4. Lichtwirkung des elektrischen Stromes
Werbung
Physikalisches Schulversuchspraktikum Wintersemester 2000 / 2001 Wirkungen des elektrischen Stromes in der Unterstufe Matrikelnummer: 9655056 Studienkennzahl: 412 / 406 Name: Angela Grafenhofer Abgabetermin: 16.10.2000 1 2 3 1. Versuche zur magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes: Lernziele: Mit den folgenden Versuchen sollen die Schüler die Wirkungen des elektrischen Stromes kennenlernen. Der Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer Energie soll erkannt werden. Folgendes sollten die Schüler vom Unterricht der 4. Klasse mitnehmen: • Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. • Die Richtung des Magnetfeldes kann mit Hilfe der Rechten-HandRegel bestimmt werden. • Die magnetischen Feldlinien eines geraden stromdurchflossenen Leiters haben die Form von konzentrischen Kreisen. • Bei einer stromdurchflossenen Spule treten die Feldlinien wie bei einem Stabmagnet am Nordpol aus und am Südpol ein. • Die magnetische Wirkung einer Spule wächst mit der Anzahl ihrer Windungen. • Die Polung der Spule wird mit Hilfe der Rechten-Hand-Regel bestimmt. • Eine stromdurchflossene Spule mit Weicheisenkern bezeichnet man als Elektromagnet. • Auf die Wirkung des Magnetfeldes von stromdurchflossenen Spulen beruhen die Funktion des Drehspulgalvanometers und des Weicheisenamperemeters. • Die Bewegung eines Leiters erfolgt normal zur Stromrichtung. Die Bewegungsrichtung ist auch normal zu den magnetischen Feldlinien. • Die Funktionsweise des Elektromotors. 4 1.1. Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter: Versuchsaufbau: Wir spannen einen Kupferdraht so ein, dass er waagrecht in der Nord-SüdRichtung verläuft. Unter den Kupferdraht stellen wir eine Magnetnadel, die parallel zum Draht steht. Versuchsdurchführung: Nun schließen wir zunächst den Stromkreis bei einer Spannung von 2 V und erhöhen dann auf 6 V. Dabei wird die Magnetnadel beobachtet. Zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Stromrichtung und Ablenkung der Magnetnadel aus der Nord-Süd-Richtung die rechte Hand so über den Draht halten, dass die Fingerspitzen in (technische) Stromrichtung weisen. Dabei wird die Stellung des gespreizten Daumens mit der Richtung vergleichen, in die der Nordpol der Magnetnadel abgelenkt wird. Dann die Stromrichtung umkehren (Steckerstifte an der Spannungsquelle und am Messinstrument vertauschen) und Versuch in gleicher Weise wiederholen. 5 Versuchsergebnisse: Eine Magnetnadel, die sich in der Nähe eines von Gleichstrom durchflossenen Drahtes befindet, wird aus der Nord-Süd-Richtung abgelenkt. Die Richtung, in der die Magnetnadel abgelenkt wird, ändert sich mit der Stromrichtung. Die Ablenkung nimmt mit der Stromstärke zu. Ein von Gleichstrom durchflossener Draht ist von einem Magnetfeld umgeben, dessen Stärke von der Stromstärke und dessen Richtung von der Stromrichtung bestimmt wird. Die Ablenkung der Magnetnadel erfolgt nach der sogenannten „Ampereschen-Rechte-Hand-Regel“. Legt man die rechte Hand so über einen stromdurchflossenen Draht, dass die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung zeigen und die innere Handfläche der unter dem Draht liegenden Magnetnadel zugewandt ist, so wird der Nordpol der Magnetnadel in Richtung des gespreizten Daumens abgelenkt. Da sich eine Magnetnadel in die Richtung der magnetischen Feldlinien zu stellen trachtet, kann man aus diesem Versuch folgenden Schluss ziehen: Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. 6 1.2. Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter: Wir wollen nun das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter näher untersuchen: Versuchsaufbau: Wir führen einen Draht senkrecht durch eine Glas- oder Kartonplatte und bestreuen diese mit Eisenfeilspänen. Versuchsdurchführung: Nun wird das Stromversorgungsgerät kurzzeitig eingeschaltet, sodass ein starker Strom fließt. Man klopft gegen die Glas- oder Kartonplatte, bis sich das Eisenpulver zu einem Feldlinienbild geordnet hat. Beim Versuch bitte beachten: Versuch nach maximal einer Minute abbrechen! (Erwärmung der Leiter durch den hohen Strom, Überlastung des Stromversorgungsgerätes) 7 Versuchsergebnisse: Ein von Gleichstrom durchflossener gerader Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben, das senkrecht zum Leiter verläuft. Die magnetischen Feldlinien bilden Kreise, die konzentrisch um den Leiter als Mittelpunkt angeordnet sind und die in einer zum Leiter senkrechten Ebene verlaufen. Wie bei einem Magnet zeigen auch hier die Eisenfeilspäne den Verlauf von magnetischen Feldlinien an. Die magnetischen Feldlinien eines geraden stromdurchflossenen Leiters haben die Form von konzentrischen Kreisen. Versuchsbeschreibung: Nun verwenden wir beim Aufbau des vorigen Versuches statt der Eisenfeilspäne mehrere kleine Magnete, die wir in einen Kreis rund um den Leiter aufstellen. Beim Einschalten des Stromes beachte man nun die Richtung, die die Magnetnadeln einnehmen. 8 Versuchsergebnisse: Die Abbildung zeigt das Ergebnis dieses Versuches. Die Nordpole der Magnetnadeln geben die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Dies kann mit Hilfe der Korkenzieherregel überprüft werden: Der Drehsinn eines Korkenziehers beim Weiterdrehen in der technischen Stromrichtung stimmt mit der Richtung der magnetischen Feldlinien überein. In der Unterstufe wäre es jedoch sinnvoller dieses mit der Rechten-HandRegel zu erklären: Der Leiter wird mit der Hand so umfasst, dass der Daumen in die technische Stromrichtung weist. Die um den Leiter gekrümmten Finger zeigen dann in die Richtung der magnetischen Feldlinien. 9 1.3. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule: Sehr starke Magnetfelder kann man mit stromdurchflossenen Spulen erzeugen. Solche Spulen bestehen aus vielen nebeneinander liegenden Windungen eines mit Lack isolierten Kupferdrahtes. Versuchsaufbau: Wir führen den elektrischen Strom zuerst in einer und dann in mehreren Leiterschleifen um eine Magnetnadel herum. Nun beobachtet man, wovon die Ablenkung der Magnetnadel abhängt. Versuchsergebnisse: In der Abbildung werden die einzelnen Leiterschleifen vom Strom im gleichen Umlaufsinn durchflossen. Daher wirkt jedes Stück des Drahtes im selben Sinne ablenkend auf die Magnetnadel. Bei mehreren Windungen addieren sich diese Wirkungen. Fließt z.b. durch drei nebeneinanderliegende Windungen jeweils ein Strom von 1 A, so entspricht dies in der magnetischen Wirkung einer Stromstärke von 3 A in einer Windung. Bei einer entsprechend großen Anzahl von Windungen erhält man also schon mit einer geringen Stromstärke ein starkes magnetisches Feld. Die magnetische Wirkung einer Spule wächst mit der Anzahl ihrer Windungen. 10 Versuchsaufbau: Wir stellen eine Spule nach folgender Abbildung her, indem wir in einen Karton mehrere Löcher bohren und Drahtwindungen durchführen. Diese Spule schalten wir in einen Stromkreis und streuen auf den Karton Eisenfeilspäne. Versuchsergebnis: Die Eisenfeilspäne ordnen sich nach den magnetischen Feldlinien. Im Inneren einer stromdurchflossenen Spule verlaufen die Feldlinien parallel zur Spulenachse vom Südpol zum Nordpol. Dort, wo sie aus der Spule austreten, ist der Nordpol der Spule. Von da an verlaufen sie in einem Bogen zum Südpol am anderen Ende der Spule und treten dort wieder ein. Die Feldlinien bilden in sich geschlossene Linien. 