Arbeitsblätter - educa.Unterricht

Schutzgebühr: Fr. 4.00 (inkl. MWST)
Arbeitsblätter
ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Inhaltsverzeichnis
Seite
Tipps für einen Schulbesuch
1
Was ist Ladung?
2
Was heisst aufladen?
2
Was ist Strom?
4
Was ist ein Stromkreis?
5
Was heisst: Es fliesst ein Strom?
6
Wie funktioniert eine Lampe?
6
Was ist Magnetismus?
7
Was haben Elektrizität und Magnetismus miteinander zu tun?
8
Wie erzeugt man Strom?
8
Wie funktioniert ein Elektromotor?
9
Wofür schickt das Elektrizitätswerk seine Rechnung?
10
Was sind die Gefahren von Elektrizität?
10
Was ist Gleichstrom, was ist Wechselstrom?
10
Antworten
12
Technoramastrasse 1
CH-8404 Winterthur
Tel. +41 (0) 52 244 08 44
Fax +41 (0) 52 244 08 45
Internet: www.technorama.ch
E-mail: [email protected]
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 1
Tipps für einen Schulbesuch
Für Lehrer(in):
Für Schüler(innen):
Allgemeine Hinweise für einen
Technorama-Besuch
So geht's...
• Für die Phänomene, die die Schüler
und Schülerinnen am meisten interessieren, sollen sie sich Zeit nehmen. (Man kann sich bei einem Besuch nicht allen Versuchen intensiv
widmen.)
• Es gilt vor allem, nach eigenen Erklärungen zu suchen und sie am Experiment zu überprüfen.
• Jugendlabor (Tel. 052 244 08 50)
Oeffnungszeiten:
Dienstag bis Samstag, 14 – 17 h
Sonntag, 12 – 17 h
Vormittags für angemeldete Schulklassen reserviert. Reservation sollte
möglichst frühzeitig erfolgen.
• Teilt euch bitte in kleine Gruppen zu
zweit oder zu dritt auf.
• Geht durch die ganze Ausstellung
ELEKTRIZITÄT/MAGNETISMUS und
schaut euch erst einmal alles kurz an.
• Hier dürft und sollt ihr die Experimente anfassen, be-greifen, ausprobieren
und mit ihnen spielen.
• Für die Phänomene, die euch am
meisten interessieren, solltet ihr euch
Zeit nehmen. (Man kann sich bei einem Besuch nicht allen Versuchen intensiv widmen.)
• Es gilt vor allem, nach eigenen Erklärungen zu suchen und sie am Experiment zu überprüfen.
• Falls ihr Fragen oder Probleme habt,
wendet euch bitte an eine(n) Betreuer(in) mit Technorama-Gilet oder an
eure/n Lehrer(in).
Bemerkungen zu den Fragen in diesen Arbeitsblättern sowie Tipps zur
Einführung der Schüler
• Das Hauptziel der Arbeitblätter besteht darin, Schülerinnen und Schüler
zu genauem Beobachten anzuspornen. Deshalb muss ihnen auch das
Gefühl vermittelt werden, dass sie in
ihren Erklärungen und Meinungen
ernst genommen werden. Ob ihre
Antworten richtig oder falsch sind,
finden wir eher zweitrangig.
• Der Schwierigkeitsgrad der Fragen ist
unterschiedlich. Es empfiehlt sich, eine gezielte Auswahl aus den Versuchen zu treffen.
• Die Lösungen zu den Aufgaben geben die Hintergründe zu den Versuchen nur sehr knapp wieder. Fachbücher geben tiefergehende Informationen.
Wir danken der Jacobs Foundation für die grosszügige
Unterstützung unseres Schuldienstes. Weiter unterstützt
auch die VTW (Vereinigung für Technik und Wirtschaft)
das Technorama in seinem ausserschulischen Freizeitangebot.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 2
Was ist Ladung?
Was heisst aufladen?
Überall ist Elektrizität: in jedem Stein, im Wasser, in der Luft, sogar in unserem Körper. Das ist
so, weil alles aus Atomen besteht, und alle diese
Atome aus Teilchen mit elektrischer Ladung: der
Atomkern aus positiv geladenen Protonen, die
Atomhülle aus negativ geladenen Elektronen.
