4. Lichtwirkung des elektrischen Stromes

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Physikalisches Schulversuchspraktikum
Wintersemester 2000 / 2001
Wirkungen des elektrischen Stromes
in der Unterstufe
Matrikelnummer: 9655056
Studienkennzahl: 412 / 406
Name: Angela Grafenhofer
Abgabetermin: 16.10.2000
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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