11 Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule hat also große Ähnlichkeit mit dem eines Stabmagnets. Die Polung der Spule kann mit Hilfe der Rechten-Hand-Regel gefunden werden: Umfasst man die Spule so mit der rechten Hand, dass die Fingerspitzen in die technische Stromrichtung weisen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen in die Richtung des Nordpols. 12 1.4. Elektromagnete: Eine stromdurchflossene Spule mit Weicheisenkern bezeichnet man als Elektromagnet. Die Bedeutung des Eisenkerns soll folgender Versuch zeigen: Versuchsdurchführung: Eine Magnetnadel wird im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule, deren Achse in West-Ost-Richtung verläuft, aus der Nord-Süd-Richtung leicht abgelenkt. Führt man nun den Versuch noch einmal durch und füllt dabei den Innenraum der Spule mit einem Eisenkern, so wird die Magnetnadel stark ausgelenkt. 13 Versuchsergebnisse: Durch die Verwendung des Eisenkerns wird das Magnetfeld der Spule verstärkt. Die Feldstärke wird durch einen Eisenkern wesentlich erhöht. Zur Erklärung dieses Versuches nimmt man an, dass das Magnetfeld der Spule die Elementarmagnete des Weicheisenkerns ausrichtet. Dadurch wird der Weicheisenkern selbst zu einem Magnet. Die magnetische Wirkung der Spule wird somit wesentlich verstärkt. Der Vorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Dauermagneten besteht darin, dass der Elektromagnet nur magnetisch ist, wenn Strom fließt und somit seine Stärke regelbar ist. Bei Störungen (Stromausfall,...) ist er jedoch nicht mehr verwendbar. Je nach dem Verwendungszweck werden Elektromagnete als Stab-, Hufeisen- oder Topfmagnet ausgeführt. An die Pole eines Hufeisen- oder Topfmagnets wird ein Anker aus Weicheisen gelegt, der die dort austretenden magnetischen Feldlinien aufnimmt. Die Tragfähigkeit eines Magnets ist nämlich umso größer, je mehr Feldlinien im Eisen verlaufen. Zum Tragen von Lasten ist der Topfmagnet am besten geeignet. 14 1.5. Elektrische Messgeräte mit Spulen: Elektrische Größen wie Spannung und Stromstärke können auf direktem Weg nicht gemessen werden (z.b.: Spannung ist das Ausgleichsbestreben zwischen Elektronenüberschuss und Elektronenmangel). Da der direkte Weg nicht möglich ist, misst man die Wirkung, die durch Spannung und Stromstärke hervorgerufen wird. Eine Möglichkeit, die sich anbietet, ist das Messen der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes. Eines der wichtigsten elektrischen Messgeräte ist das Drehspulinstrument. Versuchsaufbau: Wir hängen eine Spule drehbar zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets. Dann schalten wir die Spule in einen regelbaren Stromkreis. Versuchsdurchführung: Nun soll die Spule beobachtet werden, während die Spannung langsam erhöht wird. 15 Versuchsergebnisse: Beim Erhöhen der Spannung dreht sich die Spule immer weiter aus der Ruhelage. Ursache für diese Erscheinung ist, dass zwei Magnetfelder zusammenkommen, das Magnetfeld des Hufeisenmagneten und das Magnetfeld der Spule. Aufgrund des Wechselwirkungsgesetzes (gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen einander an) kommt es zur Drehung der Spule. Wird an dieser Spule ein Zeiger befestigt, kann die Ablenkung deutlich sichtbar gemacht werden. Die Ablenkung wird bei zunehmender Stromstärke größer (höhere Stromstärke – stärkeres Magnetfeld). Die Stromstärke kann also über die magnetische Wirkung gemessen werden. Da die Stromstärke laut Ohmschem Gesetz von der Spannung und vom Widerstand abhängig ist, können auch Spannung und Widerstand durch geeignete Schaltungen gemessen werden. Der Versuch und vorige Abbildung zeigen das Prinzip eines Drehspulgalvanometers. Die stromdurchflossene Spule dreht sich gegen die rücktreibende Kraft (Federkraft) der Aufhängevorrichtung umso weiter aus ihrer Ruhelage, je größer die Stromstärke ist. Drehspulinstrumente können sowohl zur Messung von Stromstärken als auch von Spannungen geeicht werden. Sie sind oft als Vielfachmessgeräte ausgeführt. 16 Ohne einen Permanentmagnet kommt das WeicheisenDrehamperemeter aus. Dazu machen wir folgenden Versuch: oder Versuchsaufbau: Lege in die Mitte einer Spule zwei Nägel (Weicheisenstäbchen) nebeneinander. Schalte den Strom ein und erhöhe langsam die Spannung. Versuchsergebnisse: Wenn du die Spannung erhöhst, wird das Magnetfeld der Spule stärker. Das Magnetfeld der Spule magnetisiert beide Nägel. Es liegen jetzt gleichnamige Pole nebeneinander. Je stärker das Magnetfeld, desto stärker die abstoßende Wirkung. Die abstoßende Wirkung treibt die Nägel auseinander. Diese Art wird durch folgenden Aufbau zum Messen verwendet: Bei der Funktionsweise eines Weicheiseninstrumentes wird die Tatsache ausgenutzt, dass ein Eisenkern durch das magnetische Feld einer stromdurchflossenen Spule magnetisiert und mehr oder weniger in die Spule hineingezogen wird, unabhängig von der Stromrichtung. Die Richtung des magnetischen Feldes ist von der des Spulenstromes abhängig. Die auf den Eisenkern wirkende Kraft resultiert daraus, dass das Eisen in dem magnetischen Feld zu einem magnetischen Dipol wird. Die Kraft auf den Eisenkern ist daher von der Polarität des Stromes unabhängig, also dem Quadrat der Stromstärke in der Spule angenähert proportional. 17 18 19 1.6. Kraft zwischen stromdurchflossenen Leitern im Magnetfeld: Versuchsaufbau: Zwei leichtbewegliche Leiter (beispielsweise dünne Aluminiumbänder) werden in kurzen Abstand parallel gespannt. Die linke Abbildung zeigt dabei den parallelen Fall und die rechte den antiparallelen Fall. Versuchsdurchführung: Der Kleinstelltrafo wird auf 6 V eingestellt. Dann wird die Spannungsquelle eingeschaltet, und die stromdurchflossenen Leiter werden beobachtet. Versuchsergebnisse: Leiter, die von Strömen entgegengesetzter Richtung durchflossen werden, stoßen einander ab. Leiter, die von Strömen gleicher Richtung durchflossen werden, ziehen einander an. 20 Die Wechselwirkung zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern kann so verstanden werden, dass jeder der Leiter ein Magnetfeld aufbaut, in dem der andere Leiter eine magnetische Kraft erfährt. Aufgrund des Stromflusses bewegen sich in den beiden Leitern Ladungen Q. Auf die bewegten Ladungen des einen Leiters wirkt nun das Magnetfeld des zweiten Leiters. Das Magnetfeld um stromdurchflossene Leiter kann durch Eisenspäne auf einer normal auf die Leiter liegenden Ebene untersucht werden. a) Magnetfeld um parallele Ströme b) Magnetfeld um antiparallele Ströme Diese Wirkung entsteht also wiederum durch magnetische Kräfte. Somit ist wiederum der Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus gezeigt. 21 1.7. Ablenkung eines Leiters im Magnetfeld: Aus Versuchen wissen wir nun schon, dass eine bewegte Magnetnadel durch das magnetische Feld eines stromdurchflossenen Leiters aus ihrer Ruhelage abgelenkt wird. Wir wollen nun untersuchen, was passiert, wenn der Magnet fixiert ist und der Leiter beweglich ist. Versuchsaufbau: Wir bauen eine Leiterschleife auf, wie sie in der Abbildung gezeigt ist: Die Leiterschleife hängt frei zwischen den Polen des Hufeisenmagnetes. Zunächst fließt kein Strom durch die Leiterschleife. Versuchsdurchführung: Wir schließen den Stromkreis (am Netztrafo) kurzzeitig und beobachten die Leiterschaukel. Daraufhin ändern wir die Polung der Spannungsquelle (und damit die Orientierung des Stromes) und schließen den Stromkreis wieder kurzzeitig. Nun ändern wir die Orientierung des Magnetfeldes, indem wir Nord- und Südpol des Hufeisenmagneten vertauschen und schließen den Stromkreis wieder kurzzeitig. 