Positive und
negative Ladungen
ziehen sich "leidenschaftlich" an, und
wenn sie sich
miteinander zu Atomen verbinden, neutralisieren
sich ihre Wirkungen. Darum scheinen die meisten Materialien nicht elektrisch zu sein. Ein elektrisch neutraler Gegenstand enthält nämlich
genau gleich viele Billionen und Aberbillionen
Elektronen und Protonen.
Der elektrische "Neutralzustand" kann durcheinander geraten, wenn etwa ein negatives Elektron
ein Atom verlässt. Manchmal genügt schon eine
Berührung verschiedenartiger Materialien, um
Elektronen von Atomen zu trennen. So ein Atom
hat dann mehr positive Protonen als negative
Elektronen und ist darum positiv geladen.
Welche Behauptung ist richtig?
† a Von Ladungen gehen Kräfte aus, so
genannte elektrische Kraftfelder. Sie
wirken, ähnlich wie Gravitationsfelder,
durch den leeren Raum.
† b Das ist völliger Unsinn. Für die elektrischen Kräfte gibt es bis heute keine
Erklärung, schon gar nicht die obige.
Na und?
Wenn du mit einem Plastikkamm durch Deine Haare
fährst, gehen Elektronen
vom Haar auf den Kamm
über. Der Kamm ist dann
negativ, Dein Haar (und
zwar jedes einzelne) positiv
geladen. Die Haare sträuben
sich, weil sich gleichartige Ladungen abstossen.
Sicher hast du beim Ausziehen eines Pullis auch
schon ein Knistern gehört oder im Dunkeln sogar kleine Blitze gesehen. Vielleicht hast du auch
schon einen elektrischen Schlag bekommen,
wenn du die Autotür zuschlagen wolltest. Während der Fahrt hast du dich beim Rutschen auf
dem Sitz aufgeladen. Das Knistern, die Blitze
und der Schlag sind Entladungen. Das elektrische Gleichgewicht wird dadurch "schlagartig"
wiederhergestellt. Genau dasselbe passiert auch
bei einem Gewitter, wenn sich geladene Wolken
"blitzartig" entladen.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 3
Was heisst aufladen? (Forts.)
Experiment im Jugendlabor (Infos
siehe Seite 1):
Das Riesen-Elektroskop
Ein Hilfsmittel zum Nachweis elektrischer Ladungen
ist das Elektroskop. Experimentiere nach den Anweisungen mit Ladungen.
Dann fallen dir die richtigen Antworten sicher ein.
Do it!
Blase einige Ballons auf und hänge sie an Fäden. Reibe die Ballons mit Wolle oder an deinem
Haar. Du "reibst" dabei Elektronen von deinem
Haar auf die Ballons, und sie werden negativ
geladen. Ein geladener Ballon haftet an einer
Wand oder an deiner Hand. Hältst du aber zwei
Ballons an den Fäden und bringst sie einander
in die Nähe, so stossen sie sich ab.
Was hältst du von folgender Behauptung? Manche Personen, besonders solche mit extrem trockener Haut, können bis zu 30'000 Volt geladen
sein und stellen in Sprengstofffabriken und
Ölraffinerien eine Gefahr dar.
† a
† b
Was passiert, wenn du die weisse Teflonplatte
an deinen Kleidern reibst?
† a
† b
† c
Sie wird positiv geladen.
Sie wird negativ geladen.
Nichts besonderes.
Was passiert, wenn du die geladene Teflonplatte
an die Metallplatte des Riesenelektroskops
hältst?
† a
† b
† c
Die Bänder werden positiv geladen und
stossen sich ab.
Die Bänder stossen sich ab, sie sind aber
negativ geladen.
Es passiert gar nichts.
Wenn du über einen Spannteppich schlurfst und
dabei Elektronen von dir auf den Teppich übergehen. Bist du dann positiv oder negativ geladen?
Wenn etwas eine positive elektrische Ladung
erhält, folgt daraus, dass etwas anderes
† a
† b
† c
gleich stark positiv geladen wird.
gleich stark negativ geladen wird.
magnetisiert wird.
Richtig.
