.
Die Chlorionen wandern zur Anode (+), geben ein Elektron ab, und es entsteht neutrales Chlor.
4. Je geringer der Druck in einem Gas ist, desto weniger
Gasteilchen sind vorhanden. Unter dem Einfluss einer
hohen Spannung können dadurch frei bewegliche Elektronen und Ionen über große Strecken im Gas beschleunigt werden, bevor sie mit einem Gasteilchen zusammenstoßen. Dadurch erhalten die Ladungsträger hohe kinetische Energie und können somit beim Auftreffen auf
Gasteilchen diese durch Stoßionisation ionisieren. Dieser
Vorgang setzt sich lawinenartig fort, sodass eine große
Anzahl von freien Ladungsträgern entsteht.
5. Eine Leuchtstoffröhre besteht aus einem Glasrohr, das
mit einer Metalldampf-Gas-Mischung bei verringertem
Druck gefüllt ist. Durch einen Hochspannungsstoß wird
die Gasfüllung ionisiert und damit leitfähig. Die Gas-Ionen
und Elektronen werden beschleunigt und regen beim Zusammenstoß mit neutralen Gasteilchen diese zum Leuchten an.
Oft wird als Gasfüllung eine Gasmischung benutzt, die
Quecksilberdampf enthält. Dabei wird hauptsächlich unsichtbares ultra-violettes Licht erzeugt.
Dieses UV-Licht regt eine auf der Innenwand der Glasröhre angebrachte Leuchtstoffschicht zum Leuchten an.
Dabei entsteht sichtbares weißes Licht. Je nach der Zusammensetzung des Leuchtstoffs können damit auch andere Farben erzeugt werden.
6. Bei Zimmertemperatur kann man die Leitfähigkeit von
Halbleitern (Germanium, Silizium) zwischen der Leitfähigkeit von Leitern und Nichtleitern einordnen. Die elektrische Leitfähigkeit eines NTC-Widerstands wird durch
Zufuhr von Wärmeenergie verbessert. Bei tiefen Temperaturen sind alle Elektronen fest im Gitter gebunden, der
Widerstandswert ist groß. Bei Energiezufuhr werden
Elektronen aus ihren Bindungen gelöst. Auf diese Weise
entstehen Elektronen und Löcher als frei bewegliche Ladungsträger. Je mehr Energie zugeführt wird, desto mehr
freie Ladungsträger entstehen. Anders ausgedrückt: Je
höher die Temperatur, desto höher ist auch die Leitfähigkeit des Heißleiters.
7. Mögliches Experiment: Es wird die Leitfähigkeit des Stoffs
vor und nach Energiezufuhr verglichen. Der Stoff wird
erwärmt (oder bestrahlt), die Stromstärke wird während
der Erwärmung gemessen. Wird die Stromstärke dabei
größer, handelt es sich um einen Halbleiter. Wird die
Stromstärke kleiner, handelt es sich um ein Metall.
8. a) Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiterbauteil. Jede Diode
besteht aus einem Halbleiterkristall mit einer n- dotierten
und einer p-dotierten Schicht. Dioden lassen den Strom
nur in einer Richtung durch. Dazu müssen der Pluspol
der Spannungsquelle am p-dotierten Bereich und der Minuspol am n-dotierten Bereich liegen (Durchlassrichtung).
Wenn elektrischer Strom durch eine LED fließt, sendet
sie Licht aus. Die Farbe des Lichts wird nur durch das
verwendete Halbleitermaterial bestimmt. Die Kunststoffhülle dient als Markierung.
b) Da der Vorwiderstand in Reihe mit der LED geschaltet
werden muss, beträgt die Stromstärke max. 20 mA, die
Spannung verteilt sich auf die LED (2,2 V) und den Vorwiderstand. Für U = 4,5 V ist ein Vorwiderstandswert
R = 115 Ω notwendig. (Bei U = 6 V ist R = 190 Ω, bei
U = 9 V ist R = 450 Ω.)
9. a) Es leuchtet nur die untere grüne LED, da sie in Durchlassrichtung geschaltet ist. Die rote LED liegt in Sperrrichtung.
99
Elektrische Leitungsvorgänge
b) Beim Betrieb mit Wechselspannung würden die LEDs
abwechselnd leuchten, da bei einer Stromrichtung die
grüne LED, bei umgekehrter Stromrichtung die rote LED
in Durchlassrichtung liegt. Aufgrund des schnellen Wechsels der Stromrichtung (Frequenz des Wechselstroms
50 Hz) nimmt man das abwechselnde Leuchten der LEDs
als Flimmern wahr.
10. a) Ebenso wie eine Diode besteht eine Solarzelle aus
einem Halbleiterkristall mit einer p-dotierten und einer ndotierten Schicht. Im Unterschied zur Diode sind die dotierten Schichten sehr großflächig gefertigt.
b) Mögliches Experiment: Die Solarzelle wird lichtdicht
verpackt und in Reihe mit einer Batterie und einem geeigneten Gleichstrommotor (z.B. Solarmotor) oder einer
Glühlampe geschaltet. Es ergeben sich die gleichen Beobachtungen wie bei den bisher untersuchten Dioden. Ist
der Pluspol der Batterie mit der n-dotierten Schicht (Minuspol) der Solarzelle verbunden, fließt kein Strom
(Sperrrichtung). Im umgekehrten Fall liegt die abgedunkelte Solarzelle in Durchlassrichtung.
11. Unter der Voraussetzung, dass eine einzelne Solarzelle
ca. 0,5 V liefert, müssen 18 Solarzellen in Reihe geschaltet werden.
12. Durch die hohe Spannung wird das Gas im Innern der
Kugel stark ionisiert. Das ionisierte Gas wird als Plasma
bezeichnet. Darin enthalten sind neutrale Gasteilchen
sowie Ionen und Elektronen als Ladungsträger. Durch die
hohe Spannung werden die Ladungsträger angetrieben.
Somit fließt zwischen innerer und äußerer Kugelhülle
elektrischer Strom. Dabei kommt es zum Leuchten der
Gase, weil neutrale Gasteilchen durch Zusammenstöße
mit den Ladungsträgern zum Leuchten angeregt werden.
Zusatzinformationen
Das Gas im Innern von vielen Plasmalampen ist ein Gemisch
aus Edelgasen (meist Neon und Xenon). Jeder Stoff leuchtet
in typischen Farben. Das rote Leuchten tritt bei der Entladung
in Neon auf, Xenon erzeugt blaues und auch infrarotes (nicht
sichtbares) Licht.
In der Plasmakugel befindet sich ein Tesla-Transformator,
der hochfrequenten (etwa 37 kHz) Wechselstrom mit sehr
hoher Spannung erzeugt. Die Spannung an der Oberfläche
der inneren kleinen Kugel beträgt etwa 7 kV, an der Oberfläche der äußeren Kugel etwa 600 V. Die Stromstärke zwischen innerer und äußerer Kugel ist jedoch gering, sie beträgt etwa 5 mA. Aufgrund der Hochfrequenz und der geringen Stromstärke ist die hohe Spannung für den Menschen
ungefährlich, da die schwachen Ströme an der Oberfläche
der Haut abgeleitet werden. Beim Berühren der Kugelhülle
ändert sich die Feldstärke in diesem Bereich und es bildet
sich eine Vorzugsrichtung für die Entladung aus.
100