22 Versuchsergebnisse: Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld, so wirkt auf ihn eine Kraft. Diese Kraft bewirkt eine Ablenkung des Leiters normal zur Richtung des Magnetfeldes und normal zur Richtung des Leiters. Je nach der Polung der Spannungsquelle (Orientierung des Stromes) und je nach der Orientierung des Magnetfeldes erfolgt die Ablenkung mit anderer Orientierung. Die Orientierung ergibt sich wieder aus der Rechten-Hand-Regel bzw. aus der Korkenzieherregel. Durch Verwendung eines Kraftmessers kann die Kraft, die auf einen im Magnetfeld eines Permanentmagneten aufgehängten stromdurchflossenen Leiter wirkt, in Abhängigkeit von der Stromstärke exakt bestimmt werden. 23 Versuchsaufaufbau: Beim Versuchsaufbau handelt es sich um ein gleichen wie beim vorigen Versuch. Jedoch wird nun auch ein Kraftmesser benötigt. Versuchsdurchführung: Der Kraftmesser wird wie in der Abbildung befestigt. Die Stromrichtung und Magnetfeldrichtung wird so gewählt, dass die Leiterschaukel bei eingeschaltetem Strom in den Magneten hineingezogen wird. Versuchsergebnisse: Auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld wirkt eine Kraft, die eine Bewegung des Leiters verursacht. Die Kraft nimmt mit der Stromstärke zu. 24 1.8. Drehung der stromdurchflossenen Spule im Magnetfeld: Versuchsaufbau: Wir hängen zwischen die Pole eines Hufeisenmagnets eine rechteckige Leiterschleife, die Teil eines Stromkreises ist. Es kann auch eine Spule mit wenigen Windungen verwendet werden. Versuchsdurchführung: Nun schalten wir den Strom ein und beobachten die Leiterschleife. Versuchsergebnisse: Die Schleife dreht sich soweit, bis die Rechteckfläche senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht. Die Drehung der Leiterschleife kann aus der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Hufeisenmagnets und dem Magnetfeld der Leiterschleife erklärt werden. Die Leiterschleife kann als Spule (mit einer Windung) angesehen werden. Sie verhält sich daher wie ein Stabmagnet, der sich in die Richtung der Feldlinien dreht. 25 Die Drehbewegung der stromdurchflossenen Leiterschleife kann aufrechterhalten werden, wenn im richtigen Augenblick die Stromrichtung in der Leiterschleife geändert wird. Damit kehrt man nämlich das Magnetfeld der Schleife um, und die Spule dreht sich weiter. Beim Elektromotor wird an Stelle einer Stromschleife immer eine Spule verwendet. T St B P Doppel-T-Anker mit den Wicklungen der Spule Stator (Feldmagnet) Bürsten (Kohle) Polwender (Kommutator) mit Metallsegmenten Um eine dauernde Drehung zu erhalten, wird die Stromrichtung in der Spule nach jeder halben Drehung geändert. Dies erreicht man mit Hilfe eines Polwenders oder Kommutators. Dieser besteht aus einem Zylinder mit zwei voneinander isolierten Metallsegmenten, an die die Enden der Spule leitend 26 angeschlossen sind. Auf den Metallsegmenten schleifen die sogenannten Bürsten, die meist aus Kohle bestehen und mit den Stromzuleitungen verbunden sind. In der Abbildung sieht man, dass ein Segment des Kommutators jeweils nur mit einem Pol der Stromzuleitung in Verbindung steht. Dreht sich die Spule und der damit fest verbundene Kommutator, so kommen beide Bürsten gleichzeitig auf die nichtleitenden Teile zwischen den Segmenten. Da sich die Spule durch ihren Schwung (Trägheit) weiterbewegt, kommt nun jede Stromzuführung mit dem anderen Segment in Berührung. Dadurch wird die Stromrichtung umgepolt und die einmal begonnene Drehung fortgesetzt. Bei allen Elektromotoren verstärkt man das Magnetfeld der Spule und damit ihr Drehmoment mit einem Weicheisenkern. In der einfachsten Form ist dieser ein Doppel-T-Anker, in dessen Ausschnitten die Wicklungen der Spule untergebracht sind. Der Anker mit der Spule wird Läufer oder Rotor genannt, der feststehende Teil heißt Stator. Liegt die Achse der Ankerwicklung parallel zu den Feldlinien des Statorfeldes, so ist kein Drehmoment vorhanden (Totpunkt). Die Bewegung des Doppel-T-Ankers hat also zwei Totpunkte. Man verwendet daher Trommelanker. Diese haben mehrere, gegeneinander um bestimmte Winkel versetzte Wicklungen, die im Anker eingebettet sind. Daher ist auch der Kommutator in ebenso viele gegeneinander isolierte Segmente geteilt. 27 2. Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen: Lernziele: Bereits in der 3. Klasse sollten die Schüler ein grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen Einrichtungen entwickeln. Darauf sollte in der 4. Klasse aufgebaut werden. Die Schüler sollten die Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und es sollte ein sicherheitsbewusstes Handeln erreicht werden. Folgende wesentliche Punkte sollten bekannt sein. • Die Wirkung des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper hängt vor allem von der Größe der Stromstärke ab. • Die Schüler sollten wissen, wie es zu Stromunfällen kommt, und wie diese vermieden werden können.. • Die Schüler sollten über die Auswirkungen verschieden hoher Stromstärken auf den menschlichen Körper informiert sein. • Die Schüler sollten wissen, wie sie Erste Hilfe bei einem Stromunfall leisten können, ohne sich selbst zu gefährden. • Die Schüler sollten wissen, was man unter Schutzerdung und Schutzisolation versteht. • Die Schüler sollten die Funktionsweise von Schmelzsicherungen verstehen. • Die Schüler sollten die Funktionsweise eines Leitungsschutzschalters, eines FI - Schalters und eines Trenntransformators erklären können. • Sicherungen sollen den Strom bei Überlastung der Leitungen oder bei Kurzschluss unterbrechen. • Die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen zur Verhinderung von Elektrounfällen sind die Schutzerdung, die Schutzisolation, die Schutztrennung und der FI-Schalter. 28 2.1. Die Wirkung des elektrischen Stromflusses durch den menschlichen Körper: Wir wissen bereits, dass die Wirkung des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper vor allem von der Größe der Stromstärke abhängt. Außerdem ist wesentlich, welchen Weg der elektrische Strom durch den Körper nimmt und wie lange er einwirkt. Der Körper setzt dem elektrischen Strom einen Widerstand entgegen. Seine Größe ist wesentlich vom Zustand der Haut abhängig. Ist diese trocken oder z.b. an den Händen sehr dick, so ist der Widerstand größer. Bei nasser Haut wird er dagegen sehr klein. Auch ein Schweißausbruch bei unvermuteter Berührung eines spannungsführenden Teiles vermindert den elektrischen Widerstand des Menschen (feuchte Hände!). Insgesamt hat also die Haut nur eine beschränkte Isolationswirkung. Unter 1 mA sind elektrische Ströme kaum spürbar. Bis zu 15 mA können Ströme längere Zeit ertragen werden, und es treten keine schädlichen Folgen auf. Allerdings verkrampfen bei etwa 15 mA die vom Strom durchflossenen Muskeln, und man kann daher z.b. einen Leiter, den man mit der Hand umfasst hat, nicht mehr loslassen. Zwischen 15 mA und 50 mA können elektrische Ströme nur kurze Zeit ertragen werden. Ist jemand längere Zeit dieser Stromstärke ausgesetzt, wird er meistens bewusstlos. An den Ein- und Austrittsstellen des Stromes können Brandwunden auftreten. 29 Zwischen 50 mA und 100 mA kann die Einwirkung des elektrischen Stromes bereits tödlich sein. Fließt der Strom über das Herz, so beginnt dieses unregelmäßig zu arbeiten. Kommt es schließlich zum Herzkammerflimmern, so bricht der Blutkreislauf zusammen. Dadurch erhalten die Gehirnzellen keinen Sauerstoff mehr, und der Mensch stirbt nach wenigen Minuten. Bei größeren Stromstärken können die Zersetzung der Körperzellen (Elektrolyse) und die Verbrennungen durch die Stromwärme den Tod des Betroffenen zur Folge haben. Schon die Stromstärken, wie sie bei allen im Haushalt verwendeten Glühlampen auftreten, können zu tödlichen Elektrounfällen führen. Laut Unfallstatistik sterben in Österreich im Jahr rund 50 Menschen durch die Einwirkungen des elektrischen Stromes. 