Falsch.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 4
Was ist Strom?
Positive Protonen und negative Elektronen ziehen einander stark an. Um sie zu trennen, musst
du deshalb Arbeit verrichten. Diese Arbeit geht
aber nicht verloren; sie steckt als gespeicherte
Energie in den getrennten Ladungen. Wenn du
Ladungen erst einmal getrennt hast, kannst du sie
für dich arbeiten lassen und damit ihren Drang
ausnützen, sich wieder zu verbinden. Strom
„fliesst“, wenn Ladungen sich bewegen.
Na und?
Bei chemischen Reaktionen sind immer elektrische Ladungen im Spiel. In einer ungebrauchten
Taschenlampen-Batterie setzt eine chemische
Reaktion erst ein, wenn durch einen äusseren
Stromkreis ein Ladungstransport erfolgt. Die
Batterie ist „entladen“, wenn die Substanzen
„aufgebraucht“ sind.
Do it!
Steck eine Büroklammer und ein Stück Kupferdraht nahe beieinander in eine Zitrone und berühr die beiden Drahtenden mit deiner Zunge!
Das feine Prickeln und der metallische Geschmack sind Resultat eines kleinen Stroms von
der Zitronenbatterie durch die Drähte und Deine
Zunge.
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Die Handbatterie
Du bist hier Teil des Experiments. Geh nach den
Anweisungen vor und du "begreifst" das Prinzip
der Batterie.
Wie gross ist der Ausschlag am Messinstrument,
wenn du nur die Fingerspitzen auf die Platten
legst? Wie gross ist er, wenn du die Handflächen
ganz auflegst?
Bilde mit Freund(inn)en eine Kette. Die beiden
am Ende der Kette sollen ihre freie Hand auf die
Metallplatten legen, eine auf die aus Kupfer, die
andere auf die aus Aluminium. Der Ausschlag
des Zeigers ist jetzt
† a grösser als vorher.
† b kleiner als vorher.
† c gleich wie vorher.
Gibt es Situationen, wo eine sehr hohe Spannung
besteht, ohne dass viel Strom fliesst?
† a Ja, das gibt es oft. Gerade wenn man sich
auflädt.
† b Nein, das ist unmöglich. Niemand würde
das überleben.
Do it!
Du kannst Elektrizität dazu bringen, zu arbeiten
und Wärme oder Licht zu erzeugen. Nimm eine 6
Volt Batterie und befestige einen Draht an jedem
Pol. Befestige die beiden freien Drahtenden an
einem Stück Stahlwolle ohne Seife. (Führe dieses
Experiment auf einer nicht brennbaren Unterlage aus!). Die elektrische Energie der Batterie
wird in Wärmeenergie umgewandelt, wenn sie
durch die Stahlwolle geht, heizt sie auf, bringt
sie zum Glühen und zum Brennen.
So ähnlich werden auch Bügeleisen, Heizkissen
und Tauchsieder heiss.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 5
Was ist ein Stromkreis?
Getrennte Ladungen in einer Batterie können
sich nur vereinen, wenn man ihnen eine "Bahn"
dafür zur Verfügung stellt, in der sie fliessen
können: einen Stromkreis. Beim Stahlwolleversuch brauchst du zwei Drähte, einen für jeden
Pol der Batterie. Wenn du einen Draht von der
Batterie trennst, haben die Ladungen keine geschlossene Bahn von Pol zu Pol und fliessen
darum nicht mehr.
Ein einfacher Stromkreis kann mit einer
Batterie, einer Glühlampe und etwas Draht
aufgebaut werden. In
welcher der nebenstehenden Anordnungen leuchtet die
Lampe?
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Parallel- und Reihenschaltung
Na und?
Du schliesst so einen Stromkreis für Ladungen,
wenn du Licht anmachst. Der Kreis führt als
Hochspannung vom Kraftwerk über kilometerlange Leitungen zu einer Trafostation. Von dort
führt er als Niederspannung zu deinem Haus,
durch den Lichtschalter, den Glühfaden und
dann auf die gleiche Art wieder zurück zum
Elektrizitätswerk.
Ein Tram hat einen, ein elektrischer Bus zwei
Stromabnehmer. Das hat folgenden Grund:
† a Der zweite Stromabnehmer ist eine
Reserve für erhöhte Zuverlässigkeit.
† b Der Bus braucht mehr Strom.
† c Beim Tram arbeiten neben dem Bügel
auch die Räder als Stromabnehmer.
Experimentiere mit den verschiedenen Schaltungen, dann sollten dir die folgenden Fragen keine
Mühe bereiten.
Billige Christbaumbeleuchtungen sind oft in
Reihe geschaltet. Was passiert, wenn man eine
Lampe ausdreht oder eine durchbrennt?
† a Alle anderen leuchten ein wenig stärker.
† b Alle anderen löschen auch aus.
Do it!
Bau nach der Abbildung einen Schalter du
brauchst dafür eine 4.5 Volt Batterie, eine Taschenlampenbirne, eine Lampenfassung, drei
Drähte, einen Blechstreifen, ein Brettchen und
zwei Nägel.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 6
Was heisst: Es fliesst
ein Strom?
Wie funktioniert eine
Lampe?
Wenn du Licht anmachst und einen Stromkreis
schliesst, brennt die Lampe sofort. Ebenso rast
beim Telefonieren das elektrische Signal, das
Deine Stimme transportiert, fast mit Lichtgeschwindigkeit entlang der Drähte.
Sobald nämlich eine Batterie oder ein Generator
angeschlossen wird, baut sich im Leiter (beinahe
mit Lichtgeschwindigkeit) ein elektrisches Feld
auf. Und dieses Feld beeinflusst die Bewegung
der freien Leiterelektronen. Die Verschiebung
der Elektronen ist wegen ihrer grossen Anzahl
sehr langsam.
Im Stahlwolleexperiment
hast du elektrische Energie
in Wärme umgewandelt.
Wenn sich Leiterelektronen in einem Material
bewegen, stossen sie an
dessen Atome und
versetzen sie in Bewegung.
Diese Bewegung ist Wärme. Die Elektronen
ihrerseits werden durch den Zusammenstoss abgebremst. Das Material setzt dem elektrischen
Strom einen Widerstand entgegen und verschwendet einen Teil der Energie der Elektronen
als Wärme. Fast alle Materialien bieten dem
Strom Widerstand. Kupfer relativ wenig: es ist
ein guter Leiter für Strom.
Na und?
In jedem leitenden Material - das sind vor allem
Metalle - sitzen einzelne Elektronen nicht fest an
ihren Atomen, sondern schwirren frei im Metall
umher. Diese Bewegung ist aber ungeordnet,
und es fliesst kein Strom. Sobald aber eine Batterie angeschlossen wird, bewegen sich im Mittel
alle Leiterelektronen in einer Richtung, und es
fliesst Strom. Bei Isolatoren gibt es keine freien
Elektronen, darum kann in ihnen kein Strom
fliessen.
Na und?
Eine Glühbirne ist ein Widerstand. Im Glaskolben befindet sich ein gewundener Drahtfaden.
Wenn Strom durch den Faden fliesst, erwärmt
sich der Faden und beginnt zu glühen wie die
Stahlwolle im obigen Versuch. Brennen kann der
Faden nicht, weil im Glaskolben ein Vakuum
herrscht, und ohne Luft kann keine Verbrennung
stattfinden. Nur ein geringer Teil der Energie
wird in sichtbares Licht umgewandelt.
In dieser Anordnung befindet sich der grösste
Widerstand in
† a
† b
der Zuleitung.
der Glühlampe.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 7
Wie funktioniert eine Lampe? (Forts.)
Do it!
Baue einen Widerstandsprüfer wie abgebildet!
Halte die Drahtenden an verschiedene Gegenstände: Knöpfe, Glas, Münzen, Wasser in einem
Glas, deine Finger etc. Isolatoren lassen keinen
Strom fliessen: das Glühbirnchen brennt nicht.
Andere Dinge lassen ein wenig Strom durch: die
Birne glüht schwach. Wenn die Nägel einen Leiter berühren, fliesst der Strom frei und das
Lämpchen brennt hell.