2.2. Gefahren des elektrischen Stromes: Wie kommt es zu Unfällen mit dem elektrischen Strom? Hiezu ein Auszug aus den Berichten des Kuratoriums zur Hebung der elektrischen Sicherheit: • Ein Zwölfjähriger stolpert über die aus Draht gefertigte Umzäunung eines Schrebergartenbeetes. Der Draht ist an einer Dachrinne befestigt, die infolge falsch durchgeführter lnstallationen unter Spannung steht. Jede Rettung kommt zu spät. Stromtod. • Ein junges Mädchen möchte im elterlichen Badezimmer ein Bad nehmen. Die lnstallationen in diesem Haus stammen von HobbyHandwerkern, sprich: Pfuschern. Das Mädchen greift auf den unter Spannung stehenden Wasserhahn. Sie wird in der mit Wasser gefüllten Badewanne tot aufgefunden. Stromtod. Im Jahr 1985 ereigneten sich in Österreich 282 Unfälle durch elektrischen Strom, die 27 Todesopfer forderten. Die Mehrzahl dieser tödlich ausgegangenen Unfälle wurde durch Leichtsinn, Gedankenlosigkeit und Fahrlässigkeit verursacht. Eine große Zahl von Unfällen ereignet sich aber auch auf Grund schadhafter, nicht betriebssicherer Elektrogeräte, andere infolge unsachgemäßer Installationen. 30 Erste Hilfe bei Stromunfällen: • Strom abschalten bzw. den Verunglückten aus dem Stromkreis befreien, ohne dabei selbst in den Stromkreis zu geraten! Bevor der Retter den Verunglückten aus dem Stromkreis bringt, muss er sich selbst isolieren. Der Selbstschutz des Retters ist sehr wesentlich. • Verständigung eines Arztes oder der Rettung! Künstliche Beatmung, Versorgung von Wunden! Ein Stromkreis kann meistens durch einen Schalter, eine Sicherung oder eine Steckverbindung unterbrochen werden. Ansonsten muss darauf geachtet werden, dass der Verunglückte aus dem Stromkreis geborgen wird, ohne dass man selbst in den Stromkreis kommt. Die ersten Sekunden und Minuten nach einem Stromunfall sind entscheidend für Leben oder Tod des Betroffenen! Beginne daher sofort nach der Verständigung eines Arztes oder der Rettung mit künstlicher Beatmung und Herzmassage, wenn dies notwendig ist und du dazu imstande bist! Die künstliche Beatmung muss solange durchgeführt werden, bis die Atmung wieder einsetzt oder der Arzt den Tod des Verunglückten feststellt. Es kann vorkommen, dass Wiederbelebungsversuche erst nach Stunden Erfolg haben. 31 2.3. Sicherheit durch Schutzerdung und Schutzisolation: Eine wichtige Sicherheitsvorkehrung zur Vermeidung von Stromunfällen ist die Schutzerdung. Sie erfolgt meistens über die Schutzkontaktsteckdose und den Schutzkontaktstecker. Diese werden kürzer als Schukosteckdose und Schukostecker bezeichnet. Zur Schukosteckdose werden drei Leiter hingeführt. Es sind dies der Außenleiter, der Neutralleiter und als Schutzleiter der Erdleiter. Dieser ist bei ordnungsgemäß durchgeführten Installationen immer mit einer gelb-grünen Isolierung gekennzeichnet und steht mit der Erde in gut leitender Verbindung. Er wird an die beiden federnden Metallbügel in der Schukosteckdose angeschlossen. Vom Schukostecker gehen ebenfalls drei Leiter weg. Der gelbgrün gekennzeichnete Schutzleiter stellt eine leitende Verbindung zwischen den beiden Metallbügeln des Schukosteckers und dem Metallgehäuse des Elektrogerätes her. Wird nun das Elektrogerät über eine Schukoverbindung an das Stromnetz angeschlossen, so ist sein Metallgehäuse leitend mit der Erde verbunden. Kommt durch einen Fehler ein spannungsführender Leiter mit dem Metallgehäuse des Elektrogerätes in Berührung, so fließt ein Strom über den Erdleiter zur Erde ab. Meistens ist dabei die Stromstärke so groß, dass eine Sicherung den Stromkreis unterbricht. Große und schwere Elektrogeräte werden meistens ohne Steckverbindungen direkt an das Stromnetz angeschlossen. Auch sie werden über einen Schutzleiter mit der Erde verbunden. 32 Folgende Abbildung zeigt einen Stecker für drei Außenleiter, den Neutralleiter und den Schutzleiter (Eurostecker). Er wird z.b. für den Anschluss eines Drehstrommotors verwendet. Geräte, bei denen das Gehäuse zur Gänze aus Kunststoff besteht, benötigen keine Schutzerdung. Beispiele dafür sind der Handmixer, die Kaffeemühle oder der Haarfön. Sie werden als schutzisolierte Geräte bezeichnet und haben entweder einen Flachstecker oder einen Konturenstecker, der unlösbar mit dem zweiadrigen Anschlusskabel verbunden ist. Folgende Abbildung zeigt das Kennzeichen für schutzisolierte Geräte. 33 2.4. Schmelzsicherungen: Versuchsdurchführung: Wir bauen nach folgender Abbildung einen Stromkreis mit einer Spannungsquelle von 6 V, einem Glühlämpchen und vier Isolierklemmen auf. Zwischen die Klemmen K1, und K2 geben wir eine dünne Kupferlitze. Wir schalten den Strom ein und sehen, dass die Lampe leuchtet. Was passiert, wenn wir die Klemmen K1 und K2 mit einem Metallstab überbrücken? Versuchsergebnis: Infolge des geringen Widerstandes des Metallstabes steigt die Stromstärke rasch an. Die damit verbundene Wärmeentwicklung bringt die dünne Kupferlitze zum Schmelzen, wodurch der Stromkreis unterbrochen wird. Die Lampe erlischt. Werden die Zuleitungen vor einem Verbraucher aus irgendeinem Grund mit einem elektrischen Leiter (von sehr kleinem Widerstand) verbunden, so spricht man von einem Kurzschluss. Die Abbildung zeigt die Funktionsweise einer Schmelzsicherung: Kommen z.b. bei einem beschädigten Kabel die blanken Drähte miteinander in Berührung, so entsteht ein Kurzschluss. Praktisch der gesamte Strom nimmt den Weg über die schadhafte Stelle mit dem kleineren Widerstand. Durch den Kurzschluss wächst die Stromstärke derart an, dass die Leitung an schwachen Stellen durchschmelzen kann (Feuergefahr!). Um die Leitungen davor zu schützen, baut man an geeigneten Stellen des Stromkreises Sicherungen ein. Diese schmelzen durch, wenn die Stromstärke zu groß wird. 34 Folgende Abbildung zeigt nun eine Schmelzsicherung mit Sockel und Schraubkappe: Sicherungen schätzen den Stromkreis auch vor einer Überlastung. Diese kann durch den Anschluss zu vieler oder zu großer Stromverbraucher eintreten. Das Flicken durchgebrannter Sicherungen (Oberbrücken mit einem Draht) ist verboten, weil dadurch der Schutz der Leitungen vor einem Kurzschlussstrom und vor Überlastung aufgehoben wird. Die Stromkreise in einer Wohnung sind mit Sicherungen für 6 A, 10 A oder 16A abgesichert. Sie unterscheiden sich äußerlich durch die Farbe des Kennplättchens im Kopfkontakt (6A - grün, 10A - rot, 16A - grau) sowie durch den Innendurchmesser des Passringes. Dieser verhindert, dass eine Sicherung für eine höhere Stromstärke an Stelle einer Sicherung für eine niedrigere Stromstärke eingeschraubt werden kann. Es ist aber möglich, eine Sicherung für 16A durch eine für 10 A oder 6 A zu ersetzen. 35 2.5. Leitungsschutzschalter: 2.5.1. Bimetallsicherungen: Die Funktion einer Bimetallsicherung beruht auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes. Sie verhindert längere, kleine Überlastungen des Stromkreises und wird in vielen Elektrogeräten und Messgeräten verwendet. Nach dem Abkühlen des Bimetallstreifens schließt sich der Stromkreis entweder selbständig, oder er muss über einen Druckknopf wieder geschlossen werden. 2.5.2. Sicherungsautomaten: Der Aufbau eines Sicherungsautomaten ist in folgender Abbildung zu erkennen. Er ist mit den Anschlussklemmen (1) in den Stromkreis geschaltet. Bei einem plötzlichen Stromstoß, wie er bei einem Kurzschluss auftritt, unterbricht ein kräftiger Elektromagnet (3) durch Anziehen eines beweglichen Kontaktbügels den Strom bei den Kontakten 4 und 5. Nach Beheben der Kurzschlussursache kann der Sicherungsautomat durch den Kipphebel (6) wieder betriebsbereit gemacht werden. Im Sicherungsautomaten ist außerdem ein Bimetallschalter (2) eingebaut, der durch die Wärmewirkung den Strom bei längerer Überlastung abschaltet. Auch bei einem Sicherungsautomaten ist immer eine Mindeststromstärke vorgesehen, bei der er den Strom unterbricht. 36 2.6. Der FI - Schalter, der Trenntrafo: 2.6.1. Der FI – Schalter: Die in den vorigen Kapiteln behandelten Sicherungen sprechen erst bei den Stromstärken an, für die sie bestimmt sind. So unterbricht eine Sicherung für 10 A den Stromkreis erst dann, wenn diese Stromstärke überschritten wird. Ein Mensch könnte daher bei Berührung eines schadhaften Elektrogerätes von einem für ihn tödlichen Strom durchflossen werden, ohne dass die Sicherung anspricht. Zur Verhinderung solcher Stromunfälle dient der Fehlerstrom-Schutzschalter, kurz FI – Schalter. Normalerweise ist die Stromstärke im Außenleiter und im Neutralleiter gleich groß. Fließt aber in einem schadhaften Elektrogerät ein Teil des Stromes über den Schutzleiter ab, so ergibt sich zwischen Neutralleiter und Außenleiter eine Stromdifferenz, ein Fehlerstrom. Eine Stromdifferenz tritt auch auf, wenn jemand eine unter Spannung stehende Leitung berührt und Strom über diese Person zur Erde abfließt. Der FI - Schalter hat dann die Aufgabe, bei solchen Fehlerströmen den Stromkreis möglichst rasch abzuschalten. Die Größe des Fehlerstromes, bei dem der FI - Schalter anspricht, liegt im allgemeinen zwischen 10 und 100 mA, die Abschaltdauer beträgt zwischen 0,01 und 0,001 Sekunden. Die Funktionsfähigkeit des FI Schalters muss regelmäßig mit einer Prüftaste kontrolliert werden. Allerdings bietet auch der FI - Schalter keinen vollkommenen Schutz vor Elektrounfällen. FI - Schalter und Schutzerdung sind wichtige Sicherheitsvorkehrungen für den Menschen zur Vermeidung von Stromunfällen. 37 2.6.2. Der Trenntransformator (Schutztrennung): Ein Trenntransformator ist ein Transformator mit gleicher Primär- und Sekundärspule. Da der Sekundärstromkreis nicht geerdet sein darf, kann bei einem Isolationsfehler kein Fehlerstrom zur Erde fließen. Ein lebensgefährlicher Körperschluss wird somit vermieden. Besondere Sicherheitsvorkehrungen werden in Badezimmern getroffen. So wird z.b. einer Rasiersteckdose der Strom nicht direkt zugeleitet, sondern ein sogenannter Trenntransformator dazwischengeschaltet. Sein Sekundärstromkreis ist vom übrigen Netz getrennt. Da außerdem auf der Sekundärseite keine Leitung geerdet wird, haben die zwei Pole dieser Steckdose nur gegeneinander eine Spannung von 220 V, nicht aber gegen Erde. Eine Gefahr für den Menschen besteht nur dann, wenn man beide Buchsen der dem Trenntrafo nachgeschalteten Steckdose berührt. Die Abbildung zeigt, wie in einem Wohnhaus der Strom verteilt wird und wie die elektrischen Sicherheitseinrichtungen installiert sind. 38 Neben der Elektroinstallation müssen auch die Elektrogeräte allen Sicherheitsvorschriften genügen. Ein Nachweis dafür ist z.b. das ÖVEPrüfzeichen auf dem Gerät. Es besagt jedoch nicht, dass das gerade benutzte Gerät in Ordnung ist. In der Bedienungsanleitung muss ferner alles angeführt sein, was für die Sicherheit beim Betrieb des Gerätes von Bedeutung ist (Produktdeklaration). Ein defektes Elektrogerät darf nur von einem Fachmann repariert werden. Elektrotechniker und Elektrofacharbeiter haben eine mehrjährige Ausbildung, in der sie mit allen Sicherheitsvorkehrungen gegen die Gefahren des elektrischen Stromes vertraut gemacht werden. Zusammenfassung: Die Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen hängt in erster Linie von der Stromstärke ab. Sicherungen sollen den Strom bei Überlastung der Leitungen oder bei Kurzschluss unterbrechen. Die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen zur Verhinderung von Elektrounfällen sind die Schutzerdung, die Schutzisolation, die Schutztrennung und der FI-Schalter. 39 3. Wärmewirkung des elektrischen Stromes: Lernziele: Das Kapitel der Wärmewirkung des elektrischen Stromes wird in der 3. Klasse behandelt. Dabei sollten die Schüler verstehen, warum beim Fließen des elektrischen Stromes Wärme entsteht. Folgendes sollten die Schüler vom Unterricht mitnehmen: • Beim Fließen des elektrischen Stromes entsteht Wärme. • Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes ist umso größer, je größer die Stromstärke ist. • Strommessgeräte, die auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes beruhen, heißen Hitzedrahtamperemeter. • Der elektrische Widerstand vieler Stoffe hängt von der Temperatur ab. • Beim Erhitzen des Eisendrahtes nimmt der elektrische Widerstand zu. • Beim Erhitzen des Eisendrahtes wird die Stromstärke kleiner. • Es kommen bei der Erwärmung eines Metalls die Atomrümpfe in stärkere Schwingungen. Dadurch wird der Durchgang der Elektronen behindert. • Bei genügend großer Stromstärke erhitzt sich der Leiter so stark, dass er zu glühen beginnt. • Auch hier sollte der Schüler verschiedene Anwendungen kennenlernen und deren Funktion verstehen. 40 3.1. Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters: Beim Fließen des elektrischen Stromes entsteht Wärme. Wir wollen nun diese Wärmeentwicklung näher untersuchen. Versuchsaufbau: Wir geben in einen Stromkreis ein Amperemeter und einen dünnen Eisendraht, der an zwei Klemmen befestigt und durch ein kleines Massenstück gespannt ist. Versuchsdurchführung: Beobachte den Draht und das Massenstück, wenn der Strom eingeschaltet wird! Versuchsergebnis: Der Draht wird durch den elektrischen Strom erwärmt und dehnt sich aus. Das Massenstück sinkt tiefer. Erhöhen wir die Stromstärke, so beginnt der Draht zu glühen. 41 Versuchserklärung: Der elektrische Strom besteht im Fließen von Elektronen. Diese stoßen mit den Atomrümpfen des Drahtes zusammen. Dazu nun zwei Abbildungen. Die erste Abbildung zeigt ein Kristallgitter eines Metalls mit frei beweglichen Elektronen: Nun ist nach Einschalten des Stromes eine gerichtete Elektronenbewegung durch die angelegte Spannung zu beobachten. Mit der Zunahme der Stromstärke wird die Zahl der Zusammenstöße größer, und die Teilchen des Leiters geraten in stärkere Schwingungen. Die Temperatur des Drahtes steigt, und er dehnt sich aus. 42 Nun wird ein weiterer Versuch durchgeführt, der die Erwärmung eines stromdurchflossenen Leiters zeigt. Versuchsaufbau: Lege mit einer Pinzette eine Faser Stahlwolle über die Pole einer Taschenlampenbatterie. Versuchsergebnis: Du kannst feststellen, dass die Stahlwollfaser schlagartig aufglüht. Versuchserklärung: Die Reibung der fließenden Elektronen (Zusammenstöße mit den positiven Metallionen) erwärmt den Leiter. Bei genügend großer Stromstärke erhitzt sich der Leiter so stark, dass er zu glühen beginnt. Man spricht von der Wärme- und Lichtwirkung des elektrischen Stromes. Diese Eigenschaft findet in der Praxis sehr viele Anwendungen, die im Kapitel über die Lichtwirkung des elektrischen Stromes genannt werden. 