Experiment Sektor MAGNETISMUS, EG:
Der Supraleiter
Wenn man einige leitende Stoffe tief genug abkühlt, bieten sie dem Strom keinen Widerstand
mehr.
Lass dir von einer Betreuerin oder einem Betreuer die Supraleiterexperimente vorführen und sei
willkommen in der Zukunft!
Was ist Magnetismus?
Nach einer alten Sage haben Magneten ihren
Namen von der griechischen Landschaft Magnesia, wo ein Hirtenjunge einst komische schwarze
Steine fand, die an den eisernen Nägeln seiner
Sandalen hängen blieben. Die Menschen waren
seit jeher fasziniert von Magneten. Wie in aller
Welt wirken sie durch die Luft und ziehen Eisen
an? Heute beschreibt man Magnetismus mit
magnetischen Kraftfeldern. Sie sind vergleichbar
mit den elektrischen Feldern oder dem Gravitationsfeld von Planeten.
Do it!
Lege einen Magneten unter ein dünnes Papier!
Streu ein wenig Eisenpulver auf das Papier und
du erhältst ein Muster des Magnetfeldes. Wenn
dir ein Muster besonders gefällt, verewige es mit
Sprayleim.
Na und?
Sogar die Erde ist ein schwacher, aber ausgedehnter Magnet mit Nord- und Südpol.
Do it!
Du kannst das Magnetfeld der Erde mit einem
selbstgebauten Kompass aufspüren. Nimm zwei
Stahlnadeln und streiche sie öfters in einer Richtung über einen Pol eines Magneten. Steck die
Nadeln auf eine Karte; achte, dass sie in dieselbe Richtung zeigen. Falte die Karte in der Mitte
und lass sie auf der Spitze eines Zahnstochers
balancieren. Die magnetisierten Nadeln werden
die Karte immer nach Norden ausrichten. Beschrifte diese Seite der Karte mit einem N, die
andere mit einem S.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 8
Was haben Elektrizität
und Magnetismus miteinander zu tun?
Elektrische und magnetische Felder wirken
durch den leeren Raum. Schon früh glaubten
Wissenschaftler an einen Zusammenhang. 1820
entdeckte dann Christian Oersted, dass ein Strom
eine Kompassnadel bewegt. Strom in einem
Draht erzeugt also ein Magnetfeld um den Draht.
Aber auch die Umkehrung gilt: mit Magnetfeldern kann man elektrische Felder erzeugen (Faraday).
Experiment im Jugendlabor (Infos
siehe Seite 1):
Der Elektromagnet
Hier bekommst du die Kräfte von Elektromagnetismus spüren.
Do it!
Wickle ein ca. 50cm langes Stück isolierten
Draht 20 Mal um einen Nagel und schliesse die
Drahtenden an eine Batterie. Der Strom in den
Windungen baut um sich herum ein Magnetfeld
auf. Durch dieses Magnetfeld wird der Nagel
zum Magneten. Mit dem Elektromagnet kannst
du Büroklammern oder Nadeln aufnehmen.
Na und?
Auch eine stomdurchflossene Spule erzeugt ein
Magnetfeld. Schiebt man ein Eisenstück in die
Spule, wird das Magnetfeld wesentlich verstärkt.
Man hat einen Elektromagneten. Häufig werden
Elektromagnete an Kräne gehängt, um schwere
Schrottstücke anziehen zu lassen. So erspart man
sich das Anbinden unhandlicher Brocken. Schaltet man den Strom ein, kann man Schrott anziehen; schaltet man ihn aus, wirkt der Magnet
nicht mehr.
Welche Behauptung stimmt?
† a Fliesst ein Strom durch den Draht, wird
das Eisen im obenstehenden Bild zu
einem Magneten.
† b Ist das Eisen magnetisch, fliesst ein
Strom durch den Draht.
† c Beide Behauptungen sind richtig.
Wie erzeugt man Strom?
Wenn man mit elektrischem Strom Magnetismus
erzeugen kann, dann müsste man doch auch umgekehrt mit Magnetismus Strom erzeugen können. Der Engländer Michael Faraday bewegte
1831 einen Magneten in einer Spule und stellte
tatsächlich einen Strom in der Spule fest.
Na und?
Ob wir heute mit dem Zug fahren, Lichteinschalten, fernsehen oder telefonieren, wenn Strom aus
einem Kraftwerk kommt, benutzen wir Faradays
Entdeckung. In gewaltigen Generatoren drehen
Spulen in starken Magnetfeldern. In den Spulen
wird eine Spannung aufgebaut, die einen Strom
verursacht.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 9
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Wie Strom entsteht
Gleichstrommotor 1 + 2:
Experimentiere hier wie Michael Faraday!
Wie kann man den Gleichstrommotor 1 umgekehrt laufen lassen?
Was braucht es zur Stromerzeugung neben
Magnet(feld) und Spule?
† a
Bewegung.
† b
Steckdosen.
† c
Batterien.
† d
Arbeit.
Ein Velodynamo ist ein Minigenerator. In ihm
befinden sich Spule und Magnet.
† a
Richtig.
† b
Falsch.
Wie funktioniert ein
Elektromotor?
Als man den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität erkannt hatte, machten
sich Ingenieure bald daran, daraus einen Nutzen
zu ziehen. Der Generator erzeugt elektrische aus
mechanischer Energie. Der Elektromotor macht
es umgekehrt. Aus elektrischer wird mechanische Energie, die Maschinen, Lifte und Fahrzeuge laufen lässt.
Do it!
Einen Elektromotor kannst du mit einfachen Mitteln bauen. Du brauchst nur ein wenig Zeit und
Geduld. Nimm ein Stück Holz als Sockel. Biege
zwei Büroklammern in die vorgegebene Form; sie
sind die Ständer. Nimm zwei ca.40cm lange Drähte
und wickle je ein Drahtende um einen dieser Ständer. Die Drähte werden den Strom von der Batterie
liefern. Befestige die Ständer mit Reissnägeln auf
dem Holz. Wickle nun ein Stück isolierten Draht zu
einer Spule mit acht Windungen. Du musst die
beiden Drahtenden abisolieren und die Spule auf
den Ständern befestigen. Die Spule muss sehr
leicht drehen können! Lege einen kleinen Magneten unter die Spule und schliesse die Drähte an
eine 6 Volt Batterie.Die Spule sollte einen Ruck
machen, wenn Du den Stromkreis schliesst. Wenn
nicht, überprüfe die Anschlüsse. (Damit die Spule
drehen kann, braucht es vielleicht noch ein paar
kleine Veränderungen. Der Magnet muss einen
ganz bestimmten Abstand von der Spule haben. Die
Spule sollte sorgfältig ausbalanciert sein, und die
abisolierten Spulenenden müssen die Ständer berühren.Wenn der Motor immer noch nicht laufen
will, halte den Magneten an verschiedene Orte um
die Spule oder entferne einen Draht von
der Batterie und berühre schnell hintereinander den Pol der
Batterie.)
Viel Glück!
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 10
Wofür schickt das Elektrizitätswerk seine Rechnung?
Was sind die Gefahren
von Elektrizität?
Sicherlich nicht für die angelieferten Elektronen;
die bleiben im Netz. Wir entnehmen dem Netz
dagegen auf bequeme Weise Energie. Die Energie im Netz wird z.B. an die Atome im Glühfaden einer Lampe abgegeben, und für die dem
Netz entnommene Energie müssen wir als Konsumenten bezahlen.
Ein elektrischer Schlag tritt
auf, wenn Strom im Körper
fliesst. Normalerweise sind
wir vor gefährlichen
Stromschlägen gut geschützt,
weil unsere Haut dem Strom
einen hohen Widerstand entgegensetzt. Ist die
Haut aber nass, wird der Widerstand stark vermindert.
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Energie und Leistung
Hier siehst du mit
eigenen Augen, dass die
grössere (und hellere)
Glühbirne mit der
gleichen Menge Energie
† a
† b
† c
kürzere Zeit
leuchtet.
gleich lang
leuchtet.
länger leuchtet.
Elektrische Sicherheit: Erlebe hier verschiedene
Stromstärken „am eigenen Leib“! Erhält dieser
Vogel einen Schlag, wenn er auf einer Hochspannungsleitung sitzt?
† a
Ja.