43 3.2. Hitzedrahtamperemeter: Versuchsaufbau: Wir wiederholen den Versuch mit einem Nickel- oder Konstantandraht. Am Massenstück bringen wir einen Zeiger an. Auf einer Skala lesen wir zu verschiedenen Stromstärken die Zeigerstellung ab. Versuchsdurchführung: Vergleiche die Zeigerstellungen bei Wiederholung des Versuches mit gleicher Stromstärke! Versuchsergebnis: Die Versuchsanordnung stellt ein einfaches Messgerät für die Stromstärke dar. Strommessgeräte, die auf der Wärmewirkung des elektrischen Stromes beruhen, heißen Hitzdrahtamperemeter. Die Wärmewirkung des elektrischen Stromes ist umso größer, je größer die Stromstärke ist. Das Modell eines Hitzdrahtinstrumentes dient zur Demonstration der Wirkungsweise eines Messinstrumentes, das die Wärmewirkung des elektrischen Stromes für Messzwecke ausnutzt. 44 Diese Wärmewirkung ist bei Gleichstrom proportional dem Quadrat der Stromstärke. Für andere Stromarten dient sie zur Definition der effektiven Stromstärke. Darin liegt die unterrichtliche Bedeutung des Modells. Ein Widerstandsdraht wird bei diesem Verfahren bei Stromdurchgang erwärmt und dehnt sich unabhängig von der Stromrichtung und von der Stromart aus. Die sich ergebende Ausdehnung wird auf einen drehbaren Zeiger übertragen. Dieser Ausschlag ist dann ebenfalls proportional dem Quadrat der Stromstärke. Das Messgerätemodell ist in einem Plexiglasgehäuse montiert. Es eignet sich auf Grund seines klaren, übersichtlichen und von weitem gut erkennbaren Aufbau in Verbindung mit dem Schreibprojektor besonders gut für Demonstrationszwecke. Es kann aber auch ohne Schreibprojektor in direkter Beobachtung verwendet werden. Der Innenaufbau besteht im wesentlichen aus einem 0,35 mm dicken Konstantandraht, dessen Längenänderung bei Wärmebelastung durch elektrischen Strom über eine in der Mitte des Drahtes angebrachten Schnur, die über eine Rolle gelegt ist, auf einen drehbaren Zeiger übertragen wird. Diese Schnur ist mit einer am Gehäuse befestigten Feder verbunden. Die Stromzufuhr erfolgt über zwei mit Buchsen versehenen Kontaktplatten an der Seite des Gehäuses. Auf diesen Kontaktplatten befinden sich außerdem die Spannschrauben für den Konstantandraht, der unter Umständen ausgewechselt werden muss bzw. mit der rechten Spannschraube in Entlastungsstellung genau in die horizontale Lage gespannt werden kann, so dass auch der Zeiger an der Rolle am Skalenanfang steht. 45 3.3. Zusammenhang Erwärmung und Widerstand: Versuchsaufbau: Wir geben in einen Stromkreis ein Amperemeter und einen dünnen Eisendraht, der an zwei Klemmen befestigt ist. Versuchsdurchführung: Nachdem der Stromkreis geschlossen worden ist, wird der Eisendraht langsam erhitzt. Versuchsergebnis: Der elektrische Widerstand vieler Stoffe hängt von der Temperatur ab. Beim Erhitzen des Eisendrahtes nimmt der elektrische Widerstand zu. Die Stromstärke wird kleiner. Es kommen bei der Erwärmung eines Metalls die Atomrümpfe in stärkere Schwingungen. Dadurch wird der Durchgang der Elektronen behindert. 46 4. Lichtwirkung des elektrischen Stromes: Lampen dienen zur Beleuchtung mit unterschiedlichsten Anforderungen. Lampen werden als Signal- und Kontrollanzeigen verwendet. Auch Werbung und Anzeigen werden mit Lampen durchgeführt. In der Medizin werden Lampen zur Therapie und Beobachtung verwendet, wobei auch nicht sichtbare Strahlung genutzt wird. 4.1. Glühlampen: Glühende Körper senden Licht aus. Dies wird bei der Glühlampe ausgenutzt. Der Glühdraht wird aus Wolfram hergestellt. Er ist in seiner Länge und Stärke so auf die Spannungsquelle abgestimmt, dass er beim Durchfluss des Stromes eine Temperatur von 2500 – 3000 Cº erreicht. Dabei wird er weißglühend und sendet ein helles weißes Licht aus. Damit der Glühdraht nicht verbrennt und zu rasch verdampft, wird der Glaskolben mit Stickstoff oder mit einem Edelgas (Argon) unter niedrigem Druck gefüllt. Der Glühdraht ist als Wendel oder als Doppelwendel ausgeführt. Dadurch kann er leichter im Glaskolben untergebracht werden. Es ergibt sich aber noch ein weiterer Vorteil durch das Wendel. Dazu führen wir folgenden Versuch aus: 47 Versuchsaufbau: Wir wickeln aus einem Konstantandraht nach folgender Abbildung ein einfaches Wendel und ein Doppelwendel. Einen Teil des Drahtes lassen wir gerade. Versuchsdurchführung: Den so vorbereiteten Draht schließen wir an eine Spannungsquelle. Wir regulieren die Stromstärke so, dass das einfache Wendel glüht. Vergleiche, in welcher Stärke die beiden anderen Drahtstücke leuchten! Versuchsergebnis: Die Drahtwindungen erwärmen sich auch gegenseitig. Daher erreicht das Doppelwendel bei gleicher Stromstärke eine höhere Temperatur und damit auch eine höhere Lichtstärke als ein einfaches Wendel oder gar ein gerades Drahtstück. Die Lichtausbeute kann daher bei gleichbleibenden Stromkosten gesteigert werden. Sie liegt bei Glühlampen bei etwa 5%. Die Glühlampe wurde 1854 vom Uhrmacher Heinrich Goebel erfunden und von Thomas Alva Edison verbessert. Edison brachte in einer luftleer gepumpten Glasbirne einen Kohlefaden durch den elektrischen Strom zum Glühen. Heute werden fast ausschließlich Metallfadenlampen verwendet. Ihre Herstellung gelang nach vielen Versuchen dem österreichischen Chemiker Auer von Weisbach. In den ersten Metallfadenlampen wurde als Glühdraht Osmium verwendet, später Tantal, heute fast ausschließlich Wolfram (Schmelzpunkt bei 3400 Cº). 48 In einer Glühlampe wird durch die Wärmewirkung des elektrischen Stromes ein dünner, gewandelter Draht in Weißglut versetzt, sodass er Licht aussendet. Vertiefung in der Oberstufe: Die Lichtaussendung erfolgt im gesamten sichtbaren Spektrum. Durch „Zusammenstoß“ (genauer: elektrische Wechselwirkung mit den schwingenden Gitterionen) gelangen Elektronen auf höhere Energieniveaus und geben beim Zurückkehren in tiefere Niveaus die freiwerdende Energie in Form von Strahlung verschiedenster Wellenlängen ab. Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5800 - 6200 K. Um Licht gleicher spektraler Zusammensetzung abzugeben, müsste der Glühfaden einer Glühlampe ebenfalls diese Temperatur erreichen. Dies ist aber technisch nicht möglich, da die Schmelzpunkte aller chemischen Elemente weit darunter liegen. Den höchsten Schmelzpunkt der Metalle hat Wolfram mit 3680 K. Wie hängt die Lichtausbeute mit der Temperatur zusammen? Bei geringerer Temperatur verschiebt sich das spektrale Maximum des ausgesandten Lichts zu größeren Wellenlängen hin. Das Licht wird gelblicher, ein größerer Prozentsatz der Strahlung wird als unsichtbare Infrarotstrahlung abgegeben. Die aufgenommene elektrische Energie wird also nur zu einem geringen Prozentsatz in sichtbares Licht umgewandelt. Glühlampen erreichen Wirkungsgrade von etwa 5%. (Unter dem Wirkungsgrad versteht man hier das Verhältnis von der als sichtbares Licht abgestrahlten Energie zur aufgenommenen elektrischen Energie.) 