† b
Nein.
Was ist Gleichstrom,
was ist Wechselstrom?
Bei Gleichstrom bewegen sich die Elektronen im
Stromkreis nur in einer Richtung. Quellen für
Gleichstrom sind Batterien.
Beim Wechselstrom schwingen die Elektronen
im Leiter an festen Positionen 50 Mal pro Sekunde hin und her. Solchen Wechselstrom liefern Kraftwerksgeneratoren.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 11
Was sind die Gefahren von Elektrizität?
(Forts.)
Experiment Sektor ELEKTRIZITÄT, EG:
Von null bis fünfzig Hertz
Hier kannst du verschiedene Geräte an Gleichoder Wechselstrom anschliessen und den Unterschied beobachten.
Wenn man das Glühlämpchen an Wechselstrom
mit 50 Hertz legt,
† a
† b
leuchtet es genauso konstant wie beim
Betrieb mit Gleichstrom.
geht es so schnell an und ab, dass unser
Auge nicht mehr mitkommt und ein kon
stantes Leuchten wahrnimmt.
Schätze die Anzahl der Elektronen, die jährlich
durch die Häuser und Fabriken einer typischen
europäischen Stadt mit 50'000 Einwohnern hindurchgehen:
† a
† b
† c
überhaupt keine
etwa so viele Elektronen, wie in einer
Erbse vorhanden sind
etwa so viele Elektronen, wie im Mittel
meer vorhanden sind.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 12
Antworten
Was ist Ladung?
a) Elektrische Kraftfelder sind für die Übertragung der elektrischen Kräfte verantwortlich.
man die ganze Handfläche auflegt. Bei Batterien
werden Ladungen durch die chemische Reaktion
zwischen Säure und Metallen getrennt. Dieser
Effekt wird verstärkt, wenn mehr Säure (Handschweiss) mit mehr Metall reagieren kann.
Menschenkette:
a) ist richtig.
Was heisst aufladen?
Riesenelektroskop
b) Negative Elektronen gehen durch die Reibung von dir auf die Teflonplatte, weil einzelne Elektronen deiner Kleider weniger
fest an ihren Atomen sitzen als die Elektronen von Teflon.
b) Die Drähte werden negativ geladen.
Spannteppich:
Du bist positiv geladen, weil negative Elektronen
von dir weggegangen sind.
Positiv-Negativ:
b) Wenn du dich kämmst, wird
dein Haar positiv geladen, der
Kamm negativ. Damit erzeugst du aber keine Elektrizität; die war bereits vorhanden. Das Kämmen trennte nur
Negatives von Positivem. Das Haar hat genauso viele Elektronen zuwenig, wie der
Kamm zuviel. Daher sind Haare und Kamm
gleich stark, aber entgegengesetzt geladen.
Sprengstoff:
a) Die beim Trennen von Ladung aufgewendete
Energie ist in den getrennten Ladungen gespeichert: bei einer Entladung können Funken entstehen. Damit wird die gespeicherte
Energie wieder frei.
Was ist Strom?
Handbatterie
Wenn man die Platten nur mit den Fingerspitzen
berührt, ist der Ausschlag viel kleiner, als wenn
Hohe Spannungen ohne Strom:
a) Ein Mensch kann auf einige 100'000 Volt
geladen werden. Schon beim Autofahren
können es einige 10'000 Volt sein. Trotzdem
besteht keine Gefahr, weil diese hohen Spannungen bei einer Entladung sofort zusammenbrechen. Wenn du das nicht glaubst,
schau dir die Hochspannungsdemonstration
im Technorama an und lass dich mit dem
Van-de-Graaf-Generator aufladen. Das ist
wirklich ein "prickelndes" und "haarsträubendes" Erlebnis!
Was ist ein Stromkreis?
Tram und Bus:
c) Beim Tram fliesst der Strom durch die Oberleitung und über den Stromabnehmerbügel
zum Motor, von dort zu den Rädern. Die
Schienen bilden die Rückleitung zum Elektrizitätswerk. Damit ist der Stromkreis geschlossen. Ein Bus fährt auf Gummirädern,
so dass der Strom nicht über die Erde zurückfliessen kann. Gummi isoliert bekanntlich
und leitet Strom nicht. Daher sind zwei Drähte und zwei Stromabnehmer nötig.
Einfacher Stromkreis:
c) und f) leuchten. Probier es aus!
Christbaumbeleuchtung:
b) Wenn in einer Reihenschaltung ein Unterbruch entsteht, ist der gesamte Stromkreis
unterbrochen.
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ELEKTRIZITÄT & MAGNETISMUS
Seite 13
Antworten (Forts.)
Wie funktioniert eine Lampe?
b) Der Draht in der Zuleitung ist sehr viel dicker als der Glühdraht. Eine Regel für den
Widerstand lautet: je dünner ein Draht, desto
grösser sein Widerstand. Hätte die Zuleitung
einen grösseren Widerstand als die Glühbirne, würde sie heiss werden und glühen statt
die Lampe.
Was haben Elektrizität und Magnetismus miteinander zu tun?
a) Wenn ein Strom in einem Draht fliesst, der
um ein Eisenstück gewickelt ist, wird das Eisenstück zu einem Elektromagneten. Befindet sich jedoch ein Magnet in einer Spule,
verursacht er keinen Strom in der Spule. Wie
du noch sehen wirst, müsste man dazu den
Magneten in der Spule bewegen.
Wie erzeugt man Strom?
Was braucht es zur Stromerzeugung?
a) ist richtig. In den mit Wasserkraft oder
Dampf angetriebenen Generatoren eines
Elektrizitätswerks drehen Spulen in starken
Magnetfeldern und somit werden ständig Ladungen verschoben.
Beim Velodynamo ist es Muskelkraft.
Velodynamo:
a) ist richtig.
Wie funktioniert ein Elektromotor?
Man muss den Magneten umdrehen.
Wofür schickt das Elektrizitätswerk
seine Rechnung?
a) ist richtig.
Was sind die Gefahren von Elektrizität?
b) Die Spannung einer Hochspannungsleitung
kann 300'000 Volt betragen. Man würde
meinen, das könnte einen zerstörerischen
Strom im Vogel erzeugen. 300'000 Volt beziehen sich aber auf die Spannung des Drah-
tes in bezug auf die Erde. Der gesamte Vogel
befindet sich also auf einem Potential von
300'000 Volt gegenüber der Erde. Es gibt jedoch keine Spannung über dem Körper.
Strom fliesst aber nur, wenn eine Spannung
vorhanden ist - ohne Spannung kein Strom.
Käme der Vogel
aber mit einem benachbarten Draht
oder der Erde in
Kontakt, würde er
einen gewaltigen
Schlag erhalten,
weil jetzt ein Spannungsunterschied besteht.
Was ist Gleichstrom, was ist
Wechselstrom?
Von null bis fünfzig Hertz:
b) ist richtig. Der Strom in der Glühbirne geht
in der Sekunde hundertmal an und aus. Der
Glühdraht kühlt sich dabei etwas ab. Unser
Auge sieht bei so einer Frequenz die Helligkeitsschwankung nicht.
Elektronen:
a) Überhaupt keine.
Es ist ein verbreitetes Missverständnis, dass Elektronen von den Elektrizitätswerken über
Stromleitungen zu den Steckdosen der Verbraucher fliessen. In einer typischen europäischen
Stadt wird aber Wechselstrom verwendet, was
bedeutet, dass die Elektronen nicht durch die
Stromleitungen wandern, sondern einfach 50mal
pro Sekunde in den Leitungen hin- und herschwingen. Stromleitungen sind keine Kanäle für
Elektronen, sondern für Energie. Wenn du ein
Gerät an eine Steckdose anschliesst, fliesst Energie von der Steckdose in das Gerät und schiebt
Elektronen hin und her, die sich bereits in den
leitenden Elementen des Geräts befinden. Wenn
du einen elektrischen Schlag erhältst, denk daran, dass die Elektronen, die den Strom in deinem
Körper bilden, schon die ganze Zeit da waren. Es
ist elektrische Energie, die aus dem Draht kommt
und durch dich in den Boden fliesst. Keine Elektronen. - Ein schwacher Trost!
abelektrmagn.doc/18.2.03/ms