49 Um möglichst sonnenähnliches Licht zu erhalten und die Ausbeute an sichtbarem Licht zu steigern, ist daher eine möglichst hohe Glühfadentemperatur wünschenswert. Beschreibung der Bauteilfunktion: Glühwendel: Material zur Lichtaussendung: Der Metalldraht (Länge ca. 1 m, Radius ca. 0,3 mm) besteht meist aus einer Wolframlegierung. Er wird als schraubenförmige Wendel, meist sogar als Doppelwendel, ausgebildet. So bringt man eine große Drahtlänge auf kleinstem Raum unter. Dadurch wird auch die Wärmeabgabe an das Füllgas vermindert, da sich die Windungen gegenseitig erwärmen. Bei gleicher elektrischer Leistung wird so eine höhere Temperatur des Glühfadens und damit eine höhere Lichtausbeute erreicht. Die mittlere Lebensdauer einer Glühlampe beträgt etwa 1000 Betriebsstunden. Wegen der hohen Temperatur (2500 ºC – 3000 ºC) verdampft der Glühdraht mit der Zeit, wird schließlich zu dünn und brennt durch. Das verdampfte Metall schlägt sich am kühleren Glaskolben nieder, was eine Schwärzung des Glaskolbens und damit eine Verminderung der Lichtausbeute zur Folge hat. Glaskolben: Schutz der Glühwendel: Da der Glühdraht an Luft sofort verbrennen würde, umgibt man ihn mit einem Glaskolben. Bei Lampen bis zu 25 W wird der Glaskolben fast luftleer gepumpt, bei Lampen mit höherer Leistung füllt man ein chemisch inertes Gas (Stickstoff, Argon oder Krypton) ein, das mit den Metallteilchen keine chemische Verbindung eingehen darf. Durch den Druck der Gasfüllung wird auch die Verdampfung des Metalls der Glühwendel vermindert. Lampensockel: Verbindung zur Stromquelle: Im Lampensockel ist der Glaskolben, die Stromzufuhr und die Glühwendel eingebaut. Die Größe der Lampensockel ist genormt. Bei Stromzufuhr aus dem Netz mit 220 V soll der Neutralleiter an der Sockelfassung (Aluminium- oder Messinggewinde) liegen, der Außenleiter am Sockelfuß. 50 4.2. Halogenlampe: Die Halogenlampe ist eine Spezialausführung der Glühlampe. Als Füllgas wird ein Halogen (Fluor, Chlor, Brom, Jod) verwendet, meist Jod. Das Jod verbindet sich bei niedrigerer Temperatur mit dem verdampften Wolfram zu Wolframjodid. Durch die Konvektion in der Lampe gelangen diese Moleküle zurück zur Glühwendel, wo sie wegen der dort herrschenden hohen Temperatur dissoziieren, d.h. das Wolframjodid wird in seine Bestandteile zerlegt. Das Wolfram bleibt auf der Glühwendel zurück, das Jod wird frei und kann erneut mit verdampftem Wolfram reagieren. Durch den Rücktransport des verdampften Wolframs wird die Lebensdauer der Lampe stark erhöht. Es ist dadurch möglich, die Temperatur der Glühwendel auf etwa 3500 K zu steigern, wodurch „weißeres“ Licht und eine höhere Lichtausbeute erreicht werden. Selbst nach längerer Betriebsdauer tritt keine Schwärzung des Glaskolbens ein. Da am Lampenkolben ständig eine Temperatur von 250 ºC besteht, muss die Halogenlampe aus Quarzglas gefertigt werden. Dies ermöglicht auch eine 51 kleinere Bauform und einen erhöhten Gasdruck, wodurch die Lichtausbeute erheblich gesteigert wird. Da die Temperatur nicht an allen Stellen gleich gehalten werden kann, verdampft Wolfram an einigen Stellen stärker, was mit der Zeit zum Durchschmelzen des Drahtes führt und damit die Lebensdauer ebenfalls begrenzt. Diese ist aber doppelt so hoch wie bei normalen Glühlampen. Halogenlampen wurden bis vor einigen Jahren wegen der höheren Kosten fast ausschließlich für spezielle Zwecke verwendet, vor allem dort, wo eine große Lichtausbeute benötigt wird (Dia-, Film- und Overheadprojektoren, Autolampen, Flutlichtanlagen etc.). Ihre Verwendung für allgemeine Beleuchtungszwecke nimmt erst langsam zu. Projektionslampen haben eine besonders hohe Lichtausbeute, aber dafür auch eine wesentlich geringere Lebensdauer. Halogenlampen werden oft mit Niederspannung betrieben (in Projektoren z.b. mit 12 oder 24 V). Sie benötigen daher bei Anschluss an das Stromnetz einen vorgeschalteten Transformator zur Spannungstransformation von 220 V auf die entsprechende geringere Spannung. Folgende Abbildung zwei Halogen-Metalldampflampen: a) 2000 W, Flutlicht und b) 350 W Glühlampe 52 4.3. Leuchten von verdünnten Gasen: Die Luft ist bei normalem Druck ein sehr schlechter Leiter. Anders ist dagegen die Leitfähigkeit verdünnter Gase. Versuchsaufbau: Wir verwenden eine Glasröhre nach folgender Abbildung an deren Enden je eine Elektrode eingeschmolzen ist. Gasentladung bei einem Druck von ca. 1 mbar Versuchsdurchführung: An diese legen wir eine hohe Gleichspannung (3000 – 10 000V). Bei gewöhnlichem Luftdruck fließt kein Strom. Nun verdünnen wir die Luft in der Röhre mit einer Luftpumpe. Beschreibe die Leuchterscheinungen in der Röhre bei Verminderung des Drucks! Versuchsergebnis: Die Leitfähigkeit der Luft und auch anderer Gase hängt außer von der angelegten Spannung auch vom Druck ab. Bei einem Druck von 10-50 Millibar bildet sich zwischen den Elektroden ein Lichtfaden. Bei weiterer Druckerniedrigung entsteht ein immer breiter werdendes violett-rotes Lichtband, das bei einem Druck von 6-10 Millibar die ganze Röhre bis auf einen dunklen Raum vor der negativen Elektrode erfüllt. Bei weiterer Herabsetzung des Druckes zieht sich das Lichtband etwas gegen die positive Elektrode zurück und schichtet sich. Bei der negativen Elektrode wird deutlich ein Glimmlicht sichtbar. 53 In einem Gas ist immer eine kleine Anzahl von geladenen Teilchen (Ionen) vorhanden. Bei niedrigem Druck sind sie von wesentlich weniger Nachbarteilchen umgeben. Daher erreichen sie durch die angelegte Spannung eine so hohe Geschwindigkeit, dass beim Zusammenstoß mit den neutralen Gasteilchen weitere Ionen entstehen. Dadurch wird das Gas leitend. Bei genügend kleinem Druck leiten Gase den elektrischen Strom, es kommt zu einer elektrischen Gasentladung. Anwendungen: Praktische Anwendung findet die Gasentladung für die farbige Lichtreklame. Dabei gibt man den Leuchtröhren verschiedene Formen, wie z.b. Buchstaben oder Ziffern. Die Farbe des Lichtes hängt vom verwendeten Gas ab. Auch in Glimmlampen findet eine Gasentladung statt. Bei ihnen ist der Abstand der Elektroden so klein, dass sich nur um die negative Elektrode ein Glimmlicht ausbildet. Deshalb können Glimmlampen als Spannungs- und Polprüfer verwendet werden. Wir haben sie zum Nachweis der verschiedenen Ladungsarten sowie bei der Feststellung, ob wir es mit Gleich- oder Wechselstrom zu tun haben, benutzt. Die folgende Abbildung zeigt einen Spannungsprüfer in Form eines Schraubenziehers. Die Glimmlampe befindet sich in einem durchsichtigen Griff aus lsoliermaterial. Zusätzlich enthält der Spannungsprüfer einen hohen Schutzwiderstand. Berührt man mit dem Schraubenzieher einen unter Spannung stehenden Leiter, so leuchtet die Glimmlampe auf. Die Leuchterscheinung wird deutlicher, wenn man den Finger auf die Metallkappe legt. Der Spannungsprüfer darf aber niemals am Metallteil vor der Glimmlampe berührt werden! Lebensgefahr! Glimmlampen werden auch für Nachtlichter, für die Beleuchtung von Schalterknöpfen, als Anzeigegeräte für eingeschaltete Stromkreise usw. verwendet. 54 4.4. Die Leuchtstoffröhre und die Quecksilberdampflampe: Eine wichtige Anwendung der Gasentladung ist die Leuchtstoffröhre. Sie kann mit 220 V betrieben werden, die Gasentladung muss aber mit einem „Starter“ gezündet werden. In ihr befindet sich als verdünntes Gas Quecksilberdampf, der bei der Entladung neben sichtbarem Licht vor allem unsichtbare ultraviolette Strahlen aussendet. Daher wird das Glasrohr innen mit Leuchtstoffen überzogen, die die unsichtbare Strahlung des Quecksilberdampfes in sichtbares Licht umwandeln. Je nach der Beschaffenheit des Leuchtstoffes erhält man weißes oder farbiges Licht. Bei einer Leuchtstoffröhre werden ungefähr 20 % der aufgenommenen elektrischen Energie als Licht ausgesendet, bei einer Glühlampe nur etwa 5%. Der Rest wird jeweils in Wärme umgesetzt. Außerdem hat eine Leuchtstoffröhre etwa die dreifache Lebensdauer einer Glühlampe. Eine teilweise mit Leuchtstoff belegte Röhre. Ohne Leuchtstoff wird nur sehr wenig sichtbares Licht ausgesendet. Seit einiger Zeit gibt es auch Kompaktleuchtstofflampen (siehe Abbildung auf der folgenden Seite), die in den Sockel einer gewöhnlichen Glühlampe geschraubt werden können. Ihr Aufbau und ihre Funktionsweise entsprechen einer Leuchtstoffröhre. Alle nötigen Zusatzeinrichtungen (Starter usw.) sind aber viel kleiner und in der Lampe untergebracht. Diese „Sparlampen“ verbrauchen bei gleicher Lichtausbeute nur etwa ein Viertel des Stromes einer Glühlampe und haben eine etwa fünfmal so große Lebensdauer. 55 In Leuchtstoffröhren werden durch die unsichtbare ultraviolette Strahlung des Quecksilberdampfes Leuchtstoffe zur Lichtaussendung angeregt. Auch in einer Quecksilberdampflampe wie in folgender Abbildung findet eine Gasentladung statt. Dabei wird eine starke ultraviolette Strahlung ausgesendet. Sie hat eine Bräunung der Haut zur Folge. Diese Strahlung ist auch im Sonnenlicht vorhanden. Sie wird aber in der Stratosphäre vom Ozon zum größten Teil absorbiert. Weil die UV-Strahlung besonders in großen Höhen wirksam ist, werden die Quecksilberdampflampen auch künstliche Höhensonnen genannt. 56 Vertiefung in der Oberstufe: Die Leuchtstoffröhren, die für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt werden, sind mit Quecksilberdampf und geringen Mengen eines Edelgases gefüllt. Durch Stöße mit Elektronen werden die Elektronen der Hg-Atome auf höhere Energieniveaus gehoben oder von den Hg-Atomen ganz losgerissen. Beim Zurückfallen auf ihre ursprünglichen Energieniveaus bzw. bei der Rekombination (Wiedervereinigung) der ionisierten Hg-Atome mit Elektronen werden die für Quecksilber charakteristischen Spektrallinien ausgesendet. Das Licht, das Hg-Lampen aussenden, ist bläulich und besteht zu einem großen Teil aus unsichtbarer UV-Strahlung. Die Innenseite des Glasrohrs ist mit einer Leuchtschicht überzogen, die bei Bestrahlung mit UV-Licht rötlich fluoresziert. Dadurch erhält das Licht der Leuchtstoffröhre eine gelblich-weiße Farbe. Da in Leuchtstoffröhren die Hg-Atome durch Stöße mit Elektronen und nicht thermisch angeregt werden, bleibt die Temperatur in diesen Lampen niedrig. Leuchtstoffröhren erreichen Wirkungsgrade von 20 - 40%. Zur Beleuchtung von Straßen werden oft Natriumdampflampen verwendet, die ausschließlich gelbes Licht aussenden. Sie haben eine höhere Lichtausbeute und eine größere Lebensdauer. Außerdem durchdringt ihr gelbes Licht Nebel besser als weißes Licht. 57 Technische Ausführung: Bauteile: Beschreibung der Bauteilfunktion: Glasrohr: Behälter für das Gas: Das Rohr ist mit Quecksilberdampf unter niedrigem Druck (0,1 bis 100 mbar) und geringen Mengen eines Edelgases gefüllt. Die Innenseite ist mit einer Leuchtschicht überzogen, die das in der Lampe erzeugte UV-Licht in sichtbares Licht umwandelt. Durch geeignete Wahl des Leuchtstoffes kann dem Licht der Leuchtstoffröhre nahezu jede gewünschte Farbe gegeben werden. 58 Glühelektroden: Elektronenquelle: Durch die hohe Temperatur der Elektroden erhalten einige Elektronen genügend Energie, um aus dem Metall austreten zu können (glühelektrischer Effekt). Durch die angelegte Spannung werden die Elektronen so stark zur Anode hin beschleunigt, dass sie die Atome der Gasfüllung anregen bzw. ionisieren können. Zündung: Herstellung der Ladungsträger: Beim Einschalten der Lampe kann zunächst kein Strom durch das Gas fließen, da keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Das Freisetzen von Elektronen (bei hoher Spannung) und das damit verbundene Aufleuchten der Lampe nennt man Zündung. Die Netzspannung von 220 V reicht wegen des großen Abstandes der Elektroden in der Röhre nicht aus, um die Leuchtstoffröhre zu zünden. Zum Betrieb einer Leuchtstoffröhre sind deshalb ein Starter, der aus einer Glimmlampe mit eingebautem Bimetallschalter besteht, und eine Drosselspule, welche die nötige Zündspannung liefert und die Stromstärke begrenzt, notwendig. Starter einer Leuchtstofflampe (ohne Gehäuse) Auf der folgenden Seite wird die Zündung der Lampe genau beschrieben. 59 Der Vorgang der Zündung läuft folgendermaßen ab: • Beim Einschalten zündet zunächst (bei offenem Bimetallschalter) die Glimmlampe. • Die Glimmentladung erwärmt den Bimetallstreifen, worauf dieser die Glimmlampe kurzschließt. Die Glimmentladung erlischt. Es fließt ein stärkerer Strom, da der Widerstand im Stromkreis jetzt geringer ist. Dadurch beginnen die Glühelektroden zu glühen und setzen Elektronen frei. • Der Bimetallstreifen kühlt sich wieder ab und unterbricht den Stromkreis. Diese Unterbrechung verursacht eine hohe Induktionsspannung in der Drosselspule (Selbstinduktion, Lenzsche Regel). Dieser starke Spannungsstoß zündet die Lampe. (In der Regel zündet die Lampe erst nach mehreren Zündversuchen. Das ist der Grund für das Flackern von Leuchtstoffröhren beim Einschalten.) • Wegen des Nebenschlusses durch die Leuchtstoffröhre zündet die Glimmlampe nicht mehr, und der Bimetallschalter bleibt offen. Durch den Aufprall von Quecksilberionen bleiben die Glühelektroden heiß. Durch die Ionisierung der Hg-Atome entstehen in der Lampe zusätzliche freie Ladungsträger (Elektronen und Ionen), wodurch die Gasfüllung leitfähig wird. Zur Aufrechterhaltung der Gasentladung reicht daher die Netzspannung. Die Lampe leuchtet weiter, die Drosselspule begrenzt die Stromstärke. Bei jedem Nulldurchgang der Wechselspannung erlischt die Gasentladung in der Leuchtstoffröhre und zündet während des anschließenden Spannungsanstieges wieder. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz geschieht dies also hundertmal pro Sekunde. Diesen raschen Helligkeitswechsel kann der Mensch zwar nicht bewusst wahrnehmen, wie neuere Untersuchungen zeigen, können dadurch aber raschere Ermüdung, Kopfweh und andere gesundheitliche Probleme verursacht werden. Die Lebensdauer von Leuchtstoffröhren beträgt durchschnittlich 5000 Betriebsstunden. 60 4.5. Die Energiesparlampe: Die Energiesparlampe ist eine Spezialausführung der Leuchtstoffröhre. Ihre Vorteile gegenüber der Leuchtstoffröhre sind: • Glühlampenähnlicheres Licht • Geringe Größe • Schraubsockel, dadurch in normale Glühlampenfassungen einsetzbar. Starter und Drosselspule sind in den Lampensockel eingebaut. • Höhere Lebensdauer (6000 - 8000 Betriebsstunden), geringer Stromverbrauch (eine 7 W-Sparlampe gibt so viel Licht wie eine 40 W Glühlampe), dadurch trotz des höheren Preises wirtschaftlicher • Sofortige Zündung ohne Flackern durch elektronisches Vorschaltgerät • Höhere Wechselstromfrequenz (30000 Hz) durch elektronisches Vorschaltgerät, dadurch praktisch flimmerfrei. 61 Spektrale Strahlungsverteilung: Nachteil gegenüber der Glühlampe: Ebenso wie Leuchtstoffröhren enthalten Energiesparlampen geringe Mengen von Quecksilber und Schwermetalle. Kaputte Lampen gehören daher nicht in den Mistkübel, sondern sind Sondermüll. Nun noch die Bilder der verschiedenen spektralen Strahlungsverteilungen: Tageslicht (6000 K) Glühlampe (2700 K) Energiesparlampe (Leuchtstoffröhre) 62 Literaturhinweise: Für dieses Protokoll wurden Versuchsanleitungen und die verschiedensten Bücher der Ober- und Unterstufe verwendet: • Gollenz-Konrad-Breyer: Physik 3. Klasse. Verlag HölderPichler-Tempsky. Wien: 1987 • Gollenz-Konrad-Stuzka-Eder: Physik 4. Klasse. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1991 • Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Physik. Veritas. Linz: 1989 Bewegung mit • Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Physik. Veritas. Linz: 1991 Bewegung mit • Jaros-Nussbaumer-Kunze: Basiswissen 3. Verlag HölderPichler-Tempsky. Wien: 1991 • Kunze: Technik im Alltag